Axialkolbenmotor

Ein Axialkolbenmotor ist ein Verdrängungsmotor in der Hydraulik, bei dem die Kolben parallel zur Drehachse angeordnet sind. Er wandelt hydraulische Energie aus Druck und Volumenstrom in mechanische Rotationsenergie um. Durch die axiale Kolbenanordnung und eine geneigte Abstützebene entsteht eine Hubbewegung, die eine Drehung der Abtriebswelle bewirkt. Axialkolbenmotoren zeichnen sich durch hohe Leistungsdichte, Drehzahlen bis über 10.000 U/min und Betriebsdrücke bis 450 bar aus.

Grundlagen und Funktionsweise des Axialkolbenmotors

Der Axialkolbenmotor gehört zur Familie der Kolbenmaschinen und arbeitet als Verdrängermaschine nach dem Prinzip der Volumenverdrängung. Drucköl wird über eine Steuerscheibe in die Zylinderbohrungen eines rotierenden Zylinderblocks geleitet. Die Kolben stützen sich an einer geneigten Ebene ab, wodurch die lineare Kolbenkraft in ein Drehmoment umgewandelt wird. Je nach Stellung der Kolben zum Druck- oder Saugkanal der Steuerscheibe entsteht ein kontinuierlicher Drehantrieb.

Aufbau und Hauptkomponenten

Das Herzstück eines Axialkolbenmotors bildet der Zylinderblock, auch Zylindertrommel genannt, mit mehreren axialen Bohrungen, in denen die Kolben geführt werden. Die Anzahl der Kolben liegt in der Praxis meist zwischen sieben und elf, wobei ungerade Kolbenzahlen bevorzugt werden, um einen gleichmäßigeren Drehmomentverlauf zu erzielen. Weitere wesentliche Bauteile sind die Steuerscheibe zur Steuerung des Ölflusses, die Abtriebswelle sowie die geneigte Abstützebene, die als Schrägscheibe oder über einen Schrägachsenwinkel realisiert wird.

Die Kolben übertragen die hydraulische Kraft auf die geneigte Ebene. Da die Kraft nicht in Richtung der Drehachse wirkt, entsteht eine Tangentialkomponente, die den Zylinderblock in Rotation versetzt. Die Steuerscheibe sorgt dafür, dass jeder Zylinder im richtigen Moment Drucköl erhält und das entspannte Öl abführt.

Drehmoment und Drehzahl

Das abgegebene Drehmoment eines Axialkolbenmotors hängt vom anliegenden Druck und dem Schluckvolumen ab. Das Schluckvolumen beschreibt das Volumen an Hydraulikflüssigkeit, das der Motor pro Umdrehung aufnimmt. Je größer das Schluckvolumen und je höher der Betriebsdruck, desto mehr Drehmoment steht an der Abtriebswelle zur Verfügung. Die Drehzahl verhält sich proportional zum zugeführten Volumenstrom: Ein höherer Volumenstrom führt zu einer höheren Motordrehzahl. Moderne Axialkolbenmotoren erreichen Gesamtwirkungsgrade von 90 bis 95 Prozent, was sie zu den effizientesten Hydraulikmotoren zählt.

Bauarten des Axialkolbenmotors

Axialkolbenmotoren werden nach der Art der Kraftübertragung in zwei Hauptbauarten unterteilt: die Schrägscheibenbauart und die Schrägachsenbauart. Beide Prinzipien unterscheiden sich im konstruktiven Aufbau der geneigten Ebene und haben spezifische Vor- und Nachteile.

Schrägscheibenbauart (Taumelscheibenprinzip)

Bei der Schrägscheibenbauart rotiert der Zylinderblock, während die Schrägscheibe ortsfest im Gehäuse verbleibt. Die Kolben stützen sich über Gleitschuhe auf der Schrägscheibe ab. Der Neigungswinkel der Schrägscheibe bestimmt den Kolbenhub und damit das Schluckvolumen. Bei verstellbaren Motoren lässt sich dieser Winkel während des Betriebs ändern, was eine stufenlose Anpassung von Drehmoment und Drehzahl ermöglicht.

Die Schrägscheibenbauart zeichnet sich durch einen kompakten Aufbau und kurze Verstellzeiten aus. Der Schwenkwinkel ist konstruktionsbedingt auf etwa 15 bis 20 Grad begrenzt, was den maximalen Hub und damit das maximale Schluckvolumen einschränkt. Dafür punktet diese Bauart mit geringem Bauvolumen und eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen Bauraum und Gewicht eine Rolle spielen.

Schrägachsenbauart

Bei der Schrägachsenbauart sind Zylinderblock und Abtriebswelle in einem Winkel zueinander angeordnet. Die Kolben werden über Pleuelstangen mit der Abtriebswelle verbunden. Der Schrägachsenwinkel bestimmt den Kolbenhub und liegt bei Konstantmotoren meist bei 25 bis 40 Grad, bei Verstellmotoren kann er stufenlos angepasst werden.

Die Schrägachsenbauart erlaubt größere Schwenkwinkel als die Schrägscheibenbauart, wodurch ein größeres Schluckvolumen und höhere Drehmomente erreichbar sind. Zudem verträgt diese Bauart höhere Betriebsdrücke, da die Kraftübertragung über die Pleuelstangen günstiger verläuft. Der konstruktive Aufwand ist jedoch größer, was sich in höheren Kosten und einem etwas größeren Bauvolumen niederschlägt.

Gegenüberstellung der Bauarten

Axialkolbenmotor als Verstellmotor und Konstantmotor

Axialkolbenmotoren werden sowohl als Konstantmotoren mit festem Schluckvolumen als auch als Verstellmotoren mit variablem Schluckvolumen angeboten. Konstantmotoren kommen zum Einsatz, wenn die Anforderung an den Antrieb konstant bleibt. Sie sind einfacher aufgebaut, kostengünstiger und weniger wartungsintensiv.

Verstellmotoren hingegen ermöglichen es, Drehzahl und Drehmoment während des Betriebs an wechselnde Lastzustände anzupassen. Bei konstantem Volumenstrom führt eine Verkleinerung des Schluckvolumens zu einer höheren Drehzahl bei geringerem Drehmoment, während eine Vergrößerung das Drehmoment erhöht und die Drehzahl senkt. Diese Flexibilität macht Verstellmotoren besonders attraktiv für hydrostatische Fahrantriebe und Anwendungen mit stark variierenden Lastprofilen.

Die Verstellung kann rein hydraulisch über Steuerdruck oder elektrohydraulisch über Proportionalventile erfolgen. Elektrohydraulische Systeme bieten eine feinere Auflösung und lassen sich in digitale Steuerungsarchitekturen einbinden, was zunehmend an Bedeutung gewinnt.

Axialkolbenmotor im Vergleich zum Radialkolbenmotor

Neben dem Axialkolbenmotor ist der Radialkolbenmotor die zweite wichtige Bauart unter den Kolbenmotoren in der Hydraulik. Beide Bauarten haben ihre Stärken in unterschiedlichen Anwendungsbereichen.

Axialkolbenmotoren überzeugen durch hohe Drehzahlen, kompakte Bauweise und exzellente Wirkungsgrade. Sie eignen sich für Anwendungen, die schnelle Bewegungen und präzise Regelung erfordern. Radialkolbenmotoren hingegen liefern deutlich höhere Drehmomente bei niedrigen Drehzahlen und kommen ohne zusätzliches Getriebe aus, wo Axialkolbenmotoren oft untersetzt werden müssen. Dafür sind Radialkolbenmotoren größer, schwerer und erreichen in der Regel nicht die Drehzahlen der Axialbauart.

Die Wahl zwischen beiden Bauarten richtet sich nach den Anforderungen der Anwendung: Geschwindigkeit, Effizienz und Kompaktheit sprechen für den Axialkolbenmotor, während hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen und Robustheit den Radialkolbenmotor bevorzugen lassen.

Anwendungsbereiche von Axialkolbenmotoren

Axialkolbenmotoren kommen in einer breiten Palette hydraulischer Anwendungen zum Einsatz. Im mobilen Bereich dominieren sie hydrostatische Fahrantriebe von Baggern, Radladern, Teleskopkranen und Raupenfahrzeugen. Hier sorgen sie für stufenlos regelbare Fahrgeschwindigkeiten und hohe Zugkräfte. Auch in den Drehwerken von Kranen und Baggern finden Axialkolbenmotoren Verwendung.

Im stationären Industrieeinsatz treiben Axialkolbenmotoren Pressen, Spritzgießmaschinen und Werkzeugmaschinen an. In Windkraftanlagen kommen sie in der Rotorblattverstellung und Gondeldrehung zum Einsatz. Darüber hinaus arbeiten sie in hydraulischen Leistungseinheiten, die mehrere Verbraucher mit Drucköl versorgen.

Ein weiteres Einsatzfeld ist der geschlossene Kreislauf, bei dem das Rücklauföl direkt wieder der Pumpe zugeführt wird. Axialkolbenmotoren eignen sich aufgrund ihres Aufbaus besonders gut für diesen Betriebsmodus, der in Fahrantrieben und Winden weit verbreitet ist.

Wartung und Instandhaltung

Die Zuverlässigkeit und Lebensdauer eines Axialkolbenmotors hängt maßgeblich von der Qualität der Hydraulikflüssigkeit und der Einhaltung von Wartungsintervallen ab. Verschleiß tritt vor allem an den Gleitflächen der Kolben und Schrägscheibe, an den Lagern der Abtriebswelle und an den Dichtungen auf.

Ölqualität und Filterung

Die Reinheit des Hydrauliköls ist ein entscheidender Faktor. Nach ISO 4406 sollte mindestens die Reinheitsklasse 20/18/15 eingehalten werden, bei hohen Betriebstemperaturen sogar 19/17/14. Partikel im Öl führen zu erhöhtem Verschleiß an den präzise gefertigten Gleitflächen und können die Steuerscheibe beschädigen. Regelmäßige Filterwechsel und Ölanalysen gehören deshalb zu den wichtigsten Wartungsmaßnahmen.

Typische Verschleißerscheinungen

• Erhöhter Innendruckverlust durch Kolben- und Zylinderverschleiß
• Undichtigkeiten an Wellendichtringen und O-Ringen
• Geräuschveränderungen durch Lagerschäden
• Leistungseinbußen durch Verschleiß an der Steuerscheibe

Eine frühzeitige Erkennung dieser Symptome durch regelmäßige Kontrolle von Druck, Temperatur und Geräuschverhalten beugt teuren Folgeschäden vor.

Normen und Standards

Für Axialkolbenmotoren gelten mehrere Normen und Standards, die Sicherheit, Kompatibilität und Leistungsbewertung regeln. Die DIN ISO 4413 legt sicherheitstechnische Anforderungen an Hydraulikanlagen fest. Die ISO 4406 klassifiziert die Partikelkontamination im Hydrauliköl, was für die Lebensdauer des Motors entscheidend ist. Die DIN 51524 definiert Anforderungen an Hydraulikflüssigkeiten, und die DIN 9611 sowie DIN 6885 regeln die Ausführung von Wellen und Passfedern.

Hersteller wie Bosch Rexroth, Parker, Liebherr und Hawe bieten Axialkolbenmotoren in verschiedenen Baugrößen und Bauarten an, die diese Normen erfüllen und für den Einsatz in anspruchsvollen hydraulischen Systemen ausgelegt sind.