Moderne Axialkolbenpumpen sind meist mit 9 oder 7 Kolben ausgestattet, deren technisches Verhalten im Betrieb Einfluss auf viele Merkmale wie Leistung und Wirkungsgrad hat.

Diese Kolben stellen dynamisch im Wesentlichen einen hin- und hergehenden Massenanteil dar. Gelingt es hier die Masse zu reduzieren, hat dies positive Wirkung auf das Regelsystem der Axialkolbenpumpe, das Kraftsystem am Kolben und damit einhergehend den Verschleiß. Leichtere Kolben ermöglichen es zudem die Drehzahl der Pumpe zu steigern um damit höhere Drücke und/oder einen höheren Durchfluss zu erzielen und tragen damit unmittelbar zur Leistungsteigerung bei.

Die gegenständliche Massenreduktion der Kolben, wird am Beispiel des offenen Kolbens dadurch erreicht, dass man einen zylindrischen Hohlraum mit metallischem zellularem Material geeignet befüllt. Dies bewirkt zweierlei: einerseits kann durch die gewonnene Steifigkeit im Inneren, hervorgerufen durch das zellulare Material, die Wandstärke bis zum Außendurchmesser des Kolbens reduziert werden und andererseits wird das im oftmals vorhandenen Hohlraum anwesende hydraulische Schadvolumen wesentlich reduziert. Bereits ausgeführte Varianten zeigen ein Potential zur Massenreduktion des Kolben von bis zu 20% und zur Reduktion des hydraulischen Schadvolumens von rund 70%.

Das zellulare Material bietet einige wesentliche Parameter zur Anpassung und Optimierung an die technischen Gegebenheiten an. Zum einen ist dies der Außendurchmesser der metallischen Hohlkugel, welcher wesentlich die Dichte des Materials beeinflusst. Zum anderen ist die die Schalenstärke der Hohlkugel, welche massiv Einfluss auf die Festigkeit des Materials hat. Mit der geometrischen Anordnung der Kugeln zueinander (Packungsarten) ergeben sich eine unterschiedliche Anzahl von Kugelkontakten, was ebenfalls unterschiedliche Dichte und Festigkeitswerte zur Folge hat. Die Herstellung der metallischen Hohlkugeln erfolgt auf Pulver – metallurgischen Wege. Die Auswahl des Pulvers und damit des Grundwerkstoffes des zellularen Materials muss an den Rest – Kolben angepasst werden.

Eine zusätzliche Aufgabe des Kolbens ist die Ölversorgung des Kolbenschuhs. Dies wird üblicherweise durch eine entsprechende Bohrung in der Kolbenachse erreicht, durch welche ein Ölstrom zum Kolbenschuh abgezweigt wird. Im sogenannten Zellular – Kolben ist ein Großteil des Kolbeninneren mit metallischen Hohlkugeln in geordneter Art und Weise befüllt. Die metallischen Hohlkugeln sind untereinander und mit dem umgebenden Restkolben fest versintert. Durch die geometrische Anordnung dieser metallischen Hohlkugeln (z.B.: hexagonal dichtest gepackt), verbleibt ein offenes Restvolumen, durch welches die notwendige Ölversorgung des Kolbenschuhs erfolgt.

In dieser Arbeit wird gezeigt wie geordnete metallische Hohlkugelstrukturen mittels moderner Simulations – Techniken so optimiert werden, dass es zu den beschriebenen Effekten kommt. Einerseits sind dies Festigkeitsberechnungen nach der Methode der finiten Elemente und andererseits wird durch eine Strömungssimulation eine ausreichende Ölversorgung des Kolbenschuhs gezeigt.

Die Fertigungstechnik zur Herstellung von Zellular – Kolben wird kurz aufgezeigt und an bereits bestehenden Ausführungen erläutert. Damit wird gezeigt, dass die beschriebene Technologie auf wirtschaftlich sinnvolle Art und Weise zu einer einfachen Bauteilsubstitution mit wesentlichen Vorteilen führt.

IFK 2014

Werkstoffe und Druckmedien

Kunststoffe in der Hydraulik

Abstract

A new approach – Injection moulded hydraulic tanks for mobile
applications

Hydraulic tanks for mobile machines are basically made out of steel or
are rotationally moulded from non-reinforced Polyolefin or Polyamide.

The requirements of the market on hydraulic tanks have strongly
increased related to


use the maximum installation envelope to reach the
necessary oil volume


cleanliness, temperature and pre-pressurisation


high integration level of other functional devices, e.g. integrated
filter housing, breather, valves, quick couplings etc.

To reach all these requirements new hydraulic tank concepts are
essential.

Injection moulded hydraulic tanks, with the whole spectrum of materials
and various connection processes, lead to such a new concept.

The challenges during the development process of injection moulded
hydraulic tanks are


right dimensioning of the tank housing structure


sealing and the connection concepts.

Due to the combination of integrated filter housings in the tank housings,
there are pressurised and non-pressure raised zones in one tank.
Furthermore, when pressurising the tank housings itself up to 0,5bar
there are new challenges.
The stiffness of the large side walls must be designed to overcome
pressure pulsation tests.

FEM analysis is one of the major aspects which guides to the optimal
housing structure.
Due to the properties of composite material, it is important to find the
optimal dimensioning between material thicknesses, rips and other
geometries to increase the stiffness of the plastic components.
Therefore, that the elongation module of composite material is only 1/10
of metal and is additionally reduced by temperature and time, the
component stiffness is the major aspect which has to be considered.
Depending on the material the maximum allowed flexural stress is the
relevant calculation parameter.

The calculated housing structure has to be aligned with mould flow
analysis to ensure, that the complex geometries can be filled by
composite material during the injection moulding process.

The best injection point and injection strategy has to be located to reduce
joint lines and optimize the glass fibre orientation due to the maximum
part stress.

The stiffness in the sealing area has to be designed according to load
pressure from the sealing.
The solution is a specially designed sealing which combines less load
pressure with high contact pressure in the sealing area.

For tube and hose connection systems, it is necessary to offer composite
conform solutions.
Solutions which can be overtighten are not fool proof.
A special quick connector system will be shown in the paper.

Only with a high degree of plastic experience in combination with FEM
and Mould Flow analysis combined with injection moulding process
knowledge and innovative solutions, it is possible to realize complex
injection moulded hydraulic tanks.

During the last decades, the market share of products made of composite materials like reinforced plastics increased rapidly. While in the past mainly structural components were manufactured out of composite e.g. in automotive, wind turbine or aerospace applications, now composites can be found in nearly all markets. Low density and corrosion resistance as well as the high fatigue performance of such materials provide a wide range of benefits for different areas of application.
In hydraulic actuators, composites were often used to reduce the weight of the system. The most common approach is to reduce the wall thickness of the metal barrel and reinforce it by over-wrapping with composite. This technology allows the weight to be reduced up to a certain limit. An even lighter roundline design can be achieved by replacing the entire metal barrel with a purely composite structure carrying all pressure related mechanical loads. A design with a purely composite barrel was developed for hydraulic cylinders with operating pressures up to 380 bar. The existing range of composite hydraulic cylinders with piston diameters up to 200 mm allows weight savings of up to 60 % compared to standard cylinders.
Depending on the application, various requirements like high cycle fatigue performance, wear resistance or behavior in magnetic fields could be relevant. Therefore the cylinders were tested extensively during the last years regarding mechanical properties and environmental influences to demonstrate the reliability of the products. The results confirmed that the new technology of purely composite barrels for hydraulic actuators is competitive to standard metal solutions while providing further benefits in weight and corrosion resistance. In addition, the developed standard range of purely composite roundline cylinders builds a platform for similar products like composite piston accumulators or hydraulic cylinders in a tie rod design.

Steigende Anforderungen an den Einbauraum von Dichtsystemen erfordern vielfach die Reduzierung der Anzahl von Elementen eines Dichtsystems bei gleichbleibendem bzw. verbessertem Dichtverhalten. Ein Lösungsweg ist die Integration von bisher getrennten Dichtfunktionen mehrerer Systemkomponenten zu kompakten und nach heutigen Erkenntnissen optimal ausgelegten, multifunktionalen Systemdichtungen.
Wir stellen quantitative und qualitative Methoden zur Zerlegung der Einzelkomponenten des Dichtsystems in funktionsrelevante Bereiche vor. Nachfolgend können diese Bereiche klassifiziert, bewertet und bei Bedarf optimiert werden. Neu kombiniert entstehen daraus multifunktionale Systemdichtungen. Abschließend zeigen wir Möglichkeiten zur systematischen Betrachtung auf, die die Herausforderungen der im Design entkoppelten Kombination von in Wechselwirkung stehenden Funktionalbereichen aufzeigen.