Werde leiser!

Marginale Spalte

Die neue Außenzahnradpumpe SILENCE PLUS ermöglicht eine Geräuschreduzierung um durchschnittlich 15 dB(A).

Vibrationen vermindert die um 75 % reduzierte Förderstrompulsation. Und die um 35 % niedrigere Frequenz bewirkt einen angenehmeren Ton.

Der deutlich gesenkte Schallpegel der SILENCE PLUS im Vergleich zu einer konventionellen Außenzahnradpumpe.

März 2011

 

Eine spezielle Zahngeometrie reduziert die Geräuschentwicklung von Außenzahnradpumpen. Die Entwicklung der SILENCE PLUS bietet dem Anwender in der Praxis vielfältige Vorteile und kann für Kunden die Systemkosten senken.

 
 

Außenzahnradpumpen bewähren sich seit Jahrzehnten als robuste und kostengünstige Verdrängereinheiten. Ihre primären Eigenschaften — Druck bis 280 bar, sehr hoher Wirkungsgrad und geringer Preis — wurden genauso zur Selbstverständlichkeit wie ihre Lautstärke. Seit es leisere Pumpen gibt, ist sie aber ein zusätzliches Kriterium bei der Beschaffung.

Durch Ansetzen an der Schallquelle lässt sich das Geräuschniveau des gesamten Hydrauliksystems senken. Bereits 1999 gab Rexroth mit der SILENCE-Pumpe eine Antwort auf Forderungen nach leiseren Zahnradpumpen. Das Thema haben wir als Marktführer seitdem kontinuierlich weiterverfolgt. Ergebnis ist eine revolutionär leise Generation von Außenzahnradpumpen, die folgende Forderungen erfüllt:

  • drastische Senkung von Geräusch und Pulsation
  • Fördervolumen von zunächst 12 bis 28 cm³/U
  • kostengünstig
  • anbaugleich und möglichst gleiche technische Eigenschaften wie die bekannte SILENCE-Pumpe

Die maßgeblichen Faktoren für die Geräuschentwicklung einer Zahnradpumpe sind das Eigengeräusch der Pumpe, die Druckpulsation sowie die Frequenz („Tonlage“). Ihnen begegnen wir in dem Entwicklungsprojekt mit zunächst drei zentralen Ansätzen: Zweiflankenkontakt, Schrägverzahnung und Quetschölraum.

Zweiflankenkontakt

Während die Zahnräder bei konventionellen Außenzahnradpumpen beim Abwälzen nur an der Vorderflanke dichtenden Kontakt haben, kommt es bei der bisherigen SILENCE-Pumpe aufgrund geringster Toleranzen bei Achsabstand und Zahnprofil zu einem spielfreien Zweiflankenkontakt. Dadurch trägt auch die Rückflanke zur Dichtung und damit zur hydraulischen Förderung bei. Die Förderung wird deutlich stetiger und die Pulsation nimmt um rund 75 Prozent ab. Die gesamte hydraulische Anlage wird weniger stark zu Schwingungen und Geräuschen angeregt.

Schrägverzahnung

Das Prinzip des Zweiflankenkontakts erweiterten wir in einem ersten Ansatz um die im Getriebebau gängige Schrägverzahnung. Diese reduziert insbesondere die Pumpeneigengeräusche, da durch die Schrägung der Zähne die Eingriffswechsel der Zahnpaare und die damit einhergehenden Schwankungen der übertragenen Kräfte nicht mehr gleichzeitig auf der gesamten Radbreite stattfinden. Diese Vorgänge verteilen sich räumlich und zeitlich und bewirken so eine höhere Laufruhe des Radsatzes.

Weg mit dem Quetschölraum

Um das Ziel einer revolutionär leisen Generation von Außenzahnradpumpen zu erreichen, genügte die Kombination der genannten Prinzipien jedoch nicht. Der Durchbruch bei der Entwicklung der neuen Pumpe gelang durch die Betrachtung eines weiteren Prinzips. Bei Außenzahnradpumpen mit konventionellen Verzahnungen findet ein stetiger Wechsel zwischen Einzel- und Doppeleingriff statt.

Für eine gleichmäßige Bewegungsübertragung ist es erforderlich, dass bei Aufnahme eines Zahnkontakts auch noch das Vorgänger-Zahnpaar für eine gewisse Zeit Kontakt hat. Ohne weitere konstruktive Maßnahmen entsteht jedoch zwischen diesen Kontaktpunkten ein sowohl von der Saug- als auch von der Druckseite abgeschlossener ölgefüllter Raum, der sogenannte Quetschölraum. Das sich verändernde Volumen dieses Raums führt im Öl zu schnellen, hohen Druckanstiegen mit entsprechender Schwingungsanregung.

Außerdem können Strömungsgeräusche beim Öffnen des Quetschraums zur Niederdruckseite entstehen. Dank ausgereifter Berechnungstools in unserer Entwicklungsumgebung können diese Schwingungsvorgänge optimal reduziert werden, jedoch verbleibt immer ein gewisser Rest. So stellten wir uns die Frage: „Warum nicht ein Triebwerk entwickeln, das diese Quetschölbildung prinzipbedingt ausschließt?“

SILENCE PLUS: die neue Generation von Außenzahnradpumpen

Das haben wir realisiert, indem die Pumpe mit einem spielfreien, schräg verzahnten Triebwerk arbeitet, das mit seinem nicht-evolventischen Zahnprofil grundsätzlich keinerlei Quetschräume bildet. Die Profile beider Räder kommen nicht nur an den Zahnflanken, sondern auch im Kopf- und Fußbereich miteinander in Berührung.

Somit ist kein sprunghafter Wechsel des Zahnkontakts zwischen aufeinanderfolgenden Flanken mehr vorhanden, sondern es existiert stets nur ein einzelner Eingriffspunkt, der sich kontinuierlich auf einer geschlossenen Eingriffslinie in Form einer „8“ bewegt. Die aus der Schrägverzahnung entstehenden, auf die Räder wirkenden Axialkräfte werden stirnseitig von den Lagerelementen aufgenommen. Hydrostatische Kompensationsnuten fangen unterstützend die zusätzlichen Kräfte verschleißfrei ab.

Zunächst entwickelten wir erste A-Muster, die das Konzept bestätigten. Daraufhin bildeten wir ein Team aus den Bereichen Versuch, Konstruktion, Produktmanagement, Fertigungsplanung, Einkauf, Qualitätssicherung und Controlling. Begleitet durch umfangreiche Berechnungen und rechnergestützte Hydraulik-Simulationsmodelle kombinierten wir die oben genannten einzelnen Ansätze.

Die Konstruktion der SILENCE PLUS enthält also drei wesentliche Elemente, die eine deutliche Geräuschreduzierung bewirken: das spielfreie Triebwerk, die Schrägverzahnung und das nicht-evolventische Zahnprofil. Welche Vorteile bieten diese konstruktiven Merkmale hinsichtlich Eigengeräusch, Druckpulsation und Frequenz dem Anwender in der Praxis?

Einsatzmöglichkeiten der SILENCE PLUS

Das revolutionäre Zahnprofil schafft spielfreien kontinuierlichen Zahnkontakt ohne Quetschöleinschluss.

 

Ganz besonders wirksam ist die Geräuschsenkung beim elektromotorischen Antrieb der Hydraulikpumpe. Hier dominiert das hydraulische Geräusch und ist von der Frequenz her dem eines Elektromotors ähnlich. Von der Geräuschreduzierung profitieren vor allem die Anwender von industriellen Werkzeugmaschinen sowie der mobilen Fördertechnik. Auch alle Anwendungen von mobilen Kleinaggregaten („power packs“), wie Ladebordwände an Zubringer-Lkw, werden deutlich leiser.

Da das Eigengeräusch der SILENCE PLUS bei niedrigen Drücken fast nicht hörbar ist, empfiehlt sich die Pumpe für alle Schmier-, Filter- oder Kühlkreisläufe. Aber auch bei mobilen Getriebeschmierungen entfaltet die Geräuschsenkung ihre volle Wirkung. Elektromotorische Antriebe mit fast lautloser Hydraulik sind prädestiniert für Maschinen- oder Lagerhallen sowie in Super- und Getränkemärkten.

Auch Anwendungen im häuslichen Bereich wie Personenaufzüge, Parklifts oder Holzspalter profitieren. Müllpressen hinter Supermärkten oder Hotels können ganztägig betrieben werden und für Stapler ermöglicht sie sogar nächtliche Be- oder Entladung.

Bei dieselmotorischen Antrieben dominiert der Verbrennungsmotor das Geräuschverhalten. Dort erscheint es auf den ersten Blick unsinnig, bei der Hydraulik anzusetzen, doch auch diese verursacht erhebliche Geräusche. Die werden in einem höheren Frequenzbereich emittiert, sodass sie aus dem Gemenge der niederfrequenten Geräusche herauszuhören sind.

Das Eigengeräusch der SILENCE PLUS hat aufgrund der niedrigen Zähnezahl eine um 35 Prozent niedrigere Frequenzlage, die vom menschlichen Ohr als ein deutlich weniger präsentes, angenehmeres „Brummen“ empfunden wird. Davon profitieren Anwohner, die bislang mit Lärmbelästigungen an Baustellen oder beispielsweise durch Müllfahrzeuge in den frühen Morgenstunden leben mussten. Die Fahrer dieser Fahrzeuge freuen sich ebenfalls über einen deutlich geringeren Lärmpegel.

Auch der direkte Luftschall durch das Eigengeräusch der Pumpe kann bei dieselbetriebenen Maschinen relevant sein. Der Gebläseantrieb von Sämaschinen zum Beispiel stellt für Traktorfahrer eine Geräuschbelastung dar, die durch den Einsatz der SILENCE PLUS deutlich reduziert werden kann.

Weniger Lärm, geringere Kosten

Da das Problem an der Wurzel gepackt wurde, können die Hersteller auf Sekundärmaßnahmen zur schalltechnischen Entkoppelung, Dämpfung und Kapselung verzichten. Es sind weniger Bauteile notwendig und der Montageaufwand verringert sich. Durch diese Vereinfachungen ergibt sich eine Kostenreduzierung für das Gesamtsystem.

Die Vielfalt der potenziellen Anwendungen macht deutlich, wie sich hydraulische Geräusche in den Alltag eingeschlichen haben. Doch was wir heute noch als gegeben hinnehmen, müssen wir morgen nicht mehr akzeptieren. Denn die neue Technik von Außenzahnradpumpen weist auf eine Zukunft mit (fast) geräuschlosen Hydrauliksystemen.

 

Die Autoren

Bosch Rexroth AG, Schwieberdingen, Deutschland, www.boschrexroth.com

 

Dipl.-Ing. MBA

Christian Böhmcker,

Produktmanagement

Dr. rer. nat.

Marc Lätzel,

Entwicklung

 
 
 

Dr.-Ing.

Dietmar Schwuchow,

Projektleitung