Verstellpumpe

Eine Verstellpumpe ist eine spezielle Bauform einer Hydraulikpumpe, deren Fördervolumen pro Umdrehung, also das Verdrängungsvolumen, variabel an den Bedarf des hydraulischen Systems angepasst werden kann. Im Gegensatz zu Konstantpumpen, die ein festes Fördervolumen besitzen, ermöglicht die Verstellpumpe eine präzise Steuerung des Volumenstroms und damit der Geschwindigkeit von Aktuatoren wie Hydraulikzylindern oder Hydraulikmotoren. Diese Anpassungsfähigkeit führt zu einer erheblichen Steigerung der Energieeffizienz, da nur die tatsächlich benötigte Leistung bereitgestellt wird.

Funktionsweise und Bauarten von Verstellpumpen

Verstellpumpen sind essenzielle Komponenten in modernen Hydrauliksystemen, die eine präzise Steuerung und hohe Energieeffizienz erfordern. Ihre Funktionsweise basiert auf der Veränderung des Verdrängungsvolumens, was durch unterschiedliche mechanische Prinzipien realisiert wird.

Axialkolbenpumpen mit Schwenkwiege

Die Axialkolbenpumpe mit Schwenkwiege ist eine der am häufigsten verwendeten Bauarten von Verstellpumpen. Bei diesem Typ sind die Kolben axial zur Antriebswelle angeordnet. Die Verstellung des Fördervolumens erfolgt durch das Schwenken einer sogenannten Schwenkwiege oder Schwenkscheibe.

Wenn die Schwenkwiege in einem Winkel zur Antriebswelle steht, bewegen sich die Kolben während einer Umdrehung der Zylindertrommel in und aus ihren Bohrungen. Die Länge des Kolbenhubs und damit das verdrängte Volumen hängen direkt vom Schwenkwinkel ab. Ein größerer Schwenkwinkel führt zu einem längeren Kolbenhub und somit zu einem höheren Fördervolumen. Steht die Schwenkwiege senkrecht zur Antriebswelle, gibt es keinen Kolbenhub, und die Pumpe fördert kein Volumen.

Radialkolbenpumpen mit ExzenterVerstellung

Radialkolbenpumpen sind eine weitere wichtige Kategorie von Verstellpumpen, bei denen die Kolben radial zur Antriebswelle angeordnet sind. Die Verstellung des Fördervolumens wird hier oft durch eine Exzenter-Verstellung erreicht.

Bei dieser Bauart bewegen sich die Kolben in einem feststehenden Gehäuse und werden durch eine exzentrisch gelagerte Welle oder einen Exzenter-Ring betätigt. Durch die Veränderung der Exzentrizität, also des Abstands des Drehzentrums der Welle zum Mittelpunkt des Kolbensterns, lässt sich der Kolbenhub variieren. Ein größerer Exzenterabstand bewirkt einen längeren Hub und somit ein höheres Fördervolumen.

Flügelzellenpumpen mit verstellbarem Stator-Ring

Flügelzellenpumpen sind für ihre pulsationsarme Förderung bekannt und werden ebenfalls in verstellbarer Ausführung angeboten. Bei diesen Pumpen wird das Fördervolumen durch die Verstellung eines Stator-Rings beeinflusst.

Der Statorring umschließt den Rotor, in dem die Flügel gleiten. Durch eine exzentrische Anordnung des Statorrings zum Rotor entstehen Kammern unterschiedlicher Größe. Die Flügel werden durch Fliehkraft oder Federkraft an die Innenwand des Statorrings gedrückt. Wenn der Statorring verschoben wird, ändert sich die Exzentrizität zum Rotor, wodurch sich das Volumen der Förderkammern und somit das Fördervolumen der Pumpe anpasst.

Regelungsarten von Verstellpumpen

Die Effizienz und Präzision von Verstellpumpen werden maßgeblich durch ihre Regelungssysteme bestimmt. Diese Systeme passen das Fördervolumen der Pumpe dynamisch an die jeweiligen Anforderungen des hydraulischen Systems an.

Druckregelung

Die Druckregelung ist eine grundlegende und weit verbreitete Regelungsart. Hierbei wird das Fördervolumen der Pumpe so angepasst, dass ein voreingestellter Systemdruck konstant gehalten wird.

Wenn der Systemdruck den Sollwert überschreitet, reduziert die Druckregelung das Fördervolumen der Pumpe. Dies geschieht, indem beispielsweise der Schwenkwinkel einer Axialkolbenpumpe verkleinert wird. Fällt der Druck unter den Sollwert, wird das Fördervolumen entsprechend erhöht. Diese Regelungsart ist besonders wichtig in Systemen, die einen konstanten Arbeitsdruck benötigen, unabhängig von der Last.

Leistungsregelung

Die Leistungsregelung zielt darauf ab, die von der Pumpe aufgenommene Antriebsleistung zu begrenzen. Dies ist besonders relevant in mobilen Arbeitsmaschinen oder Anlagen, bei denen die verfügbare Antriebsleistung begrenzt ist.

Bei der Leistungsregelung wird das Produkt aus Druck und Volumenstrom überwacht. Erreicht die Leistung einen voreingestellten Maximalwert, reduziert die Regelung das Fördervolumen, um eine Überlastung des Antriebsmotors zu verhindern. Dies kann beispielsweise durch eine Kombination aus Druck- und Volumenstrom-Messung realisiert werden, die über eine Kennlinie die Verstellung der Pumpe steuert.

Volumenstrom-Regelung

Die Volumenstrom-Regelung ermöglicht eine präzise Steuerung der Geschwindigkeit von Aktuatoren. Hierbei wird das Fördervolumen der Pumpe direkt an den benötigten Volumenstrom angepasst.

Ein Sensor misst den tatsächlichen Volumenstrom im System, und ein Regler vergleicht diesen mit einem Sollwert. Bei Abweichungen wird das Verstellorgan der Pumpe so betätigt, dass der gewünschte Volumenstrom erreicht wird. Diese Regelungsart ist entscheidend für Anwendungen, die eine hohe Genauigkeit in der Bewegungssteuerung erfordern, wie beispielsweise in Werkzeugmaschinen oder Handhabungssystemen.

Load-Sensing-Regelung

Die Load-Sensing-Regelung ist eine fortschrittliche und energieeffiziente Regelungsart, die den Volumenstrom bedarfsgerecht an die Last anpasst. Sie minimiert Leistungsverluste, indem sie nur so viel Volumenstrom fördert, wie für die aktuelle Arbeitsaufgabe tatsächlich benötigt wird.

Bei der Load-Sensing-Regelung wird der Druck vor dem Verbraucher (Lastdruck) gemessen und mit dem Pumpendruck verglichen. Die Pumpe regelt ihren Volumenstrom so, dass der Pumpendruck stets einen definierten Überdruck zum Lastdruck aufweist. Dies stellt sicher, dass immer ausreichend Druck für die Bewegung des Aktuators zur Verfügung steht, ohne unnötig hohe Drücke zu erzeugen. Dies führt zu einer deutlichen Reduzierung der Verlustleistung und somit zu einer höheren Energieeffizienz des Gesamtsystems.

Vorteile von Verstellpumpen in der Hydraulik

Verstellpumpen bieten gegenüber Konstantpumpen eine Reihe signifikanter Vorteile, die sie zu einer bevorzugten Wahl in vielen hydraulischen Anwendungen machen. Diese Vorteile tragen maßgeblich zur Effizienz, Präzision und Wirtschaftlichkeit von Hydrauliksystemen bei.

Energieeffizienz

Der wohl größte Vorteil von Verstellpumpen liegt in ihrer hohen Energieeffizienz. Da sie ihr Fördervolumen an den tatsächlichen Bedarf anpassen können, wird nur die tatsächlich benötigte Leistung vom Antriebsmotor abgerufen.

Im Gegensatz dazu fördern Konstantpumpen immer ihr maximales Volumen, selbst wenn nur ein geringer Volumenstrom benötigt wird. Der überschüssige Volumenstrom muss dann über Drosselventile abgeleitet werden, was zu erheblichen Energieverlusten in Form von Wärme führt. Verstellpumpen vermeiden diese Drosselverluste, indem sie ihr Fördervolumen reduzieren, wenn der Bedarf sinkt. Dies führt zu einem geringeren Energieverbrauch und somit zu niedrigeren Betriebskosten.

Präzise Steuerung

Verstellpumpen ermöglichen eine sehr präzise Steuerung von Volumenstrom und Druck im Hydrauliksystem. Durch die kontinuierliche Anpassung des Fördervolumens können die Geschwindigkeiten von Hydraulikzylindern und Hydraulikmotoren exakt geregelt werden.

Diese präzise Steuerbarkeit ist entscheidend für Anwendungen, die hohe Genauigkeit erfordern, wie beispielsweise in Werkzeugmaschinen, Robotik oder in der Prozesssteuerung. Die Möglichkeit, den Volumenstrom feinfühlig anzupassen, erlaubt eine exakte Positionierung und eine sanfte Beschleunigung und Abbremsung von Aktuatoren, was die Qualität der Arbeitsergebnisse verbessert und mechanische Belastungen reduziert.

Reduzierte Wärmeentwicklung

Durch die Vermeidung von Drosselverlusten tragen Verstellpumpen maßgeblich zu einer reduzierten Wärmeentwicklung im Hydrauliksystem bei. Überschüssige Wärme ist ein häufiges Problem in hydraulischen Anlagen, da sie die Lebensdauer von Komponenten wie Dichtungen und Hydraulikflüssigkeit verkürzt.

Weniger Wärmeentwicklung bedeutet, dass kleinere Kühler oder gar keine Kühler benötigt werden, was die Systemkosten senkt und den Wartungsaufwand reduziert. Zudem bleibt die Viskosität des Hydrauliköls stabiler, was die Effizienz und Zuverlässigkeit des Systems weiter verbessert.

Längere Lebensdauer der Komponenten

Die präzise Steuerung und die reduzierte Wärmeentwicklung wirken sich positiv auf die Lebensdauer aller Komponenten im Hydrauliksystem aus. Geringere thermische Belastungen und eine sanftere Betriebsweise reduzieren den Verschleiß von Pumpen, Ventilen, Zylindern und Dichtungen.

Ein System, das mit einer Verstellpumpe betrieben wird, arbeitet in der Regel unter stabileren Bedingungen, was zu weniger Spitzendrücken und geringeren mechanischen Belastungen führt. Dies verlängert die Wartungsintervalle und reduziert die Notwendigkeit von Ersatzteilen, was wiederum die Betriebskosten senkt.

Anwendungsbereiche von Verstellpumpen

Verstellpumpen finden aufgrund ihrer Vorteile in einer Vielzahl von hydraulischen Anwendungen Einsatz, insbesondere dort, wo Energieeffizienz, präzise Steuerung und hohe Leistungsdichte gefragt sind.

Mobile Arbeitsmaschinen

In mobilen Arbeitsmaschinen wie Baggern, Radladern, Kränen und Landmaschinen sind Verstellpumpen nahezu Standard. Hier sind die Anforderungen an die Energieeffizienz besonders hoch, da der Kraftstoffverbrauch direkt die Betriebskosten beeinflusst.

Die Load-Sensing-Regelung in Verbindung mit Verstellpumpen ermöglicht es, die Leistung des Hydrauliksystems optimal an die jeweilige Arbeitsaufgabe anzupassen. Dies führt zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch, reduzierten Emissionen und einer besseren Steuerbarkeit der Maschine.

Werkzeugmaschinen

In modernen Werkzeugmaschinen, wie CNC-Fräsen, Drehmaschinen oder Pressen, sind präzise Bewegungsabläufe und hohe Wiederholgenauigkeit entscheidend. Verstellpumpen tragen hier durch ihre exakte Volumenstromregelung zur hohen Präzision bei.

Die Möglichkeit, die Vorschubgeschwindigkeiten und Presskräfte feinfühlig zu steuern, ermöglicht die Bearbeitung komplexer Werkstücke mit hoher Qualität. Zudem tragen die Energieeffizienz und die reduzierte Wärmeentwicklung zu einem stabilen Betrieb und einer längeren Lebensdauer der Maschine bei.

Industrieanlagen

Auch in stationären Industrieanlagen, wie Spritzgießmaschinen, Pressen, Hebezeugen oder Materialhandhabungssystemen, kommen Verstellpumpen zum Einsatz. Hier sind oft hohe Drücke und große Volumenströme erforderlich, die effizient und präzise bereitgestellt werden müssen.

Die Anpassungsfähigkeit von Verstellpumpen an wechselnde Lasten und Betriebsbedingungen macht sie ideal für solche Anwendungen. Sie tragen dazu bei, den Energieverbrauch zu senken, die Prozessstabilität zu erhöhen und die Betriebskosten der Anlagen zu optimieren.

Windkraftanlagen

In Windkraftanlagen spielen Verstellpumpen eine wichtige Rolle in den Pitch- und Gier-Systemen. Diese Systeme sind für die Ausrichtung der Rotorblätter und der Gondel zum Wind verantwortlich und müssen präzise und zuverlässig arbeiten.

Die hydraulischen Verstellsysteme mit Verstellpumpen ermöglichen eine feinfühlige Anpassung der Rotorblattstellung, um den optimalen Wirkungsgrad zu erzielen und die Anlage vor Überlastung zu schützen. Die Robustheit und Zuverlässigkeit der Verstellpumpen sind hierbei entscheidend für den langfristigen und sicheren Betrieb der Windkraftanlage.

Wartung und Instandhaltung von Verstellpumpen

Die regelmäßige Wartung und fachgerechte Instandhaltung von Verstellpumpen sind entscheidend für deren Langlebigkeit, Zuverlässigkeit und die Aufrechterhaltung der Systemeffizienz. Vernachlässigung kann zu vorzeitigem Verschleiß, Leistungsverlust und kostspieligen Ausfällen führen.

Hydraulikflüssigkeit

Die Qualität und Sauberkeit der Hydraulikflüssigkeit ist von größter Bedeutung für die Funktion und Lebensdauer einer Verstellpumpe. Verunreinigungen können zu erhöhtem Verschleiß der präzisen Bauteile führen.

Es ist unerlässlich, die vom Hersteller vorgeschriebene Hydraulikflüssigkeit zu verwenden und die Wechselintervalle einzuhalten. Regelmäßige Analysen der Hydraulikflüssigkeit können Aufschluss über den Zustand des Öls und mögliche Verunreinigungen geben. Eine gute Filtration des Systems ist ebenfalls entscheidend, um Partikel und Wasser aus dem Öl zu entfernen.

Filterwechsel

Hydraulikfilter spielen eine zentrale Rolle beim Schutz der Verstellpumpe vor Verunreinigungen. Sie müssen regelmäßig gemäß den Herstellervorgaben gewechselt werden.

Ein verstopfter Filter kann zu einem erhöhten Druckabfall führen, was die Pumpe zusätzlich belastet und die Effizienz mindert. Im schlimmsten Fall kann ein verstopfter Filter Bypass-Ventile öffnen, wodurch ungefiltertes Öl in das System gelangt und Schäden verursacht.

Dichtungen und Leckagen

Dichtungen sind Verschleißteile und müssen regelmäßig auf Undichtigkeiten überprüft werden. Leckagen führen nicht nur zu Ölverlust und Umweltverschmutzung, sondern können auch den Systemdruck beeinträchtigen und die Effizienz mindern.

Defekte Dichtungen sollten umgehend ersetzt werden, um größere Schäden an der Pumpe oder anderen Systemkomponenten zu vermeiden. Eine regelmäßige Sichtprüfung auf Ölspuren ist ein einfacher, aber effektiver Weg, um potenzielle Probleme frühzeitig zu erkennen.

Geräusch- und Vibrationsanalyse

Ungewöhnliche Geräusche oder Vibrationen können erste Anzeichen für Probleme an der Verstellpumpe sein. Dazu gehören Kavitation, Lagerverschleiß oder eine fehlerhafte Ausrichtung.

Eine regelmäßige akustische und visuelle Inspektion kann helfen, solche Anzeichen frühzeitig zu erkennen. Bei Auffälligkeiten sollte eine detaillierte Diagnose durchgeführt werden, um die Ursache zu ermitteln und entsprechende Maßnahmen einzuleiten.

Druck- und Volumenstromprüfung

Regelmäßige Überprüfungen des Systemdrucks und des Volumenstroms sind wichtig, um die korrekte Funktion der Verstellpumpe und ihrer Regelung zu gewährleisten. Abweichungen von den Sollwerten können auf interne Leckagen, Verschleiß oder eine fehlerhafte Einstellung der Regelung hindeuten.

Diese Prüfungen sollten mit geeigneten Messgeräten durchgeführt und die Ergebnisse dokumentiert werden, um Trends zu erkennen und präventive Maßnahmen ergreifen zu können. Eine präzise Einstellung der Regelungsparameter ist entscheidend für die optimale Leistung und Effizienz der Pumpe.

Zukünftige Entwicklungen bei Verstellpumpen

Die Entwicklung im Bereich der Verstellpumpen ist geprägt von dem Bestreben nach noch höherer Effizienz, intelligenterer Steuerung und Integration in moderne Systemarchitekturen.

Elektrifizierung und Hybridisierung

Mit dem Trend zur Elektrifizierung von mobilen Arbeitsmaschinen und Industrieanlagen gewinnen elektrisch angetriebene Verstellpumpen an Bedeutung. Diese ermöglichen eine noch präzisere und schnellere Regelung sowie eine bessere Integration in elektrische Antriebskonzepte.

Hybridlösungen, die Verbrennungsmotoren mit elektrischen Antrieben kombinieren, nutzen Verstellpumpen, um die Leistung optimal zwischen den verschiedenen Energiequellen zu verteilen und so den Wirkungsgrad weiter zu steigern.

Intelligente Regelungssysteme

Zukünftige Verstellpumpen werden noch stärker in intelligente Regelungssysteme integriert sein. Dies umfasst den Einsatz von Sensoren zur Erfassung einer Vielzahl von Betriebsparametern und die Nutzung von Algorithmen zur vorausschauenden Wartung und Optimierung.

Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen könnten dazu beitragen, die Regelung der Pumpen noch feinfühliger an wechselnde Betriebsbedingungen anzupassen und so die Effizienz und Zuverlässigkeit weiter zu verbessern.

Miniaturisierung und Leistungsdichte

Der Trend zur Miniaturisierung und Erhöhung der Leistungsdichte wird sich auch bei Verstellpumpen fortsetzen. Kleinere und leichtere Pumpen mit gleicher oder höherer Leistung ermöglichen kompaktere und flexiblere Systemdesigns.

Neue Materialien und Fertigungsverfahren werden dazu beitragen, die Leistungsdichte zu erhöhen und gleichzeitig die Lebensdauer und Robustheit der Pumpen zu gewährleisten.

Integration in Industrie 4.0

Verstellpumpen werden zunehmend Teil von Industrie 4.0-Konzepten. Dies bedeutet eine stärkere Vernetzung der Pumpen mit übergeordneten Steuerungssystemen und die Bereitstellung von Daten für Monitoring, Diagnose und vorausschauende Wartung. Die Integration in digitale Zwillinge und Cloud-Plattformen ermöglicht eine umfassende Analyse der Betriebsdaten und eine Optimierung der gesamten Anlage über den Lebenszyklus hinweg.