Hydraulikpumpen: Zahnrad-, Flügelzellen- und Axialkolbenpumpe

Stell dir eine Pumpe vor, die in einen offenen Behälter fördert. Das Öl fließt einfach hinaus, der Druck bleibt nahezu null. Erst wenn du den Ausgang zudrehst oder einen Zylinder mit Last dahinter hängst, baut sich Druck auf. Die Pumpe selbst hat sich dabei nicht verändert – sie schiebt weiterhin dieselbe Ölmenge. Der Druck ist eine Folge des Widerstands, nicht der Pumpe.

Diese Unterscheidung ist der Schlüssel zum ganzen Thema: Die Pumpe erzeugt Volumenstrom, das System erzeugt Druck.

In der Hydraulik arbeitet man fast ausschließlich mit Verdrängerpumpen. Eine Verdrängerpumpe schließt bei jeder Umdrehung eine bestimmte Ölmenge in einem Hohlraum ein und schiebt sie von der Saugseite zur Druckseite. Das Gegenstück wären Strömungspumpen (etwa eine Kreiselpumpe), die das Öl über ein schnell drehendes Laufrad beschleunigen. Strömungspumpen schaffen aber keine hohen Drücke und lassen Öl bei Gegendruck zurücklaufen – für die Hydraulik ungeeignet.

Jede Verdrängerpumpe hat zwei Seiten. Auf der Saugseite vergrößert sich ein Hohlraum, dadurch entsteht ein Unterdruck, und Öl strömt aus dem Tank nach. Auf der Druckseite verkleinert sich der Hohlraum wieder und drückt das Öl in die Leitung. Das Öl wird also nicht gesaugt im eigentlichen Sinn, sondern vom Luftdruck im Tank in die entstehende Lücke gedrückt. Das klingt nach einer Spitzfindigkeit, ist aber für das Thema Ansaugen und Kavitation später wichtig.

Die zentrale Größe einer Pumpe ist das Verdrängungsvolumen (auch Schluckvolumen oder geometrisches Fördervolumen genannt): die Ölmenge, die die Pumpe pro Umdrehung verdrängt, angegeben in cm³/U. Multipliziert man dieses Volumen mit der Drehzahl, erhält man den Förderstrom – die Ölmenge pro Zeiteinheit.

Üblicher ist die Angabe des Förderstroms in Litern pro Minute. Dann teilt man das Ergebnis durch 1000.

Das Pascal’sche Gesetz und die Druckübersetzung – also wie aus dem Druck am Ende eine Kraft am Zylinder wird – sind ein eigenes großes Thema und hier bewusst nur gestreift. Für die Pumpe genügt: Sie liefert den Volumenstrom, der Rest des Systems macht daraus Druck und Kraft.

Mit dem Verdrängungsvolumen und dem Förderstrom hast du die wichtigsten geometrischen Größen. In der Praxis brauchst du aber noch zwei weitere: den Wirkungsgrad und die Antriebsleistung. Beide hängen direkt zusammen, deshalb betrachten wir sie gemeinsam.

In der Realität fördert keine Pumpe ganz so viel, wie ihre Geometrie vermpricht. Durch die Spalte zwischen den bewegten Teilen fließt immer etwas Öl von der Druck- zur Saugseite zurück. Diese Leckverluste wachsen mit dem Druck: Je höher the Systemdruck, desto mehr Öl quetscht sich durch die Spalte zurück. Das Verhältnis aus tatsächlich gefördertem zu theoretisch möglichem Förderstrom ist der volumetrische Wirkungsgrad.

Gute Pumpen erreichen volumetrische Wirkungsgrade von etwa 0,90 bis 0,97. Eine verschlissene Pumpe fällt mit steigendem Druck immer weiter ab – das ist oft das erste messbare Zeichen für Verschleiß.

Damit die Pumpe das Öl gegen den Systemdruck fördern kann, braucht sie Antriebsleistung an der Welle. Die hydraulische Leistung ergibt sich aus Druckdifferenz mal Förderstrom. Weil Verluste auftreten, ist die erforderliche Antriebsleistung größer – man teilt durch den Gesamtwirkungsgrad.

Achtung bei den Einheiten: Mit Druck in bar und Förderstrom in l/min liefert die Formel die Leistung nicht direkt in kW. Die Beziehung lautet sauber:

Der Faktor 600 bündelt die Umrechnung von bar und l/min auf kW. Wer in der Werkstatt schnell überschlagen will, merkt sich diesen Faktor.

Noch ein Begriffspaar, das uns durch die nächsten Kapitel begleitet: Eine Konstantpumpe hat ein festes Verdrängungsvolumen – pro Umdrehung immer dieselbe Ölmenge. Eine Verstellpumpe kann ihr Verdrängungsvolumen im Betrieb verändern und damit den Förderstrom anpassen, ohne dass sich die Drehzahl ändert. Welche Bauart sich verstellen lässt und welche nicht, ist eines der wichtigsten Unterscheidungsmerkmale zwischen den drei Pumpentypen.

Die Zahnradpumpe ist die am weitesten verbreitete Hydraulikpumpe – einfach, robust und günstig. In der häufigsten Bauform, der Außenzahnradpumpe, kämmen zwei gleich große Zahnräder ineinander. Eines wird angetrieben, das andere läuft mit.

So funktioniert die Förderung: Auf der Saugseite laufen die Zähne auseinander. Dadurch vergrößert sich der Raum zwischen ihnen, es entsteht Unterdruck, und Öl strömt in die Zahnlücken nach. Das Öl wird nun in den Lücken zwischen Zahn und Gehäusewand außen um beide Räder herum zur Druckseite transportiert – nicht durch die Mitte, wo die Zähne kämmen. Auf der Druckseite greifen die Zähne wieder ineinander und schieben das Öl aus den Lücken in die Druckleitung. Die kämmenden Zähne in der Mitte dichten Saug- und Druckseite gegeneinander ab.

Das folgende Schnittbild zeigt das Prinzip:

Daneben gibt es die Innenzahnradpumpe, bei der ein kleineres Zahnrad innen in einem größeren, innenverzahnten Ring läuft. Sie fördert deutlich leiser und gleichmäßiger, ist aber aufwendiger und teurer.

Die Stärken der Zahnradpumpe liegen auf der Hand: Sie ist mechanisch einfach, unempfindlich gegen Verschmutzung, kompakt und preiswert. Ihr Verdrängungsvolumen ist konstruktiv festgelegt – sie ist immer eine Konstantpumpe und lässt sich nicht verstellen.

Die Grenzen: Der erreichbare Druck ist moderat (typisch bis etwa 200 bar, Hochleistungsausführungen darüber). Durch das ständige Ein- und Auskämmen der Zähne entstehen Druckpulsationen, die man als Geräusch hört – Zahnradpumpen sind die lautesten der drei Bauarten.

Die Flügelzellenpumpe läuft deutlich ruhiger als die Zahnradpumpe und ist daher überall dort beliebt, wo Geräusch eine Rolle spielt. Ihr Aufbau ist etwas raffinierter.

Im Inneren dreht sich ein Rotor, in dessen Schlitzen radial bewegliche Flügel sitzen. Der Rotor läuft nicht mittig, sondern exzentrisch in einem ovalen oder runden Hubring. Durch die Fliehkraft und durch Öldruck unter den Flügeln werden diese nach außen gegen den Hubring gedrückt und dichten so einzelne Zellen zwischen Rotor und Hubring ab.

Dreht sich der Rotor, verändern diese Zellen ihr Volumen: Auf der Saugseite werden sie größer, weil sich der Rotor vom Hubring entfernt – Öl strömt nach. Auf der Druckseite werden sie kleiner, weil sich der Rotor dem Hubring nähert – das Öl wird herausgedrückt. Es ist dasselbe Grundprinzip wie bei jeder Verdrängerpumpe, nur dass hier die sich verändernde Zellengröße die Arbeit macht.

Spannend wird die Flügelzellenpumpe durch eine Variante: Verschiebt man den Hubring gegenüber dem Rotor, ändert sich die Exzentrizität – und damit das Verdrängungsvolumen. Eine solche Pumpe lässt sich verstellen. Bei zentrisch stehendem Hubring (keine Exzentrizität) fördert sie gar nichts mehr. Damit ist die Flügelzellenpumpe als Verstellpumpe ausführbar.

Man unterscheidet zwei Bauformen. Bei der einfachhubigen (einhubigen) Pumpe durchläuft jede Zelle pro Umdrehung einmal Saugen und Drücken; der einseitige Druck belastet die Lagerung stark. Bei der doppelhubigen Bauform ist der Hubring oval, jede Zelle saugt und drückt zweimal pro Umdrehung, und die Druckkräfte liegen sich gegenüber – sie heben sich auf und entlasten die Lager. Doppelhubige Pumpen sind allerdings auf ein festes Verdrängungsvolumen festgelegt, nur die einfachhubige Bauart lässt sich verstellen.

Die Flügelzellenpumpe deckt einen mittleren Druckbereich ab und läuft laufruhig und pulsationsarm. Ihre Grenze: Sie reagiert empfindlicher auf Verschmutzung als die Zahnradpumpe, weil die Flügel sauber in ihren Schlitzen gleiten müssen.

Wenn es um hohe Drücke und hohe Wirkungsgrade geht, führt kaum ein Weg an der Axialkolbenpumpe vorbei. Sie ist die aufwendigste der drei Bauarten, dafür die leistungsfähigste.

Das Kernstück ist eine drehende Zylindertrommel mit mehreren Kolben, die parallel zur Antriebswelle (axial) angeordnet sind – daher der Name. Die Kolbenenden stützen sich über Gleitschuhe auf einer schräg stehenden Scheibe ab, der Schrägscheibe. Dreht sich die Trommel, gleiten die Kolben über die schräge Fläche und werden dadurch zu einer Hubbewegung gezwungen: Auf einer Seite ziehen sie sich heraus und saugen Öl an, auf der gegenüberliegenden Seite werden sie hineingedrückt und fördern das Öl in die Druckleitung. Eine feststehende Steuerscheibe mit zwei nierenförmigen Öffnungen trennt dabei Saug- und Druckseite.

Der eigentliche Clou steckt im Schwenkwinkel der Schrägscheibe. Je steiler die Scheibe steht, desto größer ist der Kolbenhub – und damit das Verdrängungsvolumen. Stellt man die Scheibe senkrecht (Schwenkwinkel null), machen die Kolben keinen Hub mehr und die Pumpe fördert nichts. Über den Schwenkwinkel lässt sich das Verdrängungsvolumen also stufenlos einstellen. Deshalb ist die Axialkolbenpumpe die klassische Verstellpumpe der Hochdruckhydraulik.

Das Verdrängungsvolumen hängt von der Kolbenfläche, dem Hub und der Kolbenzahl ab:

Der Hub s wiederum ergibt sich aus dem Teilkreisdurchmesser der Kolben und dem Schwenkwinkel – je größer der Winkel, desto größer der Hub. Für die Praxis genügt: Schwenkwinkel rauf bedeutet Verdrängungsvolumen rauf.

Neben der Schrägscheiben-Bauart gibt es die Schrägachsen-Bauart, bei der die ganze Zylindertrommel gegenüber der Antriebswelle abgewinkelt ist. Sie erreicht oft noch etwas höhere Wirkungsgrade und größere Schwenkwinkel, ist aber baulich aufwendiger.

Die Stärken: sehr hohe Drücke (typisch bis 350 bar und darüber), hohe Wirkungsgrade und eben die stufenlose Verstellbarkeit. Die Grenzen: hoher Preis und deutlich höhere Empfindlichkeit gegen verschmutztes Öl, weil die eng tolerierten Kolben und Steuerflächen Schmutzpartikel nicht verzeihen.

Die drei Bauarten überschneiden sich in ihren Einsatzbereichen, haben aber klare Schwerpunkte. Die folgende Tabelle stellt sie gegenüber:

Die wichtigste Weichenstellung in der Praxis ist die Frage Konstantpumpe oder Verstellpumpe. Eine Konstantpumpe fördert immer dieselbe Menge; was der Verbraucher nicht braucht, muss über ein Druckbegrenzungsventil abgeführt werden und wird zu Wärme. Eine Verstellpumpe liefert nur so viel Öl, wie gerade gebraucht wird. Bei kleinen, einfachen Anlagen ist die günstige Konstantpumpe sinnvoll; bei großen Anlagen mit wechselndem Bedarf spart die Verstellpumpe Energie und hält das Öl kühler.

Zwei typische Fehlerbilder solltest du kennen. Das erste sind steigende Leckverluste: Lässt mit der Zeit der Förderstrom bei hohem Druck spürbar nach, ist meist Verschleiß die Ursache – die internen Spalte sind größer geworden.

Das zweite, gefährlichere Fehlerbild ist Kavitation. Sie entsteht auf der Saugseite, wenn die Pumpe nicht genug Öl nachbekommt – etwa bei verstopftem Saugfilter, zu langer oder zu enger Saugleitung, zu hoher Viskosität bei kaltem Öl oder zu tiefem Tankölstand. Die Pumpe versucht weiter anzusaugen, der Druck auf der Saugseite fällt unter den Dampfdruck des Öls, und es bilden sich kleine Dampf- und Gasblasen. Auf der Druckseite, wo der Druck schlagartig wieder steigt, fallen diese Blasen in sich zusammen (implodieren). Die dabei entstehenden Druckspitzen schlagen winzige Teilchen aus dem Metall heraus und zerstören die Pumpe von innen – begleitet von einem deutlich hörbaren, harten Rasseln. Wer dieses Geräusch hört, muss die Pumpe abstellen und die Saugseite prüfen, bevor ein Schaden entsteht. Genau deshalb wird die Saugleitung großzügig dimensioniert; die ÖNORM EN ISO 4413 mit den allgemeinen und sicherheitstechnischen Anforderungen an Hydraulikanlagen gibt dafür den Rahmen vor.