Hydraulik Floating-Cup-Technik als Bauprinzip?für Konstant- und Verstellpumpen

Als Universalprinzip für Hydraulikpumpen kombiniert die Floating-Cup-Technik vorteilhaften Pumpeneigenschaften: hoher Wirkungsgrad, niedrige Schallemission und Druckpulsation. Das hat nicht nur zur Entwicklung einer serienreifen Axialkolbenmaschine als Konstantpumpe geführt, in modifizierter Ausführung eignet sich das Floating-Cup-Prinzip auch für Verstellpumpen.

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Es kocht und brodelt in der „Hydraulikküche“ der Niederlande. Denn das Ingenieurbüro Innas BV, Breda, hat vor einigen Jahren ein neues, verbessertes Rezept für Axialkolbenpumpen am Markt eingeführt: das Floating-Cup-Prinzip. Nach der erfolgreichen Entwicklung einer Floating-Cup-Konstantpumpe – ein Prototyp für die Serienfertigung ist bereits fertig gestellt (Bild 1) – haben die Niederländer Geschmack an der Weiterentwicklung gefunden. Das Ergebnis ist eine variable Variante dieser Pumpe. Der erste Prototyp der variablen Floatinga-Cup-Pumpe wird auf der Leistungsschau für Antriebs- und Fluidtechnik im Rahmen der diesjährigen Hannover-Messe vorgestellt.

Noch mehr Konkurrenz zu herkömmlichen Prinzipien

Das Ziel, das sich Innas vor vier Jahren gestellt hatte, war die Entwicklung eines kostengünstigen Universalprinzips für Hydraulikmaschinen. Es soll die Vorteile der bereits bestehenden Pumpenprinzipien in einer Lösung vereinigen.

Das Ergebnis dieser Entwicklung ist eine Axialkolbenmaschine, die einerseits eine geringe Schallemission, einen hohen Wirkungsgrad (bis zu 95%) und eine niedrige Druckpulsation, andererseits eine erhebliche Kostenreduzierung ermöglicht. Die jetzige Weiterentwicklung dieses Pumpenprinzips zu einer verstellbaren Einheit bedeutet eine noch größere Konkurrenz für die Produzenten von bestehenden Axialkolbenpumpen und Motoren (Bild 2).

Hydraulik verzeichnet deutlichen Entwicklungssprung

Floating Cup bedeutet ein Evolutionssprung für die Hydraulikindustrie im Hinblick auf die Produktionstechnik – ein Sprung, den die Automobilproduzenten bereits vor Jahren vollzogen haben: spanlos produzieren, automatisierte Messung und Klassifikation, um Hochpräzisionsteile herzustellen – und das zu Stückpreisen unterhalb der Eurogrenze.

Anders als bei herkömmlichen Axialkolbenpumpen sind die insgesamt 24 Kolben über den Rotor fest mit der Antriebswelle verbunden. Die Abdichtung und Gelenkfunktion finden an der Grenzfläche zwischen den einzelnen Kolben und Kolbenzylindern (Bohrungen) statt. Die herkömmlichen Bohrungen der Trommel – die Floating Cups – sind als „lose“ Teile konzipiert: Sie schwimmen sozusagen auf den beiden mitdrehenden Trommelplatten.

Diese Platten werden direkt von der Welle angetrieben, um große Kontaktkräfte zwischen Kolben und Cup zu vermeiden. Die Ölverdrängung ergibt sich durch die Schrägstellung der Schwenkscheiben, die den Stand der Trommelplatten bestimmt. Um die Reibungsverluste zu minimieren, sind die Berührungsflächen – dort, wo große Gleitkräfte wirken – hydraulisch kraftkompensiert.

Pumpen machen deutlich weniger Lärm

Bereits die Konstant-Pumpenausführung hat gezeigt, dass die hohe Anzahl der Kolben die Druckpulsation um bis zu 80% reduziert. Darüber hinaus wirk sich die hohe Kolbenzahl sehr positiv auf den Körper- und Pulsationsschall aus. Im Vergleich zu den Schrägachsen- und Schrägscheibenpumpen wurde bei der Floating-Cup-Konstantpumpe eine Verringerung des Schallpegels um bis zu 10 dB (A) gemessen.

Die Kombination von niedriger Reibung und geringer Pulsation ergibt in Systemanwendungen eine Erhöhung der Regelqualität. Das niedrige Pulsationsniveau zahlt sich in einer Senkung des Systemschalls aus, der oft durch den Load-Sensing-Block hindurch bis zum Anwendungszylinder reicht. Weiterhin hat ein hoher Wirkungsgrad eine günstige Auswirkung auf die benötigte Kühlleistung. So kann für Systembauer das Floating-Cup-Prinzip die Basis für eine völlig neue Produktgruppe von kompakteren Maschinen sein.

Massenproduktion bringt Wirtschaftlichkeit

Auf den ersten Blick scheint es, dass die größere Anzahl von Bauteilen der Floating-Cup-Pumpe im Vergleich zu konventionellen Pumpen zu einem höheren Kostpreis führt. Die Entwicklung des Floating-Cup-Prinzips basiert jedoch auf den typischen Produktionsverfahren der Automobilindustrie: Sintern, Feinstanzen, Tiefziehen, Schmieden, automatisierte Messung und Klassifizierung. Dabei wurde nicht nur auf die Einfachheit der Einzelteile geachtet, auch komplizierte Toleranzketten wurden vermieden.

Was die Klassifizierung anbelangt, handelt es sich um eine für Hydraulikhersteller unkonventionelle Produktionsstrategie: Der von Interessenten oft geäußerte Zweifel bezüglich der Herstellungskosten der Kolben und Cups ist verständlich. Es ist allgemein bekannt, dass die Größe der Leckspalte den Wirkungsgrad einer Axialkolbenmaschine und damit die Leistungsdichte stark beeinflusst. Enge Toleranzen seien teuer, heißt es in der Hydraulikbranche.

Der Trick der Klassifizierung ist die Ausnutzung der großen Mengen: Massenproduktion mit niedrigen Toleranzen, gefolgt von Kontrollmessungen im Mikrometerbereich und der Verteilung der Komponenten nach Größenklassen. Durch Paarung der richtigen Größen wird letztendlich doch die benötigte Passgenauigkeit erlangt. In Kombination mit spanloser Fertigung, die größtenteils zur Herstellung von Kolben und Cups angewandt wird, lässt sich eine hohe Kosteneffizienz erreichen.

Kostengünstiger Aufbau für Floating-Cup-Technik wichtig

In den vergangenen beiden Jahren hat Innas an den Kernpunkten der variablen Floating-Cup-Technik gearbeitet. Weil die Verstellung des Schluckvolumens doppelt ausgeführt ist, spielt ein technisch einfacher und kostengünstiger Aufbau eine wichtige Rolle. Ferner ist es aufgrund des gespiegelten Aufbaus wichtig, dass die Ölversorgung der Verdrängervolumen über die beiden Schwenkscheiben „läuft“: Es hat sich herausgestellt, dass die Verformung der beiden Steuerplatten und Schwenkscheiben unter Hochdruck zu unakzeptabel großen Leckspalten führen kann – mit desaströsen Folgen für den Wirkungsgrad der Maschine.

Die Lösung des Verformungsproblems ist einfach und kostengünstig: Die Schwenkscheiben werden von baugleichen Kolben und Cups gestützt und bewegt, wie sie auch in der Rotationsgruppe enthalten sind. Auch beim Verstellmechanismus der Schwenkscheiben hat man darauf geachtet, dass große Kräfte – so weit wie möglich – ausgeglichen werden, um Deformationen zu minimieren. Jede Schwenkscheibe wird von zwei gegenwirkenden Kolben angetrieben, wodurch ein reines Drehmoment die Scheibe verstellt. Die Kontaktreibung zwischen Gehäuse und Schwenkscheibe ist reduziert. Die Gesamtgröße der Pumpe lässt sich infolge Verteilung der Verstellkraft auf mehrere kompakte Zylinder klein halten.

Positive Testresultate?festigt Markteinführung

Mit den ersten Versuchen der variablen Version wird im Frühling dieses Jahres begonnen. Im Laufe des Jahres wird die Verstellpumpe für Auswertungszwecke Interessenten zur Verfügung gestellt. Aufgrund der ausgezeichneten Testresultate der konstanten Floating-Cup-Einheit, ist zu erwarten, dass die variable Pumpe sowohl in der mobilen als auch stationären Hydraulik einen Mehrwert für Anwender haben wird: zum Beispiel bei Load-Sensing-Systemen und Spritzgießmaschinen. Was das Floating-Cup-Prinzip betrifft, ist es nicht so sehr die Frage, wann es auf den Markt kommen, sondern in welcher Anwendung das Prinzip dort als erstes erscheinen wird.MM

Rob und Annemarie van Malsen und Thomas Platzer sind Projektverantwortliche bei Innas/Noax in Breda/Niederlande.

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