BOSCH REXROTH Axialkolbenpumpe (Motor) ist eine der am häufigsten verwendeten Hydraulikkomponenten in modernen hydraulischen Getrieben. Sie findet breite Anwendung in verschiedenen Bereichen. Hydrauliksysteme weil es Variablen leicht realisieren kann und das Hydrauliksystem die Leistungsregelung und stufenlose Geschwindigkeitsänderung vereinfacht.

Die Anfänge der Axialkolbenpumpe lassen sich bis ins frühe 16. Jahrhundert zurückverfolgen. Ramelli entwickelte eine ledergedichtete Axialkolbenpumpe zur Wasserförderung in Bergwerken. Strukturell ähnelte sie stark der heutigen Kolbenpumpe. Im Jahr 1905 konstruierten der amerikanische Professor Harvey William und der Ingenieur Reynolds Janny das hydrostatische Getriebe einer Taumelscheibenpumpe mit Endstromverteilung, die im Hydrauliksystem der Turmsteuerung von Kriegsschiffen eingesetzt wurde. Diese Pumpe wurde später als Janny-Pumpe bekannt. Janny führte erstmals Mineralöl als Fördermedium ein und legte damit den Grundstein für die Entwicklung der modernen Hydraulik.

Im Jahr 1907 verbesserte der amerikanische Hersteller Renault die Kolbenpumpen-Getriebemaschine von Janny und steigerte so deren Betriebseffizienz erheblich.

Die Schrägwellenkolbenpumpe wurde relativ spät entwickelt. 1930 konstruierte der Schweizer Professor Hans Thomas die erste Schrägwellenpumpe. Spätere Generationen bezeichnen diese Pumpe oft als Thomas-Pumpe. Die Mittellinie ihres Zylinderkörpers bildet einen eingeschlossenen Winkel mit der Mittellinie der Antriebswelle. Dadurch wird das Kippmoment des Zylinderkörpers auf die Anschlussplatte reduziert, sodass ein größerer Neigungswinkel möglich ist.

Mitte der 1950er Jahre verabschiedeten sich die US-amerikanische Firma Denison und die britische Firma Lucas von der traditionellen Janny-Pumpe und entwickelten eine Taumelscheibenpumpe mit lagergestütztem Zylinderblock. Die Antriebswelle dieser Pumpenart überträgt ausschließlich Drehmoment und kein Biegemoment, wodurch ein optimaler Kontakt zwischen den Förderdüsen gewährleistet wird. Durch die Verbesserung der Fertigungstechnik konnte der Betriebsdruck auf 35 MPa erhöht und die Drehzahl deutlich gesteigert werden, was einen Meilenstein in der Geschichte der Taumelscheibenpumpe darstellte.

Mitte der 1960er Jahre erfuhr die Durchlaufpumpe aufgrund der Anforderungen an die Integration von Hydrauliksystemen, insbesondere für den Einsatz in geschlossenen Kreisläufen von Fußfahrzeugen, eine Weiterentwicklung. Da am Ende der Hauptwelle Hilfspumpen oder andere Pumpen angebracht werden können, vereint die Durchlaufpumpe mehrere Komponenten und vereinfacht so das Hydrauliksystem erheblich – ein weiterer Meilenstein in der Entwicklung der Taumelscheibenpumpe (bzw. des Taumelscheibenmotors).

Nach den 1970er Jahren entstanden in Europa und den USA zahlreiche Hersteller von Axialkolbenpumpen (Motoren), die in verschiedenen Bereichen viele technologische Innovationen entwickelten. So brachte beispielsweise Vickers die PVB-Leichtbaupumpe für die Energiesparanforderungen von Spritzgießmaschinen auf den Markt. Die Kombination von Pumpen- (Motor-) und Elektroniktechnik rückte immer näher zusammen, und es entwickelten sich vielfältige Steuerungsmethoden.

1966 entwickelte China die Axialkolbenpumpe CY14-1, die auf den Eigenschaften ausländischer Taumelscheibenkolbenpumpen basierte. Nach über 30 Jahren kontinuierlicher Produktion wurde die CY14-1-Pumpe (Motor) viermal grundlegend verbessert. Die ersten beiden Verbesserungen konzentrierten sich auf Standardisierung und Volumenreduzierung und führten zur Entwicklung des Typs CY14-1A. Im dritten Schritt wurde die CY14-1B-Pumpe (Motor) entwickelt, um Probleme wie das Verbrennen der Ölverteilerplatte, den Verschleiß der Taumelscheibe und Prozessschwierigkeiten zu beheben. Schließlich wurden die geräuscharmen offenen Pumpen der Serie Q („CY14-1BK“) und die Wellenpumpen der Serie QT („CY14-1BK“) entwickelt, um die Mängel des Typs CY14-1B zu beheben. Zu diesen Mängeln zählten hoher Geräuschpegel, niedrige Drehzahl, die Gefahr des Lösens und Abnehmens der Manschetten, geringe Zuverlässigkeit, schlechte Selbstansaugfähigkeit, unvollständige Spezifikationen und das Fehlen von Wellenpumpen.

Nach Beginn der 1990er Jahre entwickelte die Firma Bosch Rexroth in Deutschland die A4V-Pumpe. Der Kolben bildet einen Winkel mit der Antriebswelle. Im Betrieb begünstigt die Zentrifugalkraft den Rückhub des Kolbens und trägt gleichzeitig zur Verringerung des Ventiltellerdurchmessers und der Umfangsgeschwindigkeit der Ventilverteilungsfläche des Zylinderblocks bei. Die sphärische Strömungsverteilung kompensiert das durch axiale Exzentrizität verursachte Kippmoment des Zylinderblocks. Diese Pumpenart findet breite Anwendung in modernen Industriezweigen. Heutzutage werden fast alle als Verstellpumpen und Verstellmotoren eingesetzten Axialkolbenpumpen in Schrägwellen- und Taumelscheibenpumpen unterteilt, die im Folgenden näher beschrieben werden.

(1) Die Axialkolbenpumpe (Motor) mit gebogener Welle geht auf eine Erfindung von Hansthoma aus dem Jahr 1940 zurück. 1946 verbesserte er den Synchronantrieb des Zylinderblocks, ersetzte das Kreuzgelenk durch eine Pleuelstange und wandelte die flache Ventilplatte in eine sphärische um. Kürzlich führte Bosch Rexroth einen verbesserten Kegelkolben ein (die Kolbenstange ist am Dichtungsteil montiert), der Pleuelstange und Kolben integriert. Die Erfindung wurde seit ihrer Entwicklung vor über 60 Jahren kontinuierlich verbessert und ist heute in verschiedenen Anwendungsbereichen weit verbreitet.

Aktuell produziert nur Bosch Rexroth Verstellpumpen. Die Hauptvarianten sind die Pumpen der Serie A7V mit einem Fördervolumen von 20 bis 1000 ml/h, einem maximalen Druck von 35 MPa und einem Verstellwinkel von 18°. Das Unternehmen hat außerdem die Pumpen der Serie A7VO entwickelt. Diese sind als Kolbenpumpen mit konischer Pleuelstange ausgeführt und weisen ein Fördervolumen von 28 bis 1000 ml/h sowie einen maximalen Druck von 40 MPa auf.

Auf der Grundlage von a7v und a7vo, Bosch Rexroth Außerdem wurden die Verstellmotoren A6V und A6VM entwickelt. Die Firma Linde produziert zudem den Verstellmotor BMV/R, dessen maximale Fördermenge jedoch nur 50.2–60.3 ml/U beträgt, dessen Nenndruck 42 MPa und dessen maximaler Druck 50 MPa ist. Er wird für geschlossene Kreisläufe kleiner Hydraulikgeräte eingesetzt. Derzeit produzieren unter anderem die Beijing Huade Hydraulic Group Co., Ltd., die Shanghai Hydraulic Pump Factory und das Werk Guiyang 501 Bosch Rexroth-Knickwellenpumpen und -motoren. Die Entwicklungstrends für diese Motoren stellen sich wie folgt dar.

1) Aus konstruktionsbedingten Gründen kann die Bogenwellenpumpe nicht mit einer Hilfspumpe ausgestattet werden und kann daher nur als Pumpe im offenen Kreislauf eingesetzt werden. Da der Verstellmechanismus der Bogenwellenpumpe zudem den Zylinderkörper gemeinsam schwingen lässt, ist die Ansprechgeschwindigkeit der Verstellung gering.

2) Aufgrund des komplexen Herstellungsprozesses und der hohen Kosten verliert die Verstellpumpe mit einem Fördervolumen von weniger als 250 ml/U als Verstellpumpe allmählich ihren Wettbewerbsvorteil, die Verstellpumpe mit großem Fördervolumen hingegen behält ihren Platz.

3) Sowohl quantitative als auch variable Motoren, insbesondere die konische Pleuelstangen-Kolben-Konstruktion mit einem Biegewinkel von 40°, haben aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile eines hohen Anlauf- und Übertragungsdrehmoments gute Entwicklungsperspektiven.

(2) Taumelscheiben-Axialkolbenpumpe und -motor: Diese Bauart ist eine Weiterentwicklung der von Harvey Williams und Reynolds Janney im Jahr 1905 erfundenen axialen Hydraulikpumpe. Die Verstellpumpe und der Verstellmotor mit einfacherer Konstruktion werden seit 1950 in Serie gefertigt. Im Vergleich zur Bauart mit geneigter Welle zeichnen sie sich durch geringes Volumen, niedriges Gewicht und ein gutes Ansprechverhalten bei der Hubverstellung aus und finden daher zunehmend Anwendung in verschiedenen Hydraulikpumpen. Taumelscheiben-Axialkolbenpumpen und -motoren sind in Ausführungen für leichte und schwere Beanspruchung erhältlich.

1) Leichte Axialkolbenpumpe und -motor. Bereits in den 1960er Jahren versuchten einige Kolbenpumpenhersteller, eine Verstellkolbenpumpe mit mittlerem Druck (mittlerer Last), einfacher Bauweise und niedrigem Preis zu entwickeln, die mit Zahnrad- und Flügelzellenpumpen konkurrieren konnte. Anfang der 1960er Jahre entwickelte die britische Firma Dowty eine Taumelscheiben-Axialkolbenpumpe namens „VADIS“. Diese zeichnet sich durch einen maximalen Druck von 20 MPa, eine einfache Bauweise und den Einsatz weniger bearbeitungsfähiger und nicht bearbeitungsfähiger Teile aus. Lediglich acht Teile müssen bearbeitet werden, und die Kosten sind vergleichbar mit denen von Zahnradpumpen. Zeitgleich entwickelte Vickers aus den USA die leichte Kolbenpumpe der PVB-Serie mit einfacher Bauweise. Die Ventilplatte ist mit dem hinteren Deckel verbunden. Zylinderblock, Gleitstück und weitere Teile bestehen aus Gusseisen oder pulvermetallurgisch gefertigtem Material. Die Verstellung des Fördervolumens erfolgt über einen einfachwirkenden Zylinder (mit Federrückstellung). Sie wird hauptsächlich in Werkzeugmaschinen eingesetzt und wurde früher auch in Emulsionsmedien bei Drücken unter 7 MPa verwendet, fand damals aber kaum Beachtung. Erst Ende der 1970er-Jahre entwickelte die japanische Firma Daikin, basierend auf den Pumpen der Serien 15 und 18 der US-amerikanischen Firma Santander, die Leichtkolbenpumpen der Serien V15 und V38 (mit Fördermengen von 14.8 ml/min bzw. 37.7 ml/min, einem Nenndruck von 14 MPa und einem Maximaldruck von 21 MPa). Dadurch erlangten Leichtkolbenpumpen weltweite Aufmerksamkeit.

Die Leichtkolbenpumpe der japanischen Firma Daikin weist viele strukturelle Ähnlichkeiten mit der PVB-Pumpe auf. Auch sie verwendet einen einfachwirkenden Verstellzylinder und eine Feder zur Rückstellung der Taumelscheibe. Um die Kraft der Rückstellfeder zu reduzieren, ist der Drehpunkt der Taumelscheibe konstruktionsbedingt höher als der Schnittpunkt der Mittellinie des Zylinderkörpers mit der Mittelebene des Kugelgelenkkopfes. Dadurch werden die Feder im Zylinderkörper und der Flüssigkeitsdruck im Kolbenzylinder zusammengedrückt, um die Taumelscheibe zurückzusetzen. Vermutlich aufgrund der verwendeten Reibmaterialien und der Wärmebehandlung ist die Ventilplatte bei der Leichtkolbenpumpe von Daikin weiterhin zwischen Zylinderkörper und hinterem Deckel montiert.

Die von der japanischen Firma Daikin entwickelte Leichtkolbenpumpe hat großes Interesse geweckt. Auf der japanischen Öl- und Druckluftausstellung 1981 stellten unter anderem Japanese Oil Research, Xuanchang, Fengxing und Bueryue Leichtkolbenpumpen aus.

In den 1990er-Jahren entwickelten zahlreiche Hersteller weltweit Leichtkolbenpumpen, darunter Santé Trane, Eaton, Dennison und Parker in den USA, Bosch Rexroth in Deutschland und ATOS in Italien. China führte 1983 die PVB-Leichtkolbenpumpe aus den USA ein, und die Chongqing Hydraulic Parts Factory brachte später die A10V-Leichtkolbenpumpe von Bosch Rexroth auf den Markt. Aufgrund des hohen Preises konnte sie sich jedoch auf dem heimischen Markt nicht flächendeckend durchsetzen.

Alle Leichtkolbenpumpen basieren auf Verstellpumpen mit konstantem Druck. Nach der Entwicklung der Leichtkolbenpumpe entwickelte das japanische Unternehmen Daikin als erstes die lastabhängige Verstellpumpe und setzte sie in Spritzgießmaschinen ein, um die Förderleistung der Pumpe optimal an den Leistungsbedarf der Last anzupassen. Das heißt, im Leerlauf kehrt der Verstellmechanismus automatisch in die Nullstellung zurück, wodurch der Leerlaufstromverbrauch des Systems minimiert wird.

2) Hochleistungs-Taumelscheibenpumpe und -motor. Hochleistungs-Taumelscheibenpumpe und -motor bezeichnen Taumelscheibenpumpen und -motoren mit komplexer Struktur, die unter extremen Betriebsbedingungen und bei hohen Belastungen eingesetzt werden. Der Nenndruck liegt zwischen 31.5 und 42 MPa, der maximale Druck zwischen 40 und 50 MPa.

① Taumelscheibenpumpen- und Motorsystem für geschlossene Kreisläufe. Es findet breite Anwendung im Bauwesen. Charakteristisch ist die mit einer Nachfüllpumpe ausgestattete Pumpe. Pumpe und Hydraulikmotor verfügen gemeinsam über einen kompletten Satz integrierter Ventile für das geschlossene System. Durch den Anschluss zweier Rohrleitungen kann das System in Betrieb genommen werden, beispielsweise für Vibrationswalzen oder Betonmischer. Dieses System ist weit verbreitet. Erster Hersteller dieses Produkts war Sauer mit der Produktreihe 20. Pumpen- und MotorsystemeMitte der 1980er Jahre führte das Shanghaier Werk für Hochdruckölpumpen das amerikanische Pumpen- und Motorensystem der Serie 20 von Sauer ein. Mittlerweile produziert Sauer in Pudong, Shanghai, gemeinsam mit dem amerikanischen Unternehmen die neuesten Pumpen- und Motorensysteme der Serie 90.

Derzeit produzieren weltweit zahlreiche Unternehmen geschlossene Pumpen- und Motorsysteme dieser Art. Zu den bekanntesten zählen die US-amerikanischen Firmen Eaton und Denison sowie die deutschen Firmen Bosch Rexroth und Linde. Die amerikanischen Unternehmen bieten ausschließlich geschlossene Systeme mit Taumelscheibenpumpen und Taumelscheibenmotoren an, Bosch Rexroth hingegen geschlossene Systeme mit Taumelscheibenpumpen und Schrägwellenmotoren, während Linde sowohl geschlossene Systeme mit Taumelscheibenpumpen und Taumelscheibenmotoren als auch geschlossene Systeme mit Taumelscheibenpumpen und Schrägwellenmotoren im Sortiment führt. Auch die Guizhou Liyuan Hydraulic Parts Factory produziert geschlossene Pumpen- und Motorsysteme der Sauer-20-Serie.

② Taumelscheibenpumpe für offene Systeme. Im Allgemeinen werden an Pumpen für offene Systeme höhere Anforderungen gestellt als an Pumpen für geschlossene Systeme. Sie müssen eine bessere Selbstansaugfähigkeit, einen geringeren Geräuschpegel und eine größere Auswahl an Ausführungen aufweisen. Daher können Pumpen für geschlossene Systeme in der Regel nicht in offenen Systemen eingesetzt werden. Um jedoch Kosten zu senken und die Standardisierung von Pumpenteilen zu verbessern, entwickeln Hersteller von Pumpen für geschlossene Systeme häufig Pumpen für offene Systeme auf Basis von Pumpen für geschlossene Systeme. Beispielsweise basiert die offene Systempumpe A4SV0 von Bosch Rexroth auf der geschlossenen Systempumpe A4V; die offene Systempumpe der Serie HPR202 von Linde ist eine Weiterentwicklung der geschlossenen Systempumpe HPV202. Die in China weit verbreitete Axialkolbenpumpe vom Typ CY zählt ebenfalls zu den Schwerlast-Taumelscheibenpumpen für offene Systeme.