Hans Jürgen Matthies Karl Theodor Renius. Einführung in die Ölhydraulik

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1 Hans Jürgen Matthies Karl Theodor Renius Einführung in die Ölhydraulik

2 Aus dem Programm Grundlagen Maschinenbau Ölhydraulik von G. Bauer Elektrotechnik für Maschinenbauer von R. Busch Technische Berichte von H. Hering und L. Hering Mechanical Engineering von A. Jayendran Englisch für Maschinenbauer von A. Jayendran Elektrotechnik für Maschinenbauer von H. Linse und R. Fischer

3 Hans Jürgen Matthies Karl Theodor Renius Einführung in die Ölhydraulik 7., neu bearbeitete und erweiterte Auflage Mit 293 Bildern, 27 Tafeln sowie 110 Kurzaufgaben mit Lösungshinweisen STUDIUM

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Hans Jürgen Matthies war Direktor des Instituts für Landmaschinen der Technischen Universität Braunschweig. Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Karl Theodor Renius war Inhaber des Lehrstuhls für Landmaschinen der Technischen Universität München. 1. Auflage Auflage Auflage Auflage Auflage Auflage , neu bearbeitete und erweiterte Auflage 2011 Alle Rechte vorbehalten Vieweg+Teubner Verlag Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2011 Lektorat: Thomas Zipsner Ellen Klabunde Vieweg+Teubner Verlag ist eine Marke von Springer Fachmedien. Springer Fachmedien ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich ge schützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Ur heber rechts ge set zes ist ohne Zustimmung des Verlags unzuläs sig und straf bar. Das gilt ins be - sondere für Vervielfältigungen, Über setzun gen, Mikro verfil mungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbinderische Verarbeitung: AZ Druck und Datentechnik, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Printed in Germany ISBN

5 V Vorwort zur 7. Auflage Die Ölhydraulik bleibt eine bedeutende und interessante Querschnittsdisziplin des modernen Maschinenbaus zunehmend auch als Komponente der Mechatronik. Sie stellt sich neuen Herausforderungen, kann z. B. in vielen Fällen wesentliche Beiträge leisten, um die Energieeffizienz technischer Systeme zu verbessern auch im Verbund mit einer neuen Generation elektrischer Komponenten. Downsizing von emissionsarmen Antriebsmotoren, Betriebskosteneinsparungen, Ressourcenschonung und Verbesserung von CO 2 -Bilanzen sind die Früchte. Hauptbasis des vorliegenden Lehrbuches waren Vorlesungen und Forschungsarbeiten an der TU Braunschweig (unter dem Erstverfasser) sowie an der TU München (unter dem Zweitverfasser). Details der Entstehungsgeschichte und der jüngeren Aktualisierungen enthält das nachfolgende Vorwort der 6. Auflage (2008). Das Buch richtet sich an Studenten und praktizierende Ingenieure des Maschinenbaus, der Fahrzeugtechnik, der Produktions- und Anlagentechnik und der Luft- und Raumfahrt. Die 7. Auflage wurde mit allen Bildern, Tafeln, Texten und Anhängen vom Zweitautor komplett durchgearbeitet, aktualisiert und neu gesetzt. Die Texte wurden formal gestrafft zu Gunsten etwas größerer, noch besserer Bilder. Eine ausgefeilte, anschauliche Darstellung der physikalischen Zusammenhänge blieb ein bedeutendes Ziel. Inhaltlich wurde in Kapitel 1 die Analogie Elektrik-Hydrostatik vertieft. Die Symbole nach DIN ISO 1219 wurden im ganzen Buch aktualisiert. In Kapitel 2 wurden Kennfelder für die thermodynamische Wirkungsgradmessung an Pumpen und Motoren aufgenommen und die Druckstoßberechnung eingefügt. In Kapitel 3 kamen neueste Erkenntnisse über die Wirkungsgrade von Großwinkelmaschinen sowie die Beschreibung einer neuen, sehr geräuscharmen Zahnradpumpe hinzu. Während die Kapitel 4 und 5 viele kleine Detailverbesserungen erfuhren, wurde in Kapitel 6 wegen der Neufassung der DIN 2413 die Festigkeitsberechnung von Rohrleitungen neu gestaltet. Die Kapitel 7 und 8 enthalten zahlreiche Detailverbesserungen, auch zu relevanten elektrotechnischen Fortschritten. In Kapitel 9 kam ein neuer Abschnitt über hydrostatische Lager und ein neues Kapitel über energiesparende Rekuperation mit hydraulischen Speichersystemen dazu. Die Literaturangaben und Kurzaufgaben wurden entsprechend angepasst. 5 Die Verfasser danken dem Lektorat des Verlages für die gute Zusammenarbeit insbesondere auch für das Korrekturlesen dieser neu gesetzten 7. Auflage. Braunschweig und München, im Juni 2011 H. J. Matthies und K. Th. Renius

6 VI Vorwort zur 6. Auflage Die Ölhydraulik hat sich zu einer bedeutenden technischen Querschnittsdisziplin entwickelt. Einige mobile Arbeitsmaschinen, wie z. B. Hydraulikbagger, Radlader, Straßenwalzen, Stapler, selbst fahrende landwirtschaftliche Arbeitsmaschinen oder mobile Kommunalmaschinen setzen ihre gesamte Motorleistung hydrostatisch um und betreiben damit sämtliche Maschinenfunktionen. In anderen Fällen arbeiten hydraulische Antriebe und Steuerungen im Verbund mit mechanischen und elektrischen Systemen, wie z. B. bei Straßenfahrzeugen, Baumaschinen, Traktoren, Landmaschinen, Werkzeugmaschinen, Flugzeugen, Sonderfahrzeugen oder bei stationären Anlagen. Die elektronische Steuerung und Regelung hat inzwischen viele Anwendungen der Hydraulik nachhaltig aufgewertet. Die heutige technologische Führungsrolle Deutschlands ist u. a. das Ergebnis von intensiver Forschung und industrieller Entwicklung auf diesem Gebiet. Auch die Ausbildung qualifizierter Ingenieure im Bereich der Ölhydraulik hat ihren Anteil daran. So wurde 1970 vom Erstverfasser dieses Buches an der TU Braunschweig eine Hydraulikvorlesung neu eingerichtet, die auch die Grundlage für die ersten drei Auflagen des Buches bildete hat der Mitverfasser der 4., 5. und vorliegenden 6. Auflage eine Vorlesung über Ölhydraulik an der TU München gestartet, aus der neuere Bausteine einflossen. Beide Verfasser konnten ferner von eigenen Forschungs- und Entwicklungsprojekten der Ölhydraulik profitieren. Wie bereits bei der ersten Auflage wurde auch bei der Weiterentwicklung des Buches besonderer Wert auf didaktische Gesichtspunkte gelegt. Trotz wissenschaftlicher Aktualisierung und Vertiefung blieb die Lesbarkeit und Übersichtlichkeit ein wichtiges Ziel. Alle Buchkapitel wurden in der 4. Auflage grundlegend überarbeitet und mit wesentlich erweiterten Literaturangaben versehen. Neu aufgenommen bzw. erheblich weiterentwikkelt wurden in den Auflagen 4 bis 6 vor allem folgende Gebiete: Neuere Historie Vergleich Hydraulik Elektrotechnik Normungswesen Bio-Öle neue Verdrängermaschinen aktuelle Kennlinien und Kennfelder hydraulische Brückenschaltungen neue Grundordnung der Kreislaufsysteme Sensoren regelungstechnische Grundlagen Daten-BUS geräuscharme Hydraulik neue hydrostatische Getriebe (auch leistungsverzweigt) Überlagerungslenkung bei Raupenfahrzeugen Antiblockiersysteme hydropneumatische Federung Flugzeughydraulik Produktplanung 110 neue Kurzaufgaben erweiterte Rechenbeispiele laufend aktualisierte Literaturangaben. Zu den ersten beiden Auflagen des Buches haben die damaligen Mitarbeiter des Erstverfassers, die Herren O. Böinghoff, H. Esders, W. Friedrichsen, H.-H. Harms, D. Hoffmann, M. Kahrs, B. Link und J. Möller beigetragen. Bei der 4. bis 6. Auflage unterstützte uns Herr G. Anthuber (TU München), der vor allem den kompletten Umbruch druckreif produzierte und dem wir für seinen großen Einsatz besonders danken. Braunschweig und München, im März 2008 H. J. Matthies und K. Th. Renius

7 VII Geleitwort zur 7. Auflage In den vergangenen Jahren hat sich der Technologiewandel enorm beschleunigt und die Rahmenbedingungen für den Maschinenbau verändert. Bei mobilen Arbeitsmaschinen erfordern die neuen Emissionsgrenzen nach TIER4 Final völlig neue Systemansätze für die Mobilhydraulik. Bei industriellen Anwendungen im Anlagenbau und der Fabrikautomation fordern immer mehr Anwender eine höhere Energieeffizienz, um ihre CO 2 -Emission zu verringern. Gleichzeitig erwarten sie, dass sich die Hydraulik nahtlos in die Systemarchitekturen der Maschinen einfügt und den gleichen Bedienkomfort wie elektrische Antriebe bietet. Für die Ölhydraulik entstehen mit diesem beschleunigten Wandel Risiken aber auch Chancen. Denn die Hydraulik bietet nach wie vor eine einzigartige Kraftdichte und Kompaktheit. Aktuell verbinden immer mehr innovative Systemlösungen diese Stärken mit den veränderten Anforderungen. Im Mobilbereich eröffnet die digitale Vernetzung der Dieselmotor- mit der Hydrauliksteuerung erstmals Möglichkeiten, die neuen Emissionsgrenzen bei mindestens gewohnter Leistung zu erreichen. Hydraulische Hybridantriebe für schwere Fahrzeuge senken im Kurzstreckenbetrieb den Kraftstoffverbrauch um bis zu 25 Prozent. In industriellen Anwendungen erschließen drehzahlvariable Pumpenantriebe Energieeinsparungen von bis zu 80 Prozent. Aus der Drehzahl der Pumpenantriebe heraus gesteuerte hydraulische Bewegungen vereinfachen die hydraulische Schaltung und verbinden die Vorteile der Elektrik mit der Hydraulik. In der Steuerungssoftware integriertes Hydraulik-Know-how vereinfacht die Einbindung der Fluidtechnologie in Maschinen. Die Richtung stimmt: Die Hydraulik zeigt aktuell, dass sie mit innovativen Lösungen Antworten auf veränderte Marktanforderungen geben kann. Die Voraussetzung dafür ist eine technologieübergreifende Entwicklungsarbeit. Gerade weil zunehmend Software bislang mechanisch gelöste Aufgaben übernimmt, wächst der Bedarf an einem tiefen physikalischen Verständnis für die Hydraulik. Dieses Buch leistet einen wichtigen Beitrag, die Basis dafür zu legen. Es vermittelt anschaulich die Funktionsweise und Vorteile der Hydraulik. Darüber hinaus zeigt es wichtige Ansätze, die Energieeffizienz und die Einbindung der Hydraulik in Steuerungssysteme zu verbessern. Hier besteht auch in Zukunft ein weites Feld für Innovationen und spannende Ingenieuraufgaben. Dr.-Ing. Karl Tragl, Vorstandsvorsitzender Bosch Rexroth AG

8 VIII Inhalt 1 Einführung 1.1Begriffe Aufbau und Funktion ölhydraulischer Antriebe Technische Eigenschaften ölhydraulischer Antriebe Grundlegende Eigenschaften Systemeigenschaften ölhydraulischer und elektrischer Antriebe Physikalische Analogien Ölhydraulik Elektrik Historische und wirtschaftliche Entwicklung der Ölhydraulik Normung in der Ölhydraulik Normungsziele Trend zu internationalen Normen Grafische Symbole für Schaltpläne...12 Literaturverzeichnis Physikalische Grundlagen ölhydraulischer Systeme 2.1 Grundlagen über Druckflüssigkeiten Aufgaben und Anforderungen Arten und Stoffdaten Physikalisches Verhalten Viskositätsverhalten Dichte-Verhalten Temperaturverhalten bei adiabater Druckänderung Luftaufnahmevermögen Grundlagen aus der Hydrostatik Hydrostatisches Verhalten von Flüssigkeiten Energiewandlung mit Kolben und Zylinder Energiewandlung mit rotierendem Verdränger Grundlagen aus der Hydrodynamik Kontinuitätsgleichung Bernoulli sche Bewegungsgleichung Druckverlust in Rohrleitungen Grundlegende Betrachtungen Laminare Rohrströmung Turbulente Rohrströmung Druckverlust in Krümmern und Leitungselementen Strömungsmechanik hydraulischer Widerstände Leckölverlust durch Spalte Kraftwirkung strömender Flüssigkeiten, Druckstöße TragendeÖlfilme...51 Literaturverzeichnis...54

9 3 Energiewandler für stetige Bewegung (Hydropumpen und -motoren) 3.1 Axialkolbenmaschinen Schrägachsenmaschinen Schrägscheibenmaschinen Taumelscheibenmaschinen Berechnung der Axialkolbenmaschinen Radialkolbenmaschinen Maschinen mit Außenabstützung Maschinen mit Innenabstützung Berechnung von Radialkolbenmaschinen Zahnrad-undZahnringmaschinen Außenzahnradmaschinen Innenzahnradmaschinen Zahnringmaschinen Berechnung von Zahnrad- und Zahnringmaschinen Flügelzellenmaschinen Einhubige Maschinen Mehrhubige Maschinen Berechnung von Flügelzellenmaschinen Sperr-undRollflügelmaschinen Sperrflügelmaschinen Rollflügelmaschinen Berechnung von Sperr- und Rollflügelmaschinen Schraubenmaschinen ÜbersichtzurAuswahlvonVerdrängermaschinen Betriebsverhalten von Verdrängermaschinen Wirkungsgrade und Kennlinienfelder Förderstrom- und Druckpulsation Pulsationsdämpfung...91 Literaturverzeichnis Energiewandler für absätzige Bewegung (Hydrozylinder, Schwenkmotoren) 4.1EinfachwirkendeZylinder Plunger- oder Tauchkolbenzylinder Normaler einfach wirkender Zylinder Mehrfach- oder Teleskopzylinder Doppelt wirkende Zylinder Zylinder mit einseitiger Kolbenstange (Differenzialzylinder) Zylinder mit zweiseitiger Kolbenstange (Gleichlaufzylinder) EndlagendämpfungundEinbauvonHydrozylindern Endlagendämpfung Einbau von Hydrozylindern IX

10 X 4.4 Schwenkmotoren Schwenkmotoren mit mechanischer Übersetzung Schwenkmotoren mit direkter Beaufschlagung Literaturverzeichnis Geräte zur Energiesteuerung und -regelung (Ventile) 5.1 Betätigungsmittel für Ventile Übersicht Schaltende elektromechanische Wandler Proportional wirkende elektromechanische Wandler Geschichtliche Entwicklung Torque-Motoren Tauchspulen Proportionalmagnete Piezo-Aktoren Wegeventile (WV) Konstruktive Gestaltung des mechanischen Kernbereiches Nicht drosselnde Wegeventile einschließlich Ansteuerung Direkt betätigte nicht drosselnde Wegeventile Über Vorsteuerventil betätigte nicht drosselnde Wegeventile Drosselnde Wegeventile Mechanisch betätigte drosselnde Wegeventile Elektromechanisch betätigte Proportional-Wegeventile Betriebsverhalten von Wegeventilen Druckabfall in Wegeventilen Statisches u. dyn. Verhalten von prop. wirkenden Wegeventilen Sperrventile (SPV) Einfache Rückschlagventile (RÜV) Entsperrbare Rückschlagventile (RÜV) Drosselrückschlagventile (DRÜV) Druckventile (DV) Druckbegrenzungsventile (DBV) Druckverhältnisventile (DVV) Folgeventile (FV) Druckregel- oder Druckreduzierventile (DRV) Differenzdruckregelventile (DDRV) Kombinierte Druckventile Proportional-Druckventile (PDV) Betriebsverhalten von Druckventilen Stromventile (STV) Drosselventile (DROV) Stromregelventile (STRV) Stromteilventile (STTV) Proportional-Stromventile (PSTV) Betriebsverhalten von Stromventilen

11 5.6 2-Wege-Einbauventile (2-W-EBV) Ventilanschlüsse und Verknüpfungsarten Literaturverzeichnis Elemente und Geräte zur Energieübertragung 6.1Verbindungselemente Rohr- und Schlauchleitungen Rohr- und Schlauchverbindungen Dichtungen Statische Dichtungen Dynamische Dichtungen Betriebsverhalten von Dichtungen Ölbehälter Anforderungen Offene Ölbehälter Geschlossene Ölbehälter Filter Verschmutzungsbewertung, Filterfeinheit, Anforderungen Filterelemente Filteranordnung, Filterbauarten, Betriebsverhalten Hydrospeicher Aufgaben und Anforderungen Speicherbauarten und Faustwerte Berechnung von Speichern Sicherheitsbestimmungen Wärmetauscher Heizer (Vorwärmer) Kühler Schalt-undMessgeräte,Sensoren Literaturverzeichnis Steuerung und Regelung hydrostatischer Antriebe 7.1Bedeutung,Begriffe,Vorteile Übertragungsverhalten von Elementen und Systemen MethodenzurVeränderungdesVolumenstroms Geschaltete parallele Konstantpumpen Konstantpumpen mit Drosselsteuerungen Konstantpumpen mit stufenlos verstellbarem Antrieb Verstellpumpen SteuerungmitVerstellpumpen Grundlagen Steuerungsarten XI

12 XII 7.5 Regelung mit Verstellpumpen Grundlagen Regelungsarten Druckregelungen Volumenstromregelungen Leistungsregelungen Kombinierte Regelungen Steuerung und Regelung mit Verstellmotoren Literaturverzeichnis Planung, Berechnung und Betrieb hydraulischer Anlagen 8.1Grundschaltpläne Elementare Grundfragen der Schaltungstechnik Grundordnung der Kreislaufsysteme Systemvergleich für drei Kreislaufsysteme Weitere Grundschaltpläne Grundschaltpläne für einzelne Verbraucher Grundschaltpläne für mehrere Verbraucher Anlagenplanung und Berechnungsbeispiele Konzept- und Entwurfsphase Typische Arbeitsdrücke der Ölhydraulik Funktionsdiagramme und Berechnungsbeispiele Wärmetechnische Auslegung Thermodynamische Grundlagen Erwärmungsverlauf mit Berechnungsbeispiel ÜberlegungenzumBaugeräuscharmerAnlagen Literaturverzeichnis Anwendungsbeispiele 9.1StufenlosehydrostatischeGetriebe Direkte stufenlose hydrostatische Fahrantriebe Stufenlose hydrostatische Fahrantriebe mit Leistungsverzweigung HydrostatischeHilfskraftlenkungen HydraulikinmobilenArbeitsmaschinen HydraulikinStraßenfahrzeugen HydraulikingroßenFlugzeugen HydraulikinstationärenMaschinen HydraulikfürenergiesparendeRekuperation Literaturverzeichnis Kurzaufgaben NamenslistezudenneunLiteraturverzeichnissen Sachwortverzeichnis...285

13 XIII Zusammenstellung der wichtigsten Formelzeichen Zeichen.. Bedeutung.... Einheiten A, A 1,A 2,A 3... Fläche, Kolben-, Kolbenring-, Kolbenstangenfläche.... m 2 b..... Breite, Konstante (Viskositäts-Temperatur-Verhalten)... m, K C..... Wärmespeichervermögen... kj/k c..... Konstante (VT-Verhalten), Federrate..... K, N/m c, c p.... Spezifische Wärmekapazität...kJ/(kg, K) D.... Außendurchmesser. m D.... Dämpfung.... d..... Durchmesser, Innendurchmesser.... m e.... Exzentrizität.... m F..... Kraft.... N f.. Frequenz, Pulsationsfrequenz.... s -1 g.. Erdbeschleunigung..... m/s 2 h... Abstand, Spalthöhe, Zahnhöhe usw.... m I, I N.... Strom, Nennstrom.... A K... Kompressionsmodul... Pa = N/m 2 ; bar* k..... Konstante (Viskositäts-Temp.-Verhalten).... Pa s = Ns/m 2 k s,k t,k x.. Druckverlust-Faktoren l... Länge, Rohrlänge... m M...Drehmoment.... Nm m.... Masse, Richtungskonstante (Ölviskosität).... kg, n..... Drehzahl, Polytropenexponent.... s -1,min -1, P..... Leistung..... W, kw p, p 0 p B..... Druck, atmosphärischer Druck, Berstdruck... Pa = N/m 2 ;bar p..... mittlere Flächenpressung... Pa = N/m 2 ;bar Q.... Volumenstrom.... m 3 /s R.... Lagerradius, Krümmungsradius. m Re... Reynolds sche Zahl..... R m..... Zugfestigkeit, Bruchfestigkeit (Rohre).. N/mm 2 r.. Radius, Wellenradius. m S..... Wärmeabgabevermögen.. kw/k s...weg, Steigung, Wanddicke.... m t... Zeit... s T..... absolute Temperatur bzw. Temperaturdifferenz.... K U... Innere Energie..... W s, kw s V.... Volumen, Verdrängungsvolumen. m 3 v... Geschwindigkeit, mittlere Geschwindigkeit.... m/s W... Arbeit... W s, kw s z... Kolbenzahl * 1 bar = 10 5 Pa (Pascal) = 10 5 N/m 2,1MPa= 10 bar

14 XIV Zeichen... Bedeutung Einheiten α. Wärmeübergangskoeffizient... W/(m 2 K), kw/(m 2 K) α. Bunsen scher Losungskoeffizient... α. Viskositäts-Druckkoeffizient Pa -1 ;bar -1 α. Durchflusszahl.... β. lin. Wärmeausdehnungskoeffizient, Filterkennwert.... K -1, γ.... Wärmeausdehnungskoeffizient.... K -1 δ..... Ungleichförmigkeitsgrad.... δ. Spalthöhe m η. Dynamische Viskosität.... Pa s =N s/m 2 η. Wirkungsgrad.. ϑ. Temperatur... K, C κ.. Isentropenexponent..... κ.. Kompressibilität.... Pa -1 ;bar -1 λ... Wärmeleitkoeffizient. W/(m K), kw/(m K) λ R.... Rohrwiderstandsbeiwert..... μ... Reibungszahl... ν kinematische Viskosität.... m 2 /s ζ. Widerstandsbeiwert.... ρ.. Dichte kg/m 3 σ, σ... Spannung, Bruchspannung N/mm 2 τ.. Schubspannung durch Scherung N/m 2 = Pa τ.. Zeitkonstante... s ψ. Relatives Lagerspiel... ω. Winkelgeschwindigkeit, Eigenfrequenz s -1 Indices 1 Antrieb 2 Abtrieb A Arbeitsgang, Ausgang Anl... Anlage Betr Betrieb D Drossel eff.. effektiv E... Eilgang, Eingang ges. Gesamt HD. Hochdruck hm.. hydraulisch-mechanisch k, K... Kolben Kühl... Kühler L... Lecköl, Last M... Motor n. normal ND. Niederdruck P. Pumpe q. quer Sa... Schrägachsen-Bauweise Ss... Schrägscheiben-Bauweise t... tangential th verlustlos Ts... Taumelscheiben-Bauweise Umg... Umgebung v... Verlust vol.. volumetrisch wä... Wärme