Axialkolbenpumpe

Eine Axialkolbenpumpe ist eine Verdrängerpumpe in der Hydraulik, bei der mehrere Kolben parallel zur Antriebswelle angeordnet sind und durch Rotation einen axialen Hub ausführen, um Hydraulikflüssigkeit anzusaugen und zu fördern. Sie zeichnet sich durch hohe Betriebsdrücke bis 500 bar, kompakte Bauweise und stufenlose Volumenstromregelung aus und gehört zu den am häufigsten eingesetzten Pumpenbauarten in industriellen und mobilen Hydrauliksystemen.

Grundprinzip und Funktionsweise der Axialkolbenpumpe

Axialkolbenpumpen wandeln mechanische Rotationsenergie in hydraulische Druckenergie um. Das zentrale Funktionsprinzip beruht auf der Volumenverdrängung: Kolben bewegen sich in Zylinderbohrungen axial hin und her, verändern dabei das Volumen in den Kolbenkammern und erzeugen so abwechselnd Unterdruck zum Ansaugen und Überdruck zum Fördern der Hydraulikflüssigkeit.

Aufbau einer Axialkolbenpumpe

Der Zylinderblock, auch Rotationskolbenblock genannt, bildet das Herzstück. Er enthält typisch sieben bis elf Kolbenbohrungen, die parallel zur Drehachse verlaufen. Die Kolben selbst sind über Pleuelstangen oder Kugelgelenke mit einer Schrägscheibe oder einem Steuerflansch verbunden. Eine Antriebswelle dreht den Zylinderblock, und der Neigungswinkel der Schrägscheibe zwingt die Kolben zu einer Hubbewegung. An der Stirnseite des Zylinderblocks sorgt eine Steuerscheibe mit nierenförmigen Kanälen dafür, dass jeder Kolben während einer Umdrehung genau eine Saug- und eine Druckphase durchläuft.

Huberzeugung und Volumenstrom

Der Hub jedes Kolbens resultiert aus dem Neigungswinkel der Schrägscheibe zur Rotationsachse. Je größer dieser Winkel, desto länger der Kolbenhub und desto größer das verdrängte Volumen pro Umdrehung. Der Volumenstrom der Pumpe hängt damit direkt von zwei Größen ab: der Drehzahl der Antriebswelle und dem Anstellwinkel der Schrägscheibe. Bei einem Anstellwinkel von null Grad bewegen sich die Kolben nicht, und die Pumpe fördert keinen Volumenstrom. Mit zunehmendem Winkel steigt der Förderstrom stufenlos an. Moderne Axialkolbenpumpen erreichen Volumenströme bis etwa 800 Liter pro Minute.

Bauarten der Axialkolbenpumpe

Axialkolbenpumpen lassen sich nach verschiedenen Kriterien einteilen. Die wichtigste Unterscheidung betrifft die Art der Huberzeugung: Schrägscheibenpumpe (Schwenkscheibe) und Schrägachsenpumpe. Darüber hinaus unterscheidet man zwischen Pumpen mit konstantem und variablem Verdrängungsvolumen.

Schrägscheibenpumpe mit Schwenkscheibe

Bei dieser Bauart rotieren Zylinderblock und Antriebswelle gemeinsam. Die Schrägscheibe steht fest im Gehäuse oder lässt sich um einen Schwenkpunkt neigen. Die Kolben gleiten mit ihren Fußpunkten auf der Schrägscheibe und führen durch den Winkel der Scheibe eine Hubbewegung aus. Der maximale Schwenkwinkel liegt bei den meisten Ausführungen bei etwa 18 Grad. Verstellbare Schrägscheibenpumpen erlauben eine stufenlose Anpassung des Volumenstroms während des Betriebs. Ein mechanischer Durchtrieb ist bei dieser Bauart möglich, was den Aufbau von Tandempumpen auf einer gemeinsamen Antriebswelle erlaubt.

Schrägachsenpumpe

Bei der Schrägachsenpumpe ist die Achse des Zylinderblocks schräg zur Antriebswelle angeordnet. Ein Triebflansch überträgt die Drehbewegung von der Antriebswelle auf den Zylinderblock. Die Kolben sind über Kugelgelenke mit der feststehenden Gleitscheibe verbunden. Durch die Schrägstellung der Achse entsteht der Kolbenhub. Die Verstellung des Volumenstroms erfolgt durch Änderung des Schrägwinkels zwischen Zylinderblockachse und Antriebswelle. Schrägachsenpumpen zeichnen sich durch gute Selbstansaughfähigkeit und eine höhere Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung im Hydrauliköl aus.

Konstant- und Verstellpumpen

Konstantpumpen haben einen festen Anstellwinkel und fördern bei gegebener Drehzahl einen gleichbleibenden Volumenstrom. Verstellpumpen passen das Verdrängungsvolumen stufenlos an den Bedarf an. In industriellen Hydrauliksystemen kommen überwiegend Verstellpumpen zum Einsatz, da sie Energie sparen, den Druck bedarfsgerecht halten und Wärmeentwicklung reduzieren.

Axialkolbenpumpe im offenen und geschlossenen Kreislauf

Die Wahl der Bauart hängt maßgeblich vom Kreislauf ab, in dem die Pumpe arbeitet.

Offener Kreislauf

Im offenen Kreislauf saugt die Pumpe Hydraulikflüssigkeit aus einem Tank an und fördert sie zum Verbraucher. Der Rücklauf fließt in den Tank zurück. Schrägachsenpumpen eignen sich besonders für offene Kreisläufe, da sie über eine gute Selbstansaughfähigkeit verfügen und wechselnde Lasten gut abfangen. Offene Kreisläufe finden sich in Pressen, Spritzgießmaschinen und Werkzeugmaschinen.

Geschlossener Kreislauf

Im geschlossenen Kreislauf zirkuliert die Hydraulikflüssigkeit direkt zwischen Pumpe und Hydromotor, ohne den Umweg über einen Tank. Eine Speisepumpe gleicht Leckagen aus. Schrägscheibenpumpen kommen hier häufig zum Einsatz, etwa in hydrostatischen Getrieben von Baumaschinen, Radladern und landwirtschaftlichen Fahrzeugen. Der geschlossene Kreislauf erlaubt eine kompakte Anlage und schnelle Reversierbarkeit der Fahrtrichtung.

Technische Kennwerte der Axialkolbenpumpe

Axialkolbenpumpen arbeiten in einem weiten Betriebsbereich. Die folgenden Kennwerte geben eine Orientierung für die Auslegung:

Die tatsächlichen Werte variieren je nach Hersteller, Baugröße und Betriebsbedingungen. Bei Drücken oberhalb von 400 bar kommen zunehmend Radialkolbenpumpen als Alternative ins Spiel, da diese Bauart höhere Drücke bei geringerer Pulsation verträgt.

Axialkolbenpumpe versus Radialkolbenpumpe

Beide Bauarten gehören zu den Kolbenpumpen, unterscheiden sich jedoch in Konstruktion und Einsatzschwerpunkten. Konstrukteure wählen die Axialkolbenpumpe, wenn kompakte Abmessungen, hohe Drehzahlen und stufenlose Verstellbarkeit im Vordergrund stehen. Radialkolbenpumpen kommen bei extremen Drücken, Dauerbetrieb und hohen Anforderungen an Laufruhe zum Zug.

Regelung und Steuerung von Axialkolbenpumpen

Die Verstellung des Fördervolumens erfolgt über verschiedene Regelkonzepte, die sich in der Praxis bewährt haben.

Druckregelung

Die Druckregelung hält den Systemdruck auf einem eingestellten Sollwert, unabhängig vom Volumenstrombedarf der Verbraucher. Sobald der Druck den Sollwert erreicht, schwenkt die Scheibe zurück und reduziert den Volumenstrom auf das Maß, das zur Aufrechterhaltung des Drucks nötig ist. Überschüssige Leistung wird nicht als Wärme über ein Druckbegrenzungsventil vernichtet, was die Energiebilanz deutlich verbessert.

Volumenstromregelung

Hier regelt die Pumpe den Volumenstrom auf einen konstanten Wert, unabhängig von Druckschwankungen im System. Der Anstellwinkel der Schrägscheibe wird dabei durch einen Regler nachgeführt. Diese Regelung eignet sich für Anwendungen mit konstanter Verbraucherströmung.

Load-Sensing-Regelung

Die Load-Sensing-Regelung erfasst den höchsten Druckbedarf der angeschlossenen Verbraucher und stellt die Pumpe auf genau diesen Druck plus einen geringen Vorsteuerdruckdifferenz ein. Damit liefert die Pumpe nur den Volumenstrom, den die Verbraucher tatsächlich benötigen, und arbeitet mit dem minimal nötigen Systemdruck. Das senkt den Energieverbrauch und reduziert die Erwärmung des Hydrauliköls.

Elektronische Regelung

Moderne Axialkolbenpumpen nutzen zunehmend elektrohydraulische Regler, die Proportional- oder Servoventile ansteuern. Ein elektronischer Regler verarbeitet Signale von Druck- und Drehzahlsensoren und gibt Stellsignale an die Verstellventile. Das ermöglicht präzise, dynamische Regelkreise und die Integration in übergeordnete Maschinensteuerungen. Typische Stellsignale liegen im Bereich von 4 bis 20 mA.

Normen und sicherheitstechnische Anforderungen

Die EN ISO 4413:2010 regelt die sicherheitstechnischen Anforderungen an Hydraulikanlagen und deren Komponenten, einschließlich Axialkolbenpumpen. Sie definiert Gefährdungen wie Überdruck, Leckagen und Lärm und gibt Prinzipien zur Vermeidung vor. Die Norm fordert unter anderem, dass axiale und radiale Lasten auf die Pumpenwelle innerhalb der Herstellerangaben bleiben, Torsionsschwingungen durch dämpfende Kupplungen reduziert werden und Oberflächentemperaturen nach ISO 13732-1 sicher begrenzt sind. Ergänzend regelt die ISO 4406 die Sauberkeitsklasse des Hydrauliköls, die für den zuverlässigen Betrieb von Axialkolbenpumpen entscheidend ist.

Wartung und Instandhaltung

Axialkolbenpumpen arbeiten unter hohen Drücken und Drehzahlen, was einen regelmäßigen Wartungsaufwand erfordert. Etwa 70 Prozent der Ausfälle in Hydraulikanlagen lassen sich auf verschmutztes Hydrauliköl zurückführen. Eine wirksame Filterung und regelmäßige Ölwechsel nach Herstellerangaben gehören zu den wichtigsten Präventivmaßnahmen.

Typische Verschleißerscheinungen

• Kolbenlaufflächen und Zylinderbohrungen: Riefen und Pitting durch Partikelverschleiß oder Kavitation
• Gleitflächen der Schrägscheibe: Abnutzung durch dauerhafte Kolbenfußreibung, erkennbar an erhöhtem Leckagevolumenstrom
• Dichtungen und Wellendichtringe: Versprödung und Rissbildung durch thermische und mechanische Belastung
• Lager: Erhöhtes Spiel, Laufgeräusche und Temperaturanstieg als Indikatoren für Lagerschäden

Maßnahmen zur Lebensdauererhöhung

Regelmäßige Sichtprüfungen auf Leckagen, ungewöhnliche Geräusche und Vibrationen sollten in jedem Schichtwechsel erfolgen. Fluidanalysen geben Aufschluss über Partikelgehalt, Wassergehalt und chemische Alterung des Öls. Dichtungen sollten alle drei bis sechs Monate inspiziert und bei Bedarf ersetzt werden. Die Einhaltung der vom Hersteller vorgegebenen Ölwechselintervalle und Filteraustauschzyklen sichert die Sauberkeit des Hydrauliköls und damit die Funktionstüchtigkeit der Pumpe. HK Hydraulik empfiehlt, bei der Instandsetzung auf Hydraulikpumpen Reparatur und Wartung Originalersatzteile zu setzen, um die Passgenauigkeit und Belastbarkeit der Verschleißteile zu gewährleisten.

Anwendungsbereiche der Axialkolbenpumpe

Axialkolbenpumpen kommen in nahezu allen Bereichen der industriellen und mobilen Hydraulik zum Einsatz. In mobilen Arbeitsmaschinen wie Baggern, Radladern, Kränen und Traktoren bilden sie die zentrale Energieversorgung für Fahrantriebe und Arbeitsfunktionen. In stationären Industrieanlagen versorgen sie Pressen, Spritzgießmaschinen und Werkzeugmaschinen mit Hydraulikleistung. Auch in Schiffshydraulik, Windkraftanlagen und Prüfständen finden sie Verwendung. Die Kombination aus hohem Druckniveau, kompakter Bauweise und stufenloser Verstellbarkeit macht die Axialkolbenpumpe zur ersten Wahl, wenn es um leistungsdichte und effiziente Hydraulikantriebe geht.