Was sind die Unterschiede zwischen verschiedenen Hydraulikpumpen?

Wie der Verdrängungsmechanismus die Typen von Hydraulikpumpen definiert

Festverdrängung vs. Verstellverdrängung: Auswirkungen auf Systemsteuerung und Effizienz

Hydraulikpumpen arbeiten nach dem Verdrängungsprinzip und bewegen im Wesentlichen Flüssigkeit in engen Räumen, um einen Durchfluss zu erzeugen. Pumpen mit festem Hubvolumen fördern bei jeder Umdrehung die gleiche Fluidmenge – diese Pumpen eignen sich daher hervorragend für Anwendungen, bei denen ein konstanter Durchfluss ohne Schwankungen erforderlich ist. Denken Sie beispielsweise an Förderbänder oder einfache Hebezeuge, bei denen vor allem Konsistenz zählt. Diese Pumpen sind mechanisch einfach aufgebaut und daher in der Anschaffung meist kostengünstiger. Auch die Wartung ist unkomplizierter, da im Laufe der Zeit nur wenige Komponenten verschleißen. Zudem arbeiten Pumpen mit festem Hubvolumen zuverlässig weiter, wenn die Lasten von Tag zu Tag nahezu konstant bleiben – ohne dem Bediener Kopfzerbrechen zu bereiten.

Im Gegensatz zu Pumpen mit festem Hubvolumen passen Pumpen mit veränderlichem Hubvolumen die Fördermenge an den tatsächlichen Systembedarf an. Dies erfolgt beispielsweise über verstellbare Schrägscheiben bei axialkolbenförmigen Ausführungen oder druckkompensierte Ventile, die auf sich ändernde Betriebsbedingungen reagieren. Da diese Pumpen sich selbst anpassen können, gewährleisten sie eine präzisere Druckregelung und vermeiden Energieverluste durch unnötig hohe Durchflussmengen im System. Gemäß branchenüblichen Normen wie ISO 4409 und SAE J1210 arbeiten Systeme mit Pumpen variablen Hubvolumens in lastabhängigen Anwendungen etwa 25 % bis 40 % effizienter. Allerdings gibt es auch Nachteile: Diese Pumpen weisen höhere Anschaffungskosten auf und erfordern sauberes Hydraulikfluid gemäß der Spezifikation ISO 16/13. Auch die Wartung gestaltet sich komplexer, da Techniker spezielle Schulungen benötigen, um diese Pumpen fachgerecht instand zu halten. Bei der Entscheidung zwischen den verschiedenen Pumpentypen orientieren sich die meisten Konstrukteure daran, ob für ihre Anwendung konstante Förderleistung und ein niedrigerer Kaufpreis im Vordergrund stehen oder ob stattdessen Energieeinsparung und Anpassungsfähigkeit an wechselnde Druckverhältnisse Priorität haben.

Konstruktionsimplikationen für Zahnrad-, Flügel- und Kolben-Hydraulikpumpen

Die Verdrängungsmechanik prägt grundlegend die Pumpenarchitektur, die Leistungscharakteristik und die Eignung für konkrete Anwendungen:

• Getriebepumpen nutzen verzahnte Außen- oder Innenzahnräder, um Fluid einzuschließen und zu verdrängen. Ihre robuste, kompakte Bauweise gewährleistet zuverlässige Leistung bei geringen Kosten; typische Druckgrenzen liegen bei ca. 250 bar (3.600 PSI). Durch interne Leckagen über die Zahnradspiele ist der volumetrische Wirkungsgrad bei dauerhaftem Hochdriftbetrieb auf 80–85 % begrenzt.

• Flügelzellenpumpen arbeiten mit sich radial bewegenden Flügeln, die sich in einer elliptisch geformten Kammer innerhalb des Pumpengehäuses nach außen bewegen. Durch dieses Design erzeugen diese Pumpen einen deutlich gleichmäßigeren Förderstrom im Vergleich zu Zahnradpumpen, wobei die Druckpulsation am Ausgang geringer ist. Sie erreichen typischerweise einen Wirkungsgrad von etwa 85 bis 90 Prozent bei Betrieb unter mittlerem Druck, was bedeutet, dass sie Drücke von bis zu ca. 210 bar bewältigen können, bevor die Leistung merklich abfällt. Allerdings gibt es einen Nachteil: Da die Flügel sehr eng an der Statorwand anliegen, können bereits kleinste Partikel in der Flüssigkeit Probleme verursachen. Diese Pumpen benötigen ein besonders sauberes Öl, das Reinheitsanforderungen nach ISO-Normen wie 18/16/13 für Fluidreinheit erfüllt. Ohne geeignete Filtersysteme verschleißen die Komponenten schneller als erwartet, was langfristig zu kostspieligen Reparaturen führt.

• Axialkolbenpumpen arbeiten mit hin- und herbewegten Kolben, die über einen rotierenden Schrägscheibenmechanismus gesteuert werden. Diese Pumpen erreichen beeindruckende Druckniveaus von über 400 bar; die meisten Modelle weisen eine volumetrische Effizienz von rund 93 % und eine mechanische Effizienz von etwa 95 % auf. Was sie wirklich auszeichnet, ist ihre hervorragende Kompatibilität mit Systemen mit variabler Verdrängung – dies erklärt, warum sie in anspruchsvollen Anwendungen sowohl im mobilen als auch im industriellen Bereich so weit verbreitet sind. Beispiele hierfür sind schwere Baumaschinen wie Bagger oder Fertigungseinrichtungen wie Spritzgießmaschinen, bei denen schnelle Ansprechzeiten und ein effizienter Energieeinsatz im Vordergrund stehen. Diese Kombination aus Leistungsmerkmalen hat Kolbenpumpen zu praktisch unverzichtbaren Komponenten in Situationen gemacht, in denen eine präzise Steuerung hydraulischer Systeme erforderlich ist.

Leistungsvergleich gängiger Hydraulikpumpen

Zahnradpumpen: Kostenoptimierte Einfachheit mit Einschränkungen hinsichtlich Druck und Lebensdauer

Zahnradpumpen sind in der Regel die kostengünstigste Option bei den Anschaffungskosten und zudem im Vergleich zu anderen Arten hydraulischer Pumpen relativ einfach zu installieren. Aufgrund dieser Vorteile setzen viele Landwirte, Bauarbeiter und Hersteller leichterer Industriemaschinen stark auf Zahnradpumpentechnologie. Die kompakte Bauweise ist auch für beengte Platzverhältnisse sinnvoll – daher finden sich Zahnradpumpen so häufig in mobilen Geräteanwendungen. Doch hier gibt es einen wichtigen Nachteil zu erwähnen: Die meisten Zahnradpumpen können Drücke von deutlich über 250 bar nicht dauerhaft bewältigen, ohne dass es zu Ausfällen kommt. Wird diese Grenze über längere Zeit stark beansprucht, wird innere Leckage spürbar, wodurch der volumetrische Wirkungsgrad auf etwa 80–85 % absinkt, während sowohl die Zahnräder als auch ihre Gehäuse schneller als erwartet verschleißen. Ein weiteres Problem sind die Geräuschpegel, die üblicherweise zwischen 75 und 85 Dezibel liegen. Das ist tatsächlich lauter als bei Flügelzellen- oder Kolbenpumpen; daher eignen sie sich nicht gut für Anwendungen, bei denen leises Betriebsverhalten wichtig ist – etwa in Fabrikhallen oder städtischen Servicefahrzeugen.

Flügelzellenpumpen: Glatte Funktion und mittlere Effizienz – jedoch empfindlich gegenüber Verunreinigungen

Im Vergleich zu Zahnradpumpen laufen Flügelzellenpumpen deutlich leiser – mit Geräuschpegeln zwischen 65 und 75 Dezibel – und liefern einen gleichmäßigeren Förderstrom. Dadurch eignen sie sich besonders gut für Anwendungen wie Werkzeugmaschinen und Verpackungsanlagen, bei denen eine konstante Bewegung entscheidend ist. Bei einem mittleren Betriebsdruck von etwa 210 bar erreichen diese Pumpen eine beeindruckende volumetrische Effizienz von rund 85 bis 90 Prozent. Allerdings gibt es auch einen Nachteil: Da die Flügel während des Betriebs äußerst präzise aus- und einfahren müssen, werden bereits geringfügige Verschmutzungsprobleme kritisch. Fluidpartikel größer als 5 Mikrometer können die Flügel tatsächlich ritzen oder die Stator-Komponenten beschädigen, was oft bereits nach 2.000 Betriebsstunden zu spürbaren Effizienzeinbußen von mehr als 15 % führt. Die Einhaltung der Reinheitsanforderungen nach ISO-Norm 18/16/13 erhöht die gesamten Lebenszykluskosten im Vergleich zu Zahnradpumpensystemen typischerweise um 20 bis 30 %. Dies liegt hauptsächlich daran, dass Filter häufiger gewechselt werden müssen und die geplante Wartung früher ansteht als erwartet.

Kolbenpumpen: Hochdruck, präzise Steuerung und flexible Verstellbarkeit der Fördermenge

Hubkolbenpumpen können sehr hohe Drücke bewältigen, typischerweise über 400 bar, und zeichnen sich zudem durch eine hohe Effizienz aus – mit mechanischen Wirkungsgraden von etwa 92 % und volumetrischen Wirkungsgraden von rund 93 %. Die Durchflussregelung ist außergewöhnlich, insbesondere bei axialen Ausführungen mit verstellbaren Schrägscheibenmechanismen. Dadurch eignen sie sich ideal für anspruchsvolle Hydrauliksysteme, die Technologien wie Lastsensorik oder Druckkompensation integrieren. Solche Systeme reduzieren den Energieverbrauch um ca. 40 % während des Betriebs schwerer Maschinen, beispielsweise in Bergwerken oder auf Baustellen, wo regelmäßig Beton gepumpt wird. Zwar liegen die Anschaffungskosten bei zwei- bis dreimal dem Preis von Zahnradpumpen, doch Hubkolbenpumpen weisen bei sachgemäßer Wartung eine deutlich längere Lebensdauer auf – gelegentlich sogar über 10.000 Betriebsstunden vor einer umfangreichen Instandsetzung. Zudem führen ihre besseren Eigenschaften hinsichtlich der Energierückgewinnung meist zu langfristigen Kosteneinsparungen. Die Geräuschentwicklung bleibt mit 70 bis 80 Dezibel relativ gering; bei Reparaturen sollten jedoch ausschließlich qualifizierte Techniker mit den entsprechenden Spezialwerkzeugen zum Einsatz kommen. Daher ist es besonders wichtig, gute Beziehungen zu den Herstellern der Originalausrüstung (OEMs) zu pflegen, um kontinuierliche technische Unterstützung sowie Schulungsprogramme sicherzustellen.

Wesentliche Kompromisse zwischen Effizienz und Zuverlässigkeit bei Hydraulikpumpen

Volumetrische vs. mechanische Effizienz bei verschiedenen Pumpentechnologien

Die Effizienz von Hydraulikpumpen hängt tatsächlich von zwei Hauptfaktoren ab, die gemeinsam wirken: erstens, wie viel Fluid tatsächlich durchfließt im Vergleich zu der theoretisch möglichen Fördermenge (volumetrische Effizienz, die aufgrund interner Leckagen abnimmt), und zweitens, wie gut die Pumpe die zugeführte Leistung in nutzbare Abgabeleistung umwandelt (mechanische Effizienz, beeinflusst durch Reibung und Schlupf). Zahnradpumpen weisen eine relativ hohe mechanische Effizienz auf – etwa 85 bis 90 Prozent –, da sie nur sehr wenige bewegliche Teile besitzen. Auf der volumetrischen Seite gehen jedoch rund 25 Prozent verloren, da die Spalte zwischen den Zahnrädern und dem Pumpengehäuse unvermeidbar sind. Flügelzellenpumpen erzielen insgesamt ein besseres Gleichgewicht: Ihr Rotordesign ermöglicht eine mechanische Effizienz von rund 92 Prozent und hält die volumetrischen Verluste bei sauberem und stabilem Betrieb unter 12 Prozent. Kolbenpumpen gelten praktisch als der Goldstandard hinsichtlich Leistungsfähigkeit: Dank präzisionsgeschliffener Komponenten und engen inneren Toleranzen erreichen sie bis zu 95 Prozent mechanische Effizienz und über 93 Prozent volumetrische Effizienz. Diese Leistungsstufe setzt jedoch eine sehr gute Fluidfiltration (entsprechend der ISO-16/13-Norm) sowie konstante Betriebstemperaturen voraus. Was jedoch viele Ingenieure übersehen: All diese beeindruckenden Werte brechen zusammen, sobald es heiß wird. Gemäß branchenüblichen Daten nach ISO 11171 und Parker Hannifin halbiert sich die Lebensdauer der Pumpe bei jeder Temperaturerhöhung um 10 °C über 60 °C. Mehrbereichsöle versuchen, dieses empfindliche Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Dünnflüssigere Öle reduzieren zwar zweifellos die Reibung und verbessern damit die mechanische Effizienz, führen aber gleichzeitig zu stärkerem Durchsickern des Fluids durch die Dichtungen – was die volumetrische Effizienz in einigen Fällen um bis zu 30 Prozent mindern kann.

Geräuschentwicklung, Wärmeentwicklung und Wartungsanforderungen nach Typ

Das Betriebsverhalten unterscheidet sich erheblich zwischen den Pumpenfamilien – nicht nur hinsichtlich der Leistung, sondern auch bezüglich ihrer Interaktion mit der Systeminfrastruktur und den Wartungsprotokollen:

• Getriebepumpen erzeugen 75–85 dB Geräusch und mittlere Wärme; ihre Langlebigkeit ermöglicht in den meisten Einsatzzyklen einen jährlichen Austausch der Dichtung. Sie vertragen eine Fluidreinheit nach ISO 20/18 – was sie in Feldwartungsumgebungen besonders robust macht.

• Scheibenpumpen , während sie leiser sind (65–75 dB), erzeugen etwa 15 % mehr Wärme als Zahnradpumpen bei Nennbetriebsdruck aufgrund der Flügelreibung und des Kontakts mit dem Stator. Dies erfordert vierteljährliche Inspektionen des Verschleißes an Flügeln und Nockenring – sowie die strikte Einhaltung einer Filtration nach ISO 18/16/13.

• Obwohl Kolbenpumpen insgesamt gut funktionieren, erzeugen sie in der Regel lautere Geräusche im Bereich von etwa 70 bis 80 Dezibel und setzen bei maximaler Leistung tatsächlich rund 40 Prozent mehr Wärme frei als Zahnradpumpen. Die Abfuhr all dieser überschüssigen Wärme ist für einen ordnungsgemäßen Betrieb unbedingt erforderlich. Das bedeutet, dass die Vorratsbehälter ausreichend groß sein müssen, dass geeignete Kühlsysteme installiert sind und dass das Fluid über die richtigen Wege geleitet wird. Bei Systemen mit Dauerbetrieb wird die Überprüfung der Schrägscheiben-Ausrichtung sowie die Inspektion der Ventilplatten alle zwei Monate zu einer besonders wichtigen Wartungsmaßnahme. Wenn diese Pumpen einer vollständigen Generalüberholung bedürfen, dürfen sie ausschließlich von zertifizierten Technikern der Originalausrüsterhersteller fachgerecht instand gesetzt werden. Auch der Montageprozess muss strengen Drehmomentvorgaben folgen, da Abweichungen hierzu später zu schwerwiegenden Leistungsproblemen führen können.

Verunreinigung bleibt die universelle Bedrohung: Die Sauberkeit der Flüssigkeit bestimmt unmittelbar die mittlere Zeit zwischen Ausfällen (MTBF). Wie im Field Reliability Report von Bosch Rexroth aus dem Jahr 2022 bestätigt, verlängert die Aufrechterhaltung einer Sauberheitsklasse nach ISO 16/13 die MTBF von Kolbenpumpen um das 3,2-Fache gegenüber ISO 20/18 – und die Lebensdauer von Schaufelpumpen um mehr als das 5-Fache.

Auswahl der richtigen Hydraulikpumpe für Ihre Anwendung

Die Auswahl der optimalen Hydraulikpumpe erfordert die Abstimmung der technischen Leistungsfähigkeit mit den realen Randbedingungen – nicht nur mit den Spitzenwerten, sondern mit der Frage, wie sich die Pumpe über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg verhält. Berücksichtigen Sie diese fünf miteinander verbundenen Faktoren:

• Betriebsumgebung : Temperatur-Extremwerte, Umgebungsstaub, Feuchtigkeit und Intensität des Betriebszyklus bestimmen den erforderlichen Robustheitsgrad. Kolbenpumpen sind robuster gegenüber rauen Betriebsbedingungen als Schaufelpumpen, deren enge Spalte bei Verschmutzung oder hohen Temperaturen rasch an Leistungsfähigkeit verlieren.

• Durchflussmenge und Druckprofil : Berechnen Sie höhepunkt und durchschnitt nachfrage – nicht nur maximaler Druck (PSI) und Förderstrom (GPM). Zahnradpumpen eignen sich für konstante, niedrige bis mittlere Druckanforderungen (< 250 bar); Kolbenpumpen sind unverzichtbar für intermittierende Hochdruckspitzen (> 400 bar) oder Systeme mit variabler Nachfrage, die Lastsensortechnik nutzen.

• Kompatibilität mit Flüssigkeiten viskositätsindex, Oxidationsstabilität und Gehalt an Verschleißschutzadditiven müssen zum Pumpentyp passen. Die Verwendung einer niedrigviskosen Flüssigkeit in einer Zahnradpumpe kann die mechanische Effizienz verbessern, erhöht jedoch die Leckage – und eine unpassende Schmierfähigkeit kann die volumetrische Effizienz bei Lamellen- oder Kolbenpumpen um 15–20 % senken.

• Effizienzprioritäten energieintensive Anwendungen profitieren am stärksten von der hohen mechanischen Effizienz der Kolbenpumpen (≥ 92 %) und ihrer flexiblen Verstellbarkeit des Fördervermögens – selbst bei höheren Anschaffungskosten. Anwendungen, die wiederholbare, präzise Förderströme erfordern (z. B. servogesteuerte Pressen), legen besonderen Wert auf volumetrische Konstanz, bei der Kolbenpumpen sowie gut gewartete Lamellenpumpen hervorragende Ergebnisse liefern.

• Budget und Lebenszykluskosten zahnradpumpen minimieren die Anschaffungskosten, können jedoch bei Dauerbetrieb bis zu dreimal häufiger überholt werden müssen als Kolbenpumpen. Berücksichtigen Sie zusätzliche Aufwendungen für Filter-Upgrades, dimensionierte Kühlung, Schulung des Technikerpersonals sowie das Risiko von Ausfallzeiten – insbesondere bei Verstellpumpen, bei denen eine fehlerhafte Einstellung die erzielbaren Energieeinsparungen zunichtemacht.

Letztendlich ist die richtige Pumpe nicht allein durch den höchsten Druck oder den niedrigsten Preis definiert – vielmehr ist es diejenige, deren Verdrängungsprinzip, Wirkungsgradprofil und Wartungsanforderungen exakt mit den funktionalen Grenzwerten und der betrieblichen Realität Ihres Systems übereinstimmen.

FAQ

Was ist der wesentliche Unterschied zwischen Pumpen mit festem und solchen mit verstellbarem Hubvolumen?

Eine hydraulische Pumpe mit festem Hubvolumen fördert pro Umlauf stets die gleiche Fluidmenge, unabhängig vom jeweiligen Systembedarf. Eine Pumpe mit verstellbarem Hubvolumen hingegen kann die geförderte Fluidmenge entsprechend dem aktuellen Systembedarf anpassen, wodurch ein höherer Wirkungsgrad und eine bessere Anpassungsfähigkeit erreicht werden.

Warum werden Kolbenpumpen bei Hochdruckanwendungen bevorzugt?

Hubkolbenpumpen sind in der Lage, hohe Drücke zu bewältigen, oft über 400 bar, wodurch sie sich ideal für anspruchsvolle Anwendungen eignen. Zudem bieten sie aufgrund ihrer hochpräzisen Komponenten und der Möglichkeit, variable Verdrängungsvolumina zu integrieren, einen hohen Wirkungsgrad.

Wie wirkt sich Fluidverschmutzung auf Flügelzellenpumpen aus?

Flügelzellenpumpen sind besonders empfindlich gegenüber Fluidverschmutzung. Selbst kleinste Partikel können zu Verschleiß an den internen Komponenten der Pumpe führen, was zu einer Verringerung des Wirkungsgrads und höheren Wartungskosten führt.

Wie hoch sind die Geräuschpegel verschiedener Arten hydraulischer Pumpen?

Zahnradpumpen sind in der Regel am lautesten und erzeugen Geräuschpegel zwischen 75 und 85 Dezibel, während Flügelzellenpumpen leiser arbeiten, nämlich bei 65 bis 75 Dezibel. Hubkolbenpumpen liegen dazwischen mit Geräuschpegeln von 70 bis 80 Dezibel.