Entwicklung und Untersuchung einer Gerotopumpe und eines Orbit-Motors mit neuartiger Rollen-Zahnrad-Verzahnung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Uwe Heisel
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 211482746

Gerotorpumpen und Orbit-Motoren nehmen in der Ölhydraulik eine wichtige Stellung ein. Gerotor-pumpen teilen mit anderen Zahnradpumpen-Bauarten viele positive Eigenschaften wie die kompakte Bauweise mit gutem Leistungsgewicht, einen einfachen Aufbau mit wenigen Bauteilen, hohe Zuver-lässigkeit und Robustheit, eine unabhängige Einbaulage, einen guten Wirkungsgrad und einen sehr stetigen Förderstrom. Orbit-Motoren haben eine Reihe von Vorzügen, die sie zu einem großen Teil mit den verwandten Gerotorpumpen teilen: So weisen sie eine hohe Laufruhe, ein sehr hohes Startdrehmoment, ein nahezu konstantes Drehmoment über den gesamten Drehzahlbereich und einen hohen Wirkungsgrad auf. Orbit-Motoren sind kompakte und robuste Konstruktionen, die auch unter harten Arbeitsbedingungen sehr langlebig sind. Darüber hinaus können sie sowohl in geschlossenen als auch in offenen Hydrauliksystemen eingesetzt werden und sind für eine große Bandbreite an Hydraulikflüssigkeiten geeignet. Neben den aufgeführten Vorteilen weisen sowohl Gerotortpumpen als auch Orbit-Motoren bestimmte Nachteile auf. So fordern diese hohen Fertigungsgenauigkeiten, welche zu einer schwierigen und teueren Herstellung von Zahnradsätzen führt. Das Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die grundlegende Konzeption und Untersuchung einer Gerotorpumpe und eines Hydromotors (Orbit-Motor) mit einer neuen Rollen-Zahnrad-Verzahnung. Bei konventionellen Gerotorpumpen wird der innenverzahnte Zahnring meistens auf Räummaschinen hergestellt, was zu erhöhten Produktionskosten führt. Bei dem Orbit-Motor wird der Separator der Rollen ebenso auf Räummaschinen produziert, was mit der gleichen Verteuerung durch diesen Arbeitsprozess einhergeht. Für die neuen Gerotorpumpen und Orbit-Motoren sollen der herkömmliche innenverzahnte Zahnring des Zahnradpaares bzw. der Separator und die Rollen bei den Orbit-Motoren durch Rollen bzw. Rollen und Passschrauben ersetzt werden. Diese Standard-Normteile besitzen eine hohe Genauigkeit und benötigen nur einen einfachen Fertigungsprozess für das Zahnradpaar, wodurch die Herstellkosten erheblich sinken. Die im Rahmen des Vorhabens zu entwickelnde Gerotorpumpe und der Orbit-Motor sollen sich weiter durch die folgenden Vorteile auszeichnen: Die Gleitreibung zwischen beiden Zahnrädern wird durch Rollreibung ersetzt, wodurch der Wirkungsgrad erhöht, der Verschleiß minimiert und die Lebensdauer verlängert wird. Weiterhin sollen die neu konzipierte Gerotorpumpe und der Orbit-Motor eine geringe Pulsation und niedrige Schallpegel aufweisen. Durch Anwendung der analytischen Mathematik und Differentialgeometrie wird die Prototyppumpe und der Prototypmotor ausgelegt und modelliert sowie deren charakteristische Parameter simuliert. Dabei werden analytische Gleichungen des Profils des Innenzahnrads bei verschiedenen Exzentrizitäten aufgestellt. Die neue Gerotorpumpe und der Orbit-Motor werden durch Modellieren der Fluidströmung, durch Optimierung der neuen Rollen-Zahnrad-Verzahnung sowie durch Gegenüberstellung der experimentellen und theoretischen Untersuchungen mit Ergebnissen von Standard-Gerotorpumpen und Orbit-Motoren verglichen und verifiziert. Die gewonnenen Kennwerte des optimierten Pumpen- und Orbit-Motor-Prototyps mit der neuen Rollen-Zahnrad-Verzahnung sollen den Pumpenherstellern Grundlagen und Richtlinien zur Entwicklung und Produktion von Innenzahnradpumpen und Orbit-Motoren mit verbesserten Leistungsparametern, verbesserten akustischen Eigenschaften, verlängerter Lebensdauer und reduzierten Herstellungskosten ermöglichen. 

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Dr.-Ing. Thomas Stehle