Axiale zuigermotor

Een axiale zuigermotor is een verdringingsmotor in de hydraulica, waarbij de zuigers parallel aan de draaias zijn geplaatst. Deze zet hydraulische energie uit druk en volumestroom om in mechanische rotatie-energie. Door de axiale plaatsing van de zuigers en een schuin steunvlak ontstaat een heffende beweging die een rotatie van de uitgaande as veroorzaakt. Axiale zuigermotoren kenmerken zich door een hoge vermogensdichtheid, toerentallen tot meer dan 10.000 tpm en werkdrukken tot 450 bar.

Basisprincipes en werking van de axiale zuigermotor

De axiale zuigermotor behoort tot de familie van de zuigermotoren en werkt als verdringer volgens het principe van volumeverplaatsing. Drukolie wordt via een stuurplaat in de cilinderboringen van een roterend cilinderblok geleid. De zuigers steunen op een hellend vlak, waardoor de lineaire zuigerkracht wordt omgezet in een draaimoment. Afhankelijk van de stand van de zuigers ten opzichte van het druk- of zuigkanaal van de stuurplaat ontstaat een continue draaiaandrijving.

Opbouw en hoofdcomponenten

Het hart van een axiale zuigermotor wordt gevormd door het cilinderblok, ook wel cilindertrommel genoemd, met meerdere axiale boringen waarin de zuigers worden geleid. Het aantal zuigers ligt in de praktijk meestal tussen de zeven en elf, waarbij de voorkeur wordt gegeven aan een oneven aantal zuigers om een gelijkmatiger koppelverloop te verkrijgen. Andere essentiële onderdelen zijn de stuurplaat voor de regeling van de oliestroom, de uitgaande as en het schuine steunvlak, dat wordt gerealiseerd als een schuine schijf of via een schuine ashoek.

De zuigers brengen de hydraulische kracht over op het schuine vlak. Omdat de kracht niet in de richting van de draaias werkt, ontstaat er een tangentiële component die het cilinderblok in rotatie brengt. De stuurplaat zorgt ervoor dat elke cilinder op het juiste moment drukolie krijgt en de ontspannen olie afvoert.

Koppel en toerental

Het afgegeven koppel van een axiaalzuigermotor hangt af van de aangelegde druk en het slagvolume. Het slagvolume beschrijft het volume aan hydraulische vloeistof dat de motor per omwenteling opneemt. Hoe groter het slagvolume en hoe hoger de werkdruk, hoe meer koppel er beschikbaar is aan de uitgaande as. Het toerental is evenredig aan de toegevoerde volumestroom: een hogere volumestroom leidt tot een hoger motortoerental. Moderne axiale zuigermotoren bereiken een totaal rendement van 90 tot 95 procent, waardoor ze tot de meest efficiënte hydraulische motoren behoren.

Uitvoeringen van de axiale zuigermotor

Axiale zuigermotoren worden op basis van het type krachtoverbrenging onderverdeeld in twee hoofdtypes: het schuine-schijftype en het schuine-as-type. Beide principes verschillen in de constructieve opbouw van het hellende vlak en hebben specifieke voor- en nadelen.

Schuine-schijfuitvoering (tuimelschijfprincipe)

Bij de schuine-schijfuitvoering draait het cilinderblok, terwijl de schuine schijf vast in de behuizing blijft. De zuigers steunen via glijschoenen op de schuine schijf. De hellingshoek van de schuine schijf bepaalt de zuigerslag en daarmee het slagvolume. Bij verstelbare motoren kan deze hoek tijdens het bedrijf worden gewijzigd, wat een traploze aanpassing van koppel en toerental mogelijk maakt.

De schuine-schijfconstructie kenmerkt zich door een compacte opbouw en korte versteltijden. De zwenkhoek is constructiegebonden beperkt tot ongeveer 15 tot 20 graden, wat de maximale slag en daarmee het maximale slagvolume beperkt. Daar staat tegenover dat deze constructie scoort met een gering bouwvolume en bijzonder geschikt is voor toepassingen waarbij inbouwruimte en gewicht een rol spelen.

Schuine asconstructie

Bij de schuine-asuitvoering staan het cilinderblok en de uitgaande as onder een hoek ten opzichte van elkaar. De zuigers worden via drijfstangen met de uitgaande as verbonden. De schuine-ashoek bepaalt de zuigerslag en ligt bij constantmotoren meestal tussen 25 en 40 graden; bij verstelbare motoren kan deze traploos worden aangepast.

De schuine-as-constructie maakt grotere zwenkhoeken mogelijk dan de schuine-schijf-constructie, waardoor een groter slagvolume en hogere koppels haalbaar zijn. Bovendien is deze constructie bestand tegen hogere werkdrukken, omdat de krachtoverbrenging via de drijfstangen gunstiger verloopt. De constructieve inspanning is echter groter, wat zich vertaalt in hogere kosten en een iets groter bouwvolume.

Vergelijking van de constructietypen

Axiale zuigermotor als verstelbare motor en motor met constant vermogen

Axiale zuigermotoren worden zowel aangeboden als constantmotoren met een vast slagvolume als verstelbare motoren met een variabel slagvolume. Constantmotoren worden gebruikt wanneer de eisen aan de aandrijving constant blijven. Ze zijn eenvoudiger van opbouw, goedkoper en minder onderhoudsintensief.

Regelmotoren maken het daarentegen mogelijk om het toerental en het koppel tijdens het bedrijf aan te passen aan wisselende belastingsomstandigheden. Bij een constant debiet leidt een verkleining van het slagvolume tot een hoger toerental bij een lager koppel, terwijl een vergroting het koppel verhoogt en het toerental verlaagt. Deze flexibiliteit maakt verstelbare motoren bijzonder aantrekkelijk voor hydrostatische aandrijvingen en toepassingen met sterk variërende belastingsprofielen.

De verstelling kan puur hydraulisch via stuurdruk of elektrohydraulisch via proportionele ventielen plaatsvinden. Elektrohydraulische systemen bieden een fijnere resolutie en kunnen in digitale besturingsarchitecturen worden geïntegreerd, wat steeds belangrijker wordt.

Axiale zuigermotor in vergelijking met radiale zuigermotor

Naast de axiale zuigermotor is de radiale zuigermotor het tweede belangrijke type onder de zuigermotoren in de hydraulica. Beide typen hebben hun sterke punten in verschillende toepassingsgebieden.

Axiale zuigermotoren overtuigen door hoge toerentallen, een compacte constructie en een uitstekend rendement. Ze zijn geschikt voor toepassingen die snelle bewegingen en een nauwkeurige regeling vereisen. Radiale zuigermotoren leveren daarentegen aanzienlijk hogere koppels bij lage toerentallen en hebben geen extra tandwielkast nodig, terwijl axiale zuigermotoren vaak moeten worden onderzet. Daar staat tegenover dat radiale zuigermotoren groter en zwaarder zijn en doorgaans niet de toerentallen van het axiale type halen.

De keuze tussen beide types hangt af van de eisen van de toepassing: snelheid, efficiëntie en compactheid pleiten voor de axiale zuigermotor, terwijl een hoog koppel bij lage toerentallen en robuustheid de voorkeur geven aan de radiale zuigermotor.

Toepassingsgebieden van axiale zuigermotoren

Axiale zuigermotoren worden in een breed scala aan hydraulische toepassingen gebruikt. In de mobiele sector domineren ze de hydrostatische aandrijvingen van graafmachines, wielladers, telescoopkranen en rupsvoertuigen. Hier zorgen ze voor traploos regelbare rijsnelheden en hoge trekkrachten. Ook in de draaiwerken van kranen en graafmachines worden axiale zuigermotoren gebruikt.

In stationaire industriële toepassingen drijven axiale zuigermotoren persen, spuitgietmachines en werktuigmachines aan. In windturbines worden ze gebruikt voor de verstelling van de rotorbladen en de rotatie van de gondel. Daarnaast werken ze in hydraulische vermogenseenheden die meerdere verbruikers van drukolie voorzien.

Een ander toepassingsgebied is het gesloten circuit, waarbij de retourolie direct weer naar de pomp wordt geleid. Axiale zuigermotoren zijn vanwege hun constructie bijzonder geschikt voor deze bedrijfsmodus, die veel wordt toegepast in aandrijvingen en lieren.

Onderhoud en service

De betrouwbaarheid en levensduur van een axiaalzuigermotor hangt in belangrijke mate af van de kwaliteit van de hydraulische vloeistof en het naleven van de onderhoudsintervallen. Slijtage treedt vooral op aan de glijvlakken van de zuigers en de schuine schijf, aan de lagers van de uitgaande as en aan de afdichtingen.

Oliekwaliteit en filtering

De zuiverheid van de hydraulische olie is een doorslaggevende factor. Volgens ISO 4406 moet minimaal reinheidsklasse 20/18/15 worden aangehouden, bij hoge bedrijfstemperaturen zelfs 19/17/14. Deeltjes in de olie leiden tot verhoogde slijtage aan de nauwkeurig vervaardigde glijvlakken en kunnen de stuurplaat beschadigen. Regelmatige filtervervanging en olieanalyses behoren daarom tot de belangrijkste onderhoudsmaatregelen.

Typische slijtageverschijnselen

• Verhoogd intern drukverlies door slijtage van zuigers en cilinders
• Lekken bij asafdichtingen en O-ringen
• Geluidsveranderingen door lagerschade
• Vermogensverlies door slijtage aan de stuurplaat

Vroegtijdige herkenning van deze symptomen door regelmatige controle van druk, temperatuur en geluidsgedrag voorkomt dure gevolgschade.

Normen en standaarden

Voor axiale zuigermotoren gelden verschillende normen en standaarden die veiligheid, compatibiliteit en prestatiebeoordeling regelen. DIN ISO 4413 legt veiligheidstechnische eisen vast voor hydraulische installaties. ISO 4406 classificeert de deeltjesverontreiniging in de hydraulische olie, wat bepalend is voor de levensduur van de motor. DIN 51524 definieert eisen voor hydraulische vloeistoffen, en DIN 9611 en DIN 6885 regelen de uitvoering van assen en spieën.

Fabrikanten zoals Bosch Rexroth, Parker, Liebherr en Hawe bieden axiale zuigermotoren aan in verschillende maten en uitvoeringen die aan deze normen voldoen en zijn ontworpen voor gebruik in veeleisende hydraulische systemen.