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The hydraulic pump - a key element in the hydraulic system. Your task is to make a choice!

Hydraulic pump animation

Hydraulic pump animation

Hydraulic pumps have to press a fluid (usually oil) into the working circuit. Criteria for selecting a pump here are mainly:

  • Required operating pressure
  • Flow rate
  • Constant flow rate or adjustable flow rate, possibly with two directions
  • Noise

Hydraulic pumps can be broadly classified into:

Classification Hydraulic Pumps

Classification Hydraulic Pumps

How to determine the effiency of a pump

Pumps usually convert electrical energy into hydraulic energy. Of course, energy conversion is always associated with loss. There are three categories of effiency to describe hydraulic pumps: Volumetric effiency, mechanical/hydraulic effiency and the overall effiency.

Volumetric efficiency of a hydraulic pump

Volumetric efficiency of a hydraulic pump

Volumetric efficiency ηVol 

The Volumetric efficiency is determined by dividing the actual flow delivered by a pump at a certain pressureby its theoretical flow.

The design features piston diameter, piston stroke and piston number determine the theoretical delivery volume Vth for one revolution. Furthermore the speed of the drive as a further parameter determines the theoretical volume flow Qth of the pump:  QTh = Speed (rpm)   *   Displacement Vth (cc/rev)

The Actual flow should be measured using a flow meter. So you can define the Volumetric Efficiency ηVol as in the following:

 ηVol =   QA  /  Qth         with QA = Qth   -   QL

Vth  = theoretical volume delivered at one pump revolution
QA  = Actual flow rate
QL  = Internal Leakage Flow of the pump
Qth = Theoretical flow rate
ηVol = Volumetric efficiency

The volumetric efficiency can also be used to determine the condition of a hydraulic pump, based on its increase in internal leckage through wear or damage! But without reference to theoretical flow, the actual flow measured by the flow meter would be meaningless.

Mechanical efficiency (due to friction losses)

Mechanical efficiency of a hydraulic pump

Mechanical efficiency of a hydraulic pump

Since a pump is a mechanical component, mechanical friction losses also occur. Therefore, the torque actually required must be correspondingly greater than the theoretically calculated torque to drive the hydraulic pump:     

TM =   Tth   +  TL

One can thus define a mechanical efficiency:       ηmech  =   Tth / TA

TA  = Actual torque delivered to the pump
Tth  = Theoretical Torque required to operate the pump
Qth = Theoretical flow rate
TL = Torque losses due to friction

Overall efficiency of the pump

Overall efficiency is used to calculate the drive power required by a pump at a given flow and pressure. In the field of automation the pump is usually driven by an electric drive. Due to the leakage losses and the mechanical losses PL of the pump, the delivered hydraulic power P2 must be less than the input power P1.

Overall efficiency of a hydraulic pump

Overall efficiency of a hydraulic pump

This results in the Overall Efficiency ηO of the pump:  ηO =   P2 / P1       or    ηO =   ηmech  *   ηvol 

Chart - Efficiency Hydraulic Pumps

Chart - Efficiency Hydraulic Pumps

Power flow of a hydraulic system

With the help of a specific flow diagram, called Sankey diagram, the losses in a hydraulic system can be shown in a simple way:

Power Flow of a hydraulic system

Power Flow of a hydraulic system


Work order: Determe the efficiencies of a hydraulic pump

Fill in the missing information of the gear pump within the table and record the characteristic curves for the mechanical, volumetric and total efficiency.

Work order calculate efficiencies hydraulic pump

Work order calculate efficiencies hydraulic pump

Use the following link to download the Excel spreadsheet to calculate the different efficiencies:

Hydraulic Pump efficiency curves

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Vertiefung der Theorie und was im Video schon gebracht wurde:

Hydraulikpumpe Animation

Hydraulikpumpe Animation

Die Hydropumpen haben die Aufgabe, Flüssigkeit (zumeist Öl) in den Arbeitskreis zu drücken. Kriterien zur Auswahl einer Pumpe sind hierbei vor allem:

-        Notwendiger Betriebsdruck
-        Förderstrom bei Nenndrehzahl
-        Konstant oder regelbar, evtl. mit zwei Förderrichtungen
-        Geräuschpegel
Die Hydraulikpumpe – ein zentrales Element in der Hydraulik-Anlage. Ihre Aufgabe, eine Auswahl zu treffen!Hydraulikpumpen kann man grob klassifiziert werden in:
Klassifizierung Hydraulikpumpen

Klassifizierung Hydraulikpumpen

Leistungsbetrachtung

Pumpen wandeln in der Regel elektrische Energie in hydraulische Energie um. Man kann drei verschiedene Wirkungsgrade, welche die hydraulische Pumpe beschreiben, unterscheiden: Der volumetrische Wirkungsgrad, den mechanisch/hydrauischen Wirkungsgrad und den Gesamtwirkungsgrad.

Theoretischer Volumenstrom Qth

Der volumetrische Wirkungsgrad kann bestimmt werden, indem man den tatsächlichen, sprich effektiven Volumenstrom der Pumpe bei einem bestimmten Druck, durch den theoretischen Volumenstrom dividiert.
Die Konstruktionsmerkmale Kolbendurchmesser, Kolbenhub und Kolbenzahl legen das theoretische Fördervolumen Vth bei einer Umdrehung fest. Durch die Drehfrequenz des Antriebsmotors wird der berechnete Volumenstrom Qth einer Pumpe als Kenngröße bestimmt.
Qth = n   *   Vth

Volumetrischen Wirkungsgrad

Hydraulikpumpe - Berechnung volumetrischer Wirkungsgrad

Hydraulikpumpe - Berechnung volumetrischer Wirkungsgrad

Ein Teil des Volumenstromes Qth strömt innerhalb der Pumpe durch das vorhandene Kolbenspiel, als Quetschöl durch die Zahnlücken einer Zahnradpumpe in den Saugraum zurück.

Dieser Verlust bezeichnet als Leckölstrom QL ist abhängig vom Spiel der Pumpe und nimmt mit zunehmenden Druck im System zu. Ein großes Passungsspiel bewirkt zwar eine geringe Reibung aber die Leckverluste sind hierbei größer.

Der tatsächliche Volumenstrom der Pumpe sollte mit einem Volumenstrommesser erfasst werden. Damit kann man den volumetrischen Wirkungsgrad definieren:

ηVol =   Q    mit  Qe = Qth   -   QL
             Qth
Vth = theoretisches Fördervolumen bei einer Pumpenumdrehung
Qe = effektiver Volumenstrom
QL = interner Leckölstrom der Pumpe
Qth = berechneter (theoretischer) Volumenstrom
η Vol = volumetrischer Wirkungsgrad
Der volumetrische Wirkungsgrad kann auch zur Bestimmung des Zustands einer Hydraulikpumpe verwendet werden, basierend auf ihrer Zunahme der internen Leckage durch Verschleiß oder Beschädigung! Ohne den theoretischen Volumenstrom wäre der vom Durchflussmesser gemessene tatsächliche Volumenstrom jedoch bedeutungslos.

Hydraulikpumpe - Berechnung mechanisch-hydraulischen Wirkungsgrad

Hydraulikpumpe - Berechnung mechanisch-hydraulischen Wirkungsgrad

Mechanischer Wirkungsgrad

Da eine Pumpe ein mechanisches Bauteil ist, treten auch mechanische Reibungsverluste auf. Daher muss  das tatsächlich notwendige Drehmoment entsprechend grösser sein als das theoretisch berechnete Drehmoment, um die Hydraulikpumpe anzutreiben:
zu =   M th   +  M V

Man definiert einen mechanisch-hydraulischer Wirkungsgrad:

ηmh =   M th                          zu = Drehmoment des Antriebsmoment in Nm
              M zu                        th  = berechnetes Drehmoment in Nm
                                                      M V  = Verlustmoment durch Reibung in Nm

Leistung der Pumpe

Hydraulikpumpe - Berechnung Wirkungsgrad

Hydraulikpumpe - Berechnung Wirkungsgrad

Der Gesamtwirkungsgrad wird verwendet, um die Antriebsleistung zu berechnen, die eine Pumpe benötigt, um den benötigten Volumenstrom bei einem bestimmten Druck liefern zu können. In der Regel wird die Pumpe  angetrieben durch einen elektrischen Motor. Durch die Leckverluste und die mechanischen Verluste der Pumpe muss die an das System abgegebene Leistung (Nutzleistung) Pe geringer sein.

Pzu =   (M zu   *  n)           sowie   Pe =   e  * pe
                  9550                                        600
Pzu   = vom Antriebsmotor zugeführte Leistung in kW
Pe    = an das System abgeführte Nutzleistung in kW  (Index `e`für `effective`)
PV    =   Verlustleistung der Pumpe in kW
M     =  Drehmoment in Nm
n      = Drehzahl in min -1
Qe    = effektiver Förderstrom in l/min
pe    = Förderdruck in bar

Daraus resultiert der Gesamtwirkungsgrad ηtder Pumpe

η t  P e  Verhältnis abgegebene Leistung zu zugeführter Leistung
           P zu

oder als Produkt der Einzelwirkungsgrade:

η t =   η mh  *   η vol  (Index t steht für `total`)

Die verschiedenen Wirkungsgrade einer Pumpe lassen sich in einem Wirkungsgradkennlinienfeld darstellen. Aufgezeigt wird der volumetrische Wirkungsgrad ηVol, der mechanisch-hydraulischer Wirkungsgrad ηmh und der Gesamtwirkungsgrad ηtin Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsdrücken:

Aufzeichnung der Wirkungsgrade Hydraulikpumpe

Aufzeichnung der Wirkungsgrade Hydraulikpumpe

Das Leistungsflussbild (Sankeydiagramm) verdeutlicht die Verluste einer Hydraulikanlage folgenderweise:

Hydraulikanlage - Leistungsverluste

Hydraulikanlage - Leistungsverluste, Berechnung


Arbeitsauftrag: Bestimmung Wirkungsgrade Hydraulikpumpe

Ergänzen Sie die fehlenden Angaben der Tabelle und zeichnen Sie die Kennlinien mechanischen, volumetrischen und Gesamtwirkungsgrad dieser Zahnradpumpe auf.

Aufgabe - Ermittlung Wirkungsgrade Zahnradpumpe

Aufgabe - Ermittlung Wirkungsgrade Zahnradpumpe

Über folgenden Link können Sie ein Excel-Arbeitsblatt zur Berechnung der verschiedenen Wirkungsgrade downloaden:
Hydraulikpumpe Wirkungsgrade

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