AMT | Anwendung pulvermetallurgischer Strukturbauteile in Reihenkolbenpumpen

Date：2025-07-22   Views：1016

Unter allen hydraulischen Motoren gelten Axialkolbenpumpen als die leistungsfähigsten, da sie uneingeschränkte Auswahlmöglichkeiten bei Druck und Verdrängung bieten. Sie können Drücke bis zu 34,5 MPa erzeugen, sind jedoch die aufwendigsten und teuersten Bauart. Typisch eingesetzt werden sie in hocheffizienten mobilen Anwendungen. In Axialkolbenpumpen werden derzeit vier Pulvermetall-Teile verwendet: Zylinderkörper, Kolbenschuhe, Druck- bzw. Rückholplatten sowie Kugelscheiben (Bild 9-41). Pulvermetallurgie ist die wirtschaftlichste Methode zur Herstellung dieser Bauteile. Sobald der Zylinderkörper jedoch ein Volumen von 3,3 × 10⁻⁵ m³ (ca. 2,3 kg Masse) überschreitet, verliert das Verfahren seine Wettbewerbsfähigkeit.

Bild 9-41 Im Rotor einer Axialkolbenpumpe lassen sich vier Pulvermetall-Teile einsetzen: Zylinderkörper, Druckplatte, Kugelscheibe und Kolbenschaft

Produktionsstudien mit kupferinfiltriertem Pulvermetall-Stahl als Zylinderkörper-Material zeigen, dass Pulvermetallurgie mehrere Bearbeitungsschritte eliminiert, ohne die Prozesszeit zu verlängern:

• Nutenfräsen, wodurch höhere Vordrehzahlen möglich sind; die Zeit- und Werkzeugkosten für das Anbringen der Oberflächennuten entfallen.

• Grobbohren der Kolbenbohrungen.

• Bohren der ovalen Nuten.

• Wärmebehandlung.

• Fertigdrehen.

Obwohl die Materialkosten für Pulvermetall-Teile doppelt so hoch sind wie für Gusseisen, sinken die Gesamtfertigungskosten durch verkürzte Bearbeitungszeiten und weniger Arbeitsgang. Der Anwender kann drei Bearbeitungsstationen einsparen. Technisch erfüllt das Verfahren die Anforderung an die Lagegenauigkeit der ovalen Nuten relativ zu den Kolbenbohrungen – eine durchaus realisierbare Eigenschaft.

Da Axialkolbenpumpen für Hochdruckanwendungen bis 34,5 MPa und darüber eingesetzt werden, steht die Bauteilbeanspruchung im Vordergrund. Daher wurden Festigkeit und Lebensdauer hochbelasteter Teile analysiert.

Der Zylinderkörper versagt typischerweise an den Kolbenbohrungen. Um die maximale Spannung des gewählten Werkstoffs zu ermitteln, wurden mehrere Berechnungsansätze herangezogen. Beachten Sie, dass die Lebensdauer bei 2,5-facher Spannungsebene ermüdungsbedingt ist. Nachfolgend die Spannungsberechnung für Kolbenzylinderbohrungen.

Drei Methoden dienten zur Festigkeitsanalyse im Bereich der Kolbenzylinderbohrungen (Bild 9-42):

Bild 9-42 Spannungsanalyse in der Umgebung der Kolbenzylinderbohrung

Methode 1: Maximale Tangentialspannung (S₂).

Dabei ist p der Druck im Druckraum des Kolbenbodens.

Maximale Radialspannung (S₃):

Bei einem Maximaldruck von 23,7 MPa, α = 6,0 mm und b = 8,9 mm ergeben sich S₂ = 62,9 MPa und S₃ = 43,2 MPa.

Methode 2: Maximale Tangentialspannung (S₂).

p ist der Druck im Arbeitsraum des Kolbenbodens, der auf die gesamte Innenfläche des Druckraums wirkt.

Maximale Radialspannung (S₃):

Methode 3: Spannungsberechnung mit Druckfläche = Bohrungs­durchmesser = 12 mm.

Länge der Beanspruchungsfläche 15,3 mm; Spannung entlang Schnitt A-A:

Länge der Beanspruchungsfläche 2,93 mm; Spannung entlang Schnitt B-B: