Tribologisch optimiert Mikrostrukturen erhöhen die Effizienz von Flügelzellenpumpen

Ein Gastbeitrag von B. Denkena, H. Klemme, M. Handrup und C. Schmidt

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Um die Energieeffizienz von Flügelzellenpumpen zu verbessern, müssen die tribologischen Kontakte in der Pumpe optimiert werden. Durch Mikrostrukturen kann das gelingen, was auch der Umwelt hilft.

Im kleinen Bild sieht man näher auf ein Strukturwalzwerkzeug für das Einarbeiten von Mikrostrukturen in Oberflächen. Wie man damit Flügelzellenpumpen optimieren kann, wenn man es richtig macht, untersucht das IFW aus Hannover mit Partnern aus der Industrie.
Im kleinen Bild sieht man näher auf ein Strukturwalzwerkzeug für das Einarbeiten von Mikrostrukturen in Oberflächen. Wie man damit Flügelzellenpumpen optimieren kann, wenn man es richtig macht, untersucht das IFW aus Hannover mit Partnern aus der Industrie.
(Bild: IFW)

Durch Mikrostrukturen konnte bereits in anderen tribologischen Systemen, wie beispielsweise zwischen Kolben und Zylinderlaufbuchsen in Verbrennungsmotoren, die unerwünschte Reibung deutlich reduziert und so die Energieeffizienz des Systems erhöht werden. Diese Methode wird nun im Rahmen des Projekts „Antriebsstrang 2025“ an der Leibniz Universität Hannover respektive am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) auf Flügelzellenpumpen übertragen. Es handelt sich dabei um Verdrängerpumpen, die zu 95 Prozent als Hydraulikpumpen in Fahrzeugen, zum Beispiel als Lenkhilfepumpen, eingesetzt werden. Damit haben sie einen direkten Einfluss auf den Energiebedarf des Fahrzeugs, was eine Möglichkeit bietet, Ressourcen zu sparen und die Umwelt zu entlasten.

Forschungspartner und Ziele des Projekts:

Im Rahmen des Forschungsprojekts arbeiten von der Leibniz Universität Hannover auch noch das Institut für Maschinenkonstruktion und Tribologie (IMKT) und das Institut für Technische Verbrennung (ITV) mit dem IFW eng zusammen. Industrieseitig beteiligen sich die Gühring KG, die Robert Bosch GmbH, die DMG MORI AG, die Volkswagen AG sowie die Ecoroll AG und die Gehring Technologies GmbH.

Die wesentlichen Inhalte des vom BMWK geförderten Projekts sind angesichts einiger Erfahrungen die Auslegung geeigneter Mikrogeometrien für einen effizienten reibungsverringernden Effekt, die Erforschung von produktiven Methoden zur Erzeugung der Mikrostrukturen, sowie die Untersuchung der erreichbaren Reibungsreduzierung an verschiedenen Bauteilen des Antriebsstrangs.

Mikroschmiertaschen verringern Reibungsverluste

Ein Ansatz, um die Energieeffizienz zu erhöhen, ist die Optimierung des tribologischen Systems der Flügelzellenpumpe. Es besteht aus einem Stator, dem Kurvenring, sowie einem Rotor, in dem die Flügel verschiebbar gelagert sind (Bild 1a). Rotiert der Stator, werden die Flügel durch die Zentrifugalkraft nach außen verschoben und gegen den Stator gedrückt. So entsteht zwischen den Flügelspitzen und der Innenfläche des Kurvenrings eine hochbelastete tribologische Kontaktzone. Einer der energetischen Verluste in Flügelzellenpumpen ist die Reibung, die zwischen den Flügeln und dem Kurvenring wirkt.

Wenn es gelingt, sogenannte Mikroschmiertaschen dort einzuarbeiten, ist die Chance groß, die Verluste zu minimieren. Mikroschmiertaschen wurden übrigens an der Leibniz Universität Hannover bereits in Zylinderlaufbuchsen eingebracht. Durch sie konnte die Reibung zwischen der Kolbengruppe und der Zylinderlauffläche um bis zu 17 Prozent reduziert werden. Mit dieser Maßnahme wird nämlich ein hydrodynamischer Schmierfilm in der Kontaktzone aufgebaut, der den Festkörperkontakt reduziert, weil er die Gleitkörperoberflächen voneinander trennt.

Auf die Größe der Schmiertaschen kommt es an

Für die Optimierung der Flügelzellenpumpe erfolgte zunächst die simulative Auslegung der optimalen Schmiertaschengeometrie durch das IMKT. Aufgrund der Kontaktgeometrie kann ein hydrodynamischer Druckaufbau durch die Schmiertaschen aber nur erfolgen, wenn diese schmaler sind als die tangentiale Kontaktfläche von 42 Mikrometern zwischen Kurvenring und Flügelspitze. Sind die Schmiertaschen größer als diese Kontaktfläche, verbinden sich die durch die Flügel eigentlich getrennten Kammern, was den Druckaufbau verhindert. Die tribologischen Berechnungen identifizierten für die im Projekt verwendete Flügelzellenpumpe der Robert Bosch GmbH einen optimalen Bereich für die Schmiertaschenbreite: Er liegt zwischen 20 und 30 Mikrometer. Für die Schmiertaschentiefe sind es zwischen 5 und 10 Mikrometer.

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