Verlustanalyse am Kolben-Buchse-Kontakt von Axialkolbenpumpen in Schrägscheibenbauweise

Von:

Markus Gärtner

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In der vorliegenden Arbeit werden experimentelle, analytische und simulative Methoden zur Beschreibung der Verluste herangezogen. Die experimentellen Untersuchungen erfolgen an einem Einkolbenprüfstand im Prüffeld des Instituts für fluidtechnische Antriebe und Systeme (ifas). Aufgrund des großen einstellbaren Betriebsbereichs sind Zustände unter reiner Flüssigkeitsreibung, aber auch unter Mischreibung abbildbar. Ergebnisse die axiale Reibkraft und die Leckage betreffend und die daraus ermittelten Verlustarbeiten sind Grundlage der weiterführenden Analyse. Mithilfe eines analytischen Ansatzes gelingt die korrekte Berechnung der Leckage, sofern treffende Werte für die Kolbenexzentrizität angenommen werden. Eine Verbesserung des Berechnungsergebnisses wird durch die Berücksichtigung der gemessenen Temperaturverteilung im Dichtspalt erzielt. Die Kompressionsarbeit wird unter Berücksichtigung des druckabhängigen Kompressionsmoduls berechnet. Die Ergebnisse der Mehrkörpersimulation mit elastohydrodynamischer Kopplung der Lagerstellen bieten weitere Einblicke, die durch Versuche nach derzeitigem Stand der Technik nicht verlässlich ermittelt werden können. Anhand von drei Simulationsmodellen des Einkolbenprüfstands mit unterschiedlicher Komplexität werden neben den Verlustkenngrößen Reibkraft, Reibmoment und Leckage auch die radiale Kolbenverlagerung und die resultierenden Kontaktdrücke analysiert. Dem Einfluss des Betriebspunkts und der Kolbenrotation wird besondere Beachtung geschenkt. Daraufhin werden die Verlustanteile in Abhängigkeit von den Betriebsparametern Druck und Drehzahl aufgetragen. Daraus können die wesentlichen Verlustursachen abgeleitet werden. Abschließend erfolgt ein Vergleich der Analysemethoden hinsichtlich des Aufwands und der möglichen Fehlerquellen.