Drucköl strömt aus dem Montageprofil

Bernd Dämmrich ist Inhaber eines Ingenieurbüros in Passau, Thomas Klopf ist Geschäftsführer der Otto Natter Präzisionsmechanik GmbH & Co. in Stuttgart

Hydraulikaggregate bestehen üb-licherweise aus Antrieb, Pumpe, Steuereinheit, Tank und eventuell Kühler. Damit kleine Geräte große Drücke erzeugen können, müssen die Elemente nahe zusammen rücken. Wünschenswert ist außerdem ein modularer Aufbau. Beide Forderungen erfüllt ein neuartiges Hydraulikaggregate-Konzept.

Da Montageprofile in vielen Bereichen des Maschinenbaus eingesetzt werden, ist die Idee entstanden, diese Technik auch für Hydraulikaggregate zu nutzen. Es wurde ein spezielles Aluminium-Strangpressprofil entwickelt, das einerseits den Elektromotor und die Pumpe aufnimmt, andererseits aber auch als Tank für das Druckmedium oder als Konstruktionsprofil dienen kann. Das Aggregat bietet eine maximale elektrische Antriebsleistung von 0,5 kW, in Sonderausführungen auch von 1 kW.

Wird der Elektromotor unter Öl betrieben, lässt sich das Hydraulik-Aggregat sehr kompakt gestalten und benötigt keine Abdichtung für die rotierende Welle. Leckagen können kaum auftreten, und durch den Wegfall des Lüfters ergibt sich nur eine geringe Geräuschemission. Über die stark strukturierte Oberfläche des Aluminiumprofils fließt die Wärme gut ab. Rollen, Traversen und andere Anbauelemente lassen sich leicht anbringen. Wird ein solches „Profil-Aggregat“ in die Konstruktion einer Sondermaschine eingefügt, entsteht eine Anlage wie „aus einem Guss“.

Um im Profil-Querschnitt 120 mm x 120 mm eine Hochdruck-Hydraulikpumpe mit angepasster Fördermenge unterzubringen, muss jeder Zentimeter des Bauraums genutzt werden. Dies leisten patentierte Druckerzeugungs-elemente (DEE) in Radialkolben-Bauart. Sie sind der Kern der Konstruktion: Jedes DEE besteht aus einem Gehäuse mit Kolben und Kolbenfeder sowie Saug- und Druckventilen und bildet eine funktionsfähige Einheit (Skizze rechts). Der Gesamt-Förderstrom hängt von Anzahl und Kolbengröße der DEE ab und setzt sich aus deren Teilströmen zusammen.

Trotz unterschiedlicher Kolben-Durchmesser zwischen 5 und 12 mm besitzen alle DEE die gleichen Außenmaße. Dies erleichtert die variable Gestaltung der Pumpeneinheit. Ein Aufnahmering hält die DEE und sichert sie gegen Verdrehen. Er nimmt die Radialkräfte auf und verhindert so, dass Momentkräfte auf die Druckerzeugungselemente einwirken. Der mit den DEE bestückte Aufnahmering ist für die Montage im Strangpressprofil vorgesehen. Alternativ dazu können die DEE aber auch in ein eigenes Gehäuse eingesetzt werden, das lediglich eine Bohrung mit einem Durchmesser von 32 mm und einer Tiefe von 40 mm pro DEE aufweisen muss.

Gehäuse oder Aufnahmering werden mit zwei Flanschen verschraubt. Dabei kann der eine Flansch als Pumpenträger gestaltet sein, der andere beinhaltet die Druckkanäle (Druckflansch) und lässt sich leicht an die speziellen Anforderungen des Anwenders anpassen. Der Druckflansch könnte beispielsweise als Anschlussplatte gestaltet werden, die Aufflansch-Ventile aufnimmt. Oder er dient zugleich als Block für Einschraub-Ventile. Selbstverständlich kann auch ein Steuerblock konzipiert werden, in den die Aufnahmebohrungen für die DEE direkt integriert sind – der Anwender ist hier völlig frei.

Die so gestaltete Hochdruckpumpe eignet sich für unterschiedliche Betriebsarten: Entweder gelangen alle Einzelströme zu einem gemeinsamen Druckausgang oder es werden Teilströme gebildet. Maximal lassen sich so viele Teilströme erzeugen, wie DEE vorhanden sind.

Um den Förderstrom oder die Zahl der Teilströme zu erhöhen, können auch mehrere Aufnahmeringe mit integrierten DEE in Reihe geschaltet werden. Eine weitere Möglichkeit gibt es bei anwenderspezifischen Lösungen, die nicht auf dem Aluminiumprofil basieren. In bestimmten Grenzen lässt sich der Teilkreisdurchmesser verändern, auf dem die DEE angeordnet sind. Beispielsweise können auf einem größeren Teilkreis mehr DEE untergebracht werden. Kriterium für die Machbarkeit ist der Durchmesser des angepassten Exzenters und die daraus resultierende Gleitgeschwindigkeit zwischen Exzenter und Kolben.

Und noch eine technische Besonderheit ist zu vermerken: Bei hohen Drücken muss der Motor vergleichsweise große Momentkräfte aufbringen. Um auf diesen Einsatzfall mit maximalem Druck vorbereitet zu sein, werden die meisten Pumpenantriebe überdimensioniert. Nicht so bei dem Profilaggregat: Hier bietet sich die Möglichkeit, mit steigendem Druck einzelne DEE abzuschalten und so den Mengenstrom zu reduzieren. Ein Sensor erfasst den aktellen Druck und schickt ein Signal an die Steuerung. Die Elektronik schaltet nach einer hinterlegten Druck/Förderstrom-Tabelle die entsprechenden DEE über Kleinmagnete stromlos. Dadurch ergibt sich eine kaskadenförmige Fördermengenkurve in Abhängigkeit vom Druckverlauf. Der relativ kleine Einbaumotor läuft somit immer im energetisch günstigen oberen Leistungsbereich.

Zur Zeit sind Druckerzeugungselemente mit Kolbendurchmessern von 5 mm, 6,5 mm, 9 mm und 12 mm vorgesehen. Der Hub kann bis zu 5 mm betragen. Je Kolben resultieren daraus Förderströme von bis zu 0,82 l/min bei einer Motordrehzahl von 1450 min-1. Die DEE erlauben Drücke bis 700 bar, bei Speziallösungen sogar bis zu 1000 bar. Eingesetzt werden soll die Pumpe vorzugsweise für die gängigen Hydraulikflüssigkeiten. Aber auch andere Medien lassen sich fördern, wenn das Material entsprechend ausgewählt wird.

Durch den modularen Aufbau der Pumpe ergeben sich weit reichende Einsatzmöglichkeiten. Das kompakte Aggregat kann die Drucköl-Versorgung in mobilen und stationären Anlagen übernehmen. Dank der frei gestaltbaren Steuerung lassen sich vielfältige Bewegungsaufgaben lösen. Der Einsatz der DEE bietet auch im Vorrichtungsbau diverse Vorteile: Die Druckerzeugung für die Werkstück-Spannelemente lässt sich direkt in die Vorrichtung integrieren. Denkbar ist hierbei auch, dass der Kolben des DEE nicht über einen Exzenter bewegt wird, sondern durch einen in die Werkzeugaufnahme der Bearbeitungsmaschine einzuwechselnden Stößel. Damit wird das externe Hydraulikaggregat mit Schnellverschluss-Kupplung überflüssig.

Auch Lagerstellen lassen sich durch eine derartige Pumpe mit Drucköl versorgen. Der Vorteil besteht darin, dass jedem einzelnen Lager ein Druckerzeugungselement zugeordnet werden kann. Der jeweilige Ölbedarf bestimmt den Kolbendurchmesser des DEE. Dabei muss nicht einmal eine komplette Pumpe angebaut werden. Vielmehr können die vorhandenen Getriebewellen je einen Exzenter aufnehmen, der verschiedene DEE betätigt. Über diese „Eigenschmierung“ erhalten die Lager selbst bei geringen Drehzahlen die benötigte Drucköl-Menge, da die Spaltverluste eines Radialkolben-Elementes zu vernachlässigen sind. Ebenso lassen sich die Pumpen direkt auf Zylinder aufbauen, die ohne Rohr- oder Schlauchleitungen betrieben werden.

Schließlich lässt sich das beschriebene Prinzip der modular gestalteten Hydraulikaggregate auch mit größeren elektrischen Antriebsleistungen umsetzen, wenn entsprechende Strangpressprofile konzipiert werden. In der Überlegung befinden sich gegenwärtig Leistungen bis 18 kW bei Profil-Querschnitten von 250 mm x 250 mm.

– Über Wahl von Anzahl, Hub und Größe der Druckerzeugungselemente (DEE) legt der Konstrukteur den Betriebsbereich fest.

– Kleine Leistung von 0,5 kW ermöglicht Drücke bis 1000 bar.

– Durch kaskadierbare Fördermenge arbeitet der Motor immer im günstigen Leisungsbereich.

– Betrieb als Mehrstrompumpe ist möglich.

– Unteröl- oder Standardmotor lässt sich einsetzen.

– Aggregat ist modular aufgebaut (Antrieb, Pumpe, Steuerblock, Tank) und lässt sich konstruktiv an die Anwendung anpassen.