Geometrisches Verdrängungsvolumen

Das geometrische Verdrängungsvolumen beschreibt das Volumen an Hydraulikflüssigkeit, das eine Verdrängerpumpe oder ein Hydromotor pro Umdrehung theoretisch fördert oder aufnimmt, basierend auf den Konstruktionsmaßen der Verdrängungsräume. Es ist eine rein geometrisch bestimmte Kenngröße, die in der Einheit cm³/U angegeben wird und die Baugröße einer Hydraulikmaschine unmittelbar charakterisiert.

Grundlagen des geometrischen Verdrängungsvolumens

Das geometrische Verdrängungsvolumen gehört zu den zentralen Auslegungsparametern in der Hydraulik. Es bestimmt, wie viel Flüssigkeit eine Pumpe bei einer Umdrehung ihrer Antriebswelle verdrängt oder wie viel ein Motor pro Umdrehung aufnimmt. Da sich der Wert ausschließlich aus den baulichen Abmessungen der Verdrängungsräume ergibt, ist er unabhängig von Betriebsbedingungen wie Druck, Temperatur oder Drehzahl. Hersteller geben das geometrische Verdrängungsvolumen in ihren Datenblättern an, weil es eine standardisierte, messbare Größe darstellt, die einen direkten Vergleich unterschiedlicher Baugrößen ermöglicht.

Geometrisches Verdrängungsvolumen versus effektives Hubvolumen

In der Praxis ist das geometrische Verdrängungsvolumen nicht mit dem effektiven Hubvolumen gleichzusetzen. Das Hubvolumen beschreibt das tatsächlich gemessene Volumen, das unter definierten Betriebsbedingungen pro Umdrehung gefördert wird. Interne Leckagen, Kompressibilität der Flüssigkeit und Füllungsverluste führen dazu, dass das effektive Fördervolumen vom theoretischen Wert abweicht. Das effektive Fördervolumen ist in der Regel etwas geringer als das geometrische Verdrängungsvolumen, da die Leckageverluste durch eine höhere Fördermenge kompensiert werden müssen. Der Zusammenhang zwischen beiden Größen wird über den volumetrischen Wirkungsgrad hergestellt.

Die Rolle des volumetrischen Wirkungsgrads

Der volumetrische Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen dem tatsächlich geförderten Volumenstrom und dem theoretisch möglichen Volumenstrom, der sich aus dem geometrischen Verdrängungsvolumen und der Drehzahl ergibt. Er gibt an, wie viel der theoretischen Förderleistung die Hydraulikmaschine tatsächlich bereitstellt. Moderne Axialkolbenpumpen erreichen volumetrische Wirkungsgrade über 95 Prozent, während Zahnradpumpen je nach Bauart und Betriebsdruck im Bereich von 85 bis 95 Prozent liegen. Ein hoher volumetrischer Wirkungsgrad bedeutet, dass die Pumpe nah an ihrem geometrischen Verdrängungsvolumen arbeitet und nur geringe interne Verluste auftreten.

Geometrisches Verdrängungsvolumen bei verschiedenen Bauarten

Jede Bauart von Verdrängermaschine erzeugt ihr geometrisches Verdrängungsvolumen auf spezifische Weise. Die konstruktiven Unterschiede spiegeln sich in den typischen Wertebereichen und den Einsatzgebieten wider.

Zahnradpumpen

Bei Zahnradpumpen ergibt sich das geometrische Verdrängungsvolumen aus der Zahnradgeometrie, insbesondere aus der Zahnbreite, dem Zahndurchmesser und der Zähnezahl. Mit jedem Umlauf der Zahnräder wird Flüssigkeit von der Saugseite zur Druckseite transportiert. Zahnradpumpen sind Konstantpumpen, ihr geometrisches Verdrängungsvolumen ist also fest definiert und lässt sich im Betrieb nicht verändern. Typische Werte reichen von etwa 1 cm³/U für kleine Baureihen bis zu 60 cm³/U und darüber für größere Ausführungen. Aufgrund ihrer Einfachheit und Robustheit kommen Zahnradpumpen in zahlreichen industriellen und mobilen Anwendungen zum Einsatz.

Axialkolbenpumpen

Axialkolbenpumpen erzeugen ihr geometrisches Verdrängungsvolumen durch die axiale Bewegung mehrerer Kolben in Zylinderbohrungen. Die Kolbenanzahl, der Kolbendurchmesser und der Hub bestimmen die Größe des Verdrängungsvolumens. Bei Verstellpumpen mit Schwenkscheibe oder Schrägscheibe lässt sich der Hub und damit das geometrische Verdrängungsvolumen stufenlos anpassen, was eine variable Fördermenge bei konstanter Drehzahl ermöglicht. Typische Verdrängungsvolumen liegen zwischen 10 und 500 cm³/U. Axialkolbenpumpen finden sich in Anwendungen, die hohe Drücke und präzise Regelbarkeit erfordern, wie etwa in Spritzgießmaschinen oder Pressen.

Radialkolbenpumpen

Radialkolbenpumpen ordnen ihre Kolben sternförmig um eine Exzenterwelle an. Das geometrische Verdrängungsvolumen resultiert aus der Anzahl der Kolben, dem Kolbendurchmesser und dem Exzenterhub. Radialkolbenpumpen zeichnen sich durch sehr hohe Betriebsdrücke aus, die oberhalb von 400 bar liegen können. Ihre Verdrängungsvolumen reichen von etwa 20 bis zu 1000 cm³/U. Sie kommen bevorzugt in stationären Hochdruckanlagen zum Einsatz, etwa in Werkzeugmaschinen und Prüfständen.

Flügelzellenpumpen

Flügelzellenpumpen nutzen drehbare Flügel, die in einem exzentrischen Gehäuse rotieren und dabei wechselweise vergrößerte und verkleinerte Kammern erzeugen. Das geometrische Verdrängungsvolumen hängt von der Rotorbreite, dem Exzenterabstand und der Flügelanzahl ab. Flügelzellenpumpen arbeiten vergleichsweise leise und liefern einen gleichmäßigen Förderstrom. Ihre Verdrängungsvolumen bewegen sich im Bereich von 1 bis etwa 50 cm³/U. Sie eignen sich für Anwendungen mit moderaten Betriebsdrücken, wie etwa in der Schmierung oder in Kühlkreisläufen.

Konstantpumpen und Verstellpumpen

Das geometrische Verdrängungsvolumen unterscheidet sich grundlegend zwischen Konstantpumpen und Verstellpumpen. Konstantpumpen haben ein festes, unveränderliches Verdrängungsvolumen. Der geförderte Volumenstrom lässt sich nur über die Drehzahl der Antriebsmaschine regulieren. Verstellpumpen hingegen ermöglichen eine Anpassung des Verdrängungsvolumens während des Betriebs. Bei Axialkolben-Verstellpumpen geschieht dies durch die Änderung des Schwenkwinkels der Schrägscheibe, bei Radialkolben-Verstellpumpen durch die Verstellung der Exzentrizität. Die Verstellung kann hydraulisch, elektrohydraulisch oder elektronisch gesteuert werden. Verstellpumpen bieten den Vorteil, dass sie den Volumenstrom bedarfsgerecht anpassen und so Energie einsparen, da nicht geförderte Flüssigkeit nicht über Druckventile abgesteuert werden muss.

Bedeutung für Hydraulikmotoren

Für Hydromotoren gilt das geometrische Verdrängungsvolumen als Schluckvolumen. Es beschreibt das Flüssigkeitsvolumen, das der Motor pro Umdrehung aufnimmt, um mechanische Arbeit zu verrichten. Ein größeres Schluckvolumen erzeugt bei gleichem Druck ein höheres Drehmoment, während ein kleineres Schluckvolumen bei gleichem Volumenstrom eine höhere Drehzahl ermöglicht. Verstellmotoren passen ihr Schluckvolumen an den Lastzustand an und kombinieren so hohe Drehmomente im Anfahrbetrieb mit höheren Drehzahlen im Teillastbereich. Diese Flexibilität macht sie in Anwendungen wie Winden, Fahrwindenantrieben und Mischern unverzichtbar.

Einfluss auf Auslegung und Systemeffizienz

Das geometrische Verdrängungsvolumen ist ein zentraler Parameter bei der Auslegung hydraulischer Systeme. Es beeinflusst direkt den theoretischen Volumenstrom, der sich aus dem Produkt von Verdrängungsvolumen und Drehzahl ergibt. Gleichzeitig bestimmt es das Drehmoment, das eine Hydraulikmaschine bei einem gegebenen Druck liefern oder aufnehmen kann. Konstrukteure wählen das Verdrängungsvolumen daher so, dass die geforderte Leistung bei einer wirtschaftlichen Drehzahl und einem zulässigen Betriebsdruck erreicht wird.

Energieeffizienz und Verlustmechanismen

Die Abweichung zwischen dem geometrischen Verdrängungsvolumen und der tatsächlichen Fördermenge entsteht durch verschiedene Verlustmechanismen. Interne Leckagen zwischen Druck- und Saugseite, die als Spaltverluste bezeichnet werden, verringern den effektiven Förderstrom. Kompressibilitätseffekte der Hydraulikflüssigkeit spielen besonders bei hohen Betriebsdrücken eine Rolle. Zudem können unvollständige Füllung der Verdrängungsräume bei hohen Drehzahlen zu Füllungsverlusten führen. Die sorgfältige Auslegung der Spaltmaße, die Auswahl geeigneter Dichtungen und die Einhaltung der vom Hersteller spezifizierten Betriebsbedingungen minimieren diese Verluste und halten den volumetrischen Wirkungsgrad auf einem hohen Niveau.

Normung und Bezeichnung

Die Normung des geometrischen Verdrängungsvolumens erfolgt im Rahmen verschiedener ISO-Normen. Die ISO 3662 regelt die Prüfverfahren für Hydraulikpumpen und definiert die Rahmenbedingungen, unter denen das Verdrängungsvolumen messtechnisch erfasst wird. Die ISO 4391 legt Begriffsbestimmungen und grafische Symbole für hydrostatische Pumpen und Motoren fest, einschließlich der Notation des geometrischen Verdrängungsvolumens. In Datenblättern und Katalogen der Hersteller wird das geometrische Verdrängungsvolumen meist mit dem Formelzeichen Vg gekennzeichnet und in cm³/U angegeben. Diese einheitliche Bezeichnung erleichtert den Vergleich von Maschinen unterschiedlicher Hersteller und Bauarten.

Praktische Aspekte bei der Auswahl

Bei der Auswahl einer Hydraulikpumpe oder eines Hydromotors richtet sich die Entscheidung für ein bestimmtes geometrisches Verdrängungsvolumen nach mehreren Faktoren. Der erforderliche Volumenstrom, der verfügbare Installationsraum, die zulässige Drehzahl und der maximale Betriebsdruck bestimmen die Baugröße. In der Praxis arbeiten Konstrukteure oft mit Baureihen, die das gleiche Gehäuseformat mit unterschiedlichen Verdrängungsvolumen anbieten. So lässt sich innerhalb einer Baureihe das Verdrängungsvolumen an den konkreten Anwendungsfall anpassen, ohne die Anschlussmaße oder die Einbausituation zu verändern. HK Hydraulik bietet ein breites Spektrum an Pumpen und Motoren mit unterschiedlichen Verdrängungsvolumen, die sich für vielfältige industrielle Anforderungen eignen.

Zusammenfassung

Das geometrische Verdrängungsvolumen ist eine fundamentale Kenngröße der Hydraulik, die die Baugröße und Leistungsfähigkeit einer Verdrängermaschine charakterisiert. Als rein konstruktiv bestimmte Größe bildet es die Grundlage für die Berechnung von Volumenstrom, Drehmoment und Leistung. Der Unterschied zum effektiven Hubvolumen wird durch den volumetrischen Wirkungsgrad beschrieben, der die internen Verluste einer Hydraulikmaschine quantifiziert. Die Wahl des richtigen geometrischen Verdrängungsvolumens ist entscheidend für die Energieeffizienz und Funktionsfähigkeit des gesamten Hydrauliksystems.