Antriebstechnik unter Hochdruck

Druckpulsationen in Hydraulikanlagen erzeugen störende Geräusche. Gleichzeitig können Körper- und Flüssigkeitsschall das hydraulische System belasten. Hauptverursacher sind Hydraulik(verdränger)pumpen. Beispielsweise Einspritzpumpen in Kraftfahrzeugen müssen daher auf Laufruhe im jeweiligen System getestet werden. Beim nötigen, steilen Druckanstieg auf bis zu 2000 bar breiten sich die Druckpulsationen aus und können an Leitungsenden reflektiert werden. Solche Reflexionen stören die präzise Messung der eigentlichen Pumpenpulsation. Ein per Kleinantrieb angesteuerter hydraulischer Dämpfungswiderstand vermeidet solche Reflexionen und erlaubt so aussagekräftige Prüfstandsmessungen.

Gerade bei Einspritzsystemen in Dieselfahrzeugen wird großer Wert auf höchste Laufruhe und Zuverlässigkeit gelegt. Computer-Simulationen und Prüfstandsmessungen sind dabei das Mittel der Wahl. Um exakte Messwerte zu erreichen und Druckreflexionen zu verhindern, entwickelte die FLUIDON Gesellschaft für Fluidtechnik aus Aachen einen hydraulischen Dämpfungswiderstand als Leitungsabschluss. Da mo­derne Anlagen mit Drücken bis zu 2000 bar arbeiten, kann er nicht von außen verstellt werden. Zusammen mit FAULHABER wurde daher eine innenliegende Verstellkinematik mit einem Kleinantrieb entwickelt.

Prüfstand zur Vermessung einer Dieseleinspritzpumpe

Dämpfung unabdingbar

Die Aachener Spezialisten sind auf die Rechner-Simulation von hydraulischen Systemen aller Art spezialisiert. Da eine Simulation nur so gut sein kann, wie die Daten, auf der sie basiert, betreiben die Softwareentwickler auch ein Grundlagenlabor. Störende Reflexionen in ihren Prüfstandsaufbauten erschweren oder verhindern aber die exakte Auswertung der gewünschten Parameter, z. B. von Einspritzpumpen. Durch einen Trick ist es aber möglich, die störenden Reflexionen der zu messenden Druckwellen auf ein Mindestmaß herabzudrücken. Ähnlich wie beim Wellenwiderstand von elektrischen Systemen, können durch einen genau abgestimmten "Abschlusswiderstand" Reflexio­nen verhindert werden. In der Praxis ist dies durch einen "einfachen" Kunstgriff möglich: Der reflexionsarme Leitungsabschluss, kurz Rala, besteht aus einer verstellbaren Blende mit nachgeschaltetem Ausgleichsvolumen. Die verstellbare Blende erzeugt im abgestimmten Zustand genau den Wert des Wellenwiderstandes der vorgeschalteten Druckleitung. Um einen Arbeitsdruck für die Hydraulikpumpe zu erzeugen, ist das Ausgleichsvolumen über eine einstellbare Drossel mit dem Ölrücklauf verbunden. So arbeitet die Pumpe im Prüfstand praxisnah gegen bis zu 2000 bar Öldruck, ähnlich im Real-Betrieb mit Einspritzdüsen. Aus diesem Grund spiegeln auch die so gewonnenen Daten die Tatsachen im Alltagsbetrieb wider und ermöglichen so eine fundierte Simulationssoftware.

Tücke im Detail

Da die verstellbare Blende im Ausgleichsvolumen untergebracht ist, unterliegt auch sie den hohen Arbeitsdrücken. Bei einer ersten Prototypenausführung mit Handverstellung der Blendengeometrie zeigte sich die mechanische Durchführung als Schwachpunkt. Leichte, stufenlose Einstellung und eine wirklich dichte Durchführung der Spindelstange erwiesen sich als praktisch nicht machbar. Die Prüfstands­experten wählten daher den Weg der "inneren Verstellung" per Elektromotor. Die hierfür nötige statische Abdichtung der beiden Stromkabel über eine isolierte, selbstdichtende Konusverbindung ist kein Problem. Als Antrieb entschieden sie sich für einen 15-mm-Bürstenmotor aus dem Produktprogramm von FAULHABER. Das System wird von Hand auf den jeweiligen Prüfstandsaufbau abgestimmt. Daher ist der 24-V-Motor über eine einfache PWM-Steuerung in der Drehzahl feinfühlig regelbar. Da anfangs die genaue Antriebskraft bzw. die nötige Auflösung und Verstellgeschwindigkeit unbekannt waren, probierten die Entwickler mehrere unterschiedliche Planetenvorsatzgetriebe aus dem fein abgestuften Getriebeprogramm für den Motor aus. Als optimal erwies sich dann eine 369:1 Untersetzung der Motordrehzahl. Sowohl der Motor wie auch das Vorsatzgetriebe arbeiten unter dem vollen Betriebsdruck der Hydraulik ohne Probleme. Die Standardprodukte wurden für diesen Einsatz nur geringfügig modifiziert: Da eine Hydraulik entlüftet sein muss, wurden sowohl der Motor wie auch das Getriebe mit kleinen Entlüftungsbohrungen versehen. So kann die Luft leichter entweichen und im Betrieb fließt ein minimaler Strom von Diesel- oder Dieselersatzfluid durch die Komponenten. Die Stromübertragung über Standardbürste und -kollektor wie auch die Isolierung der Spule zeigen selbst bei hohen Drücken keinerlei Beeinträchtigung. Aufgrund der guten Erfahrungen wurde ein zweites System für höherviskose Fluide aufgebaut. Dabei kamen dann etwas größere Antriebe zum Einsatz, da die Viskosität z. B. wegen der Reibungsverluste am rotierenden Anker direkten Einfluss auf die notwendigen Stellkräfte hat. Moderne Kleinantriebe von der Stange sind oft viel leistungsfähiger, als vom Entwickler und Anwender gedacht. Es lohnt sich daher, die wirklichen Grenzen der Zwerge gerade bei vordergründig exotischen Einsatzbedingungen wirklich auszuloten. Oft reichen auch schon minimale Änderungen, um die Einsatztauglichkeit sicherzustellen. Wird nun schon im Frühstadium der Entwicklung der Antriebsspezialist kontaktiert, sind oft preiswerte, kompakte Antriebslösungen möglich.

Theorie zu Pulsation und Reflexion

Häufig werden in hydraulischen Systemen Verdrängerpumpen mit periodisch schwankendem Förderdruck eingesetzt. Die so entstehenden Druckpulsationen breiten sich mit Schallgeschwindigkeit im gesamten System aus. Da die Pulsation je nach Systemkonfiguration auch als Körper- bzw. Luftschall abgestrahlt wird, sollte ihr Wert so gering wie möglich ausfallen. Bei der Messung überlagert sich aber die ursprüngliche Druckwelle mit durch Reflexion erzeugten Wellen. Der entstehende "Wellensalat" ist dann nicht mehr auszuwerten. Ähnlich wie bei elektrischen Leitungen werden aber alle eingekoppelten Wellen durch einen Abschlusswiderstand "geschluckt", wenn dieser mit der Leitungsimpedanz übereinstimmt. So ergibt sich bei geeignetem Widerstand, d. h. bei der richtigen Blendenöffnung ein bereinigtes Amplitudenbild der zu messenden Welle. Der Wellenwiderstand einer Leitung definiert sich als:

Dabei sind die gestrichenen Größen längenbezogen, d. h., sie werden in [Einheit pro Meter] angegeben. Im Vergleich leicht zu sehen, Kenngrößen von hydraulischer bzw. elektrischer Leitung.