Energiesparende Hydraulikantriebe

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1 Energiesparende Hydraulikantriebe Wirtschaftliche Bedeutung der luidtechnik VDA Zahlen für die deutsche Wirtschaft Pneumatik Hydraulik aschinenbau Dr.-Ing. Johann odewyks 1

2 Antriebstechnik im Vergleich Kriterium Hydraulik luidtechnik Pneumatik Elektrotechnik echanik eistungsbereich [ W ] * * 1 5 * Getriebe Beispiel otor eistungsgewicht [ W / kg ] Übertragungsreichweite [ m ] * Inestitionskosten gering Vorteile der Stationärhydraulik Ölhydraulik Hohe Kraftdichte anglebigkeit Zuerlässigkeit Einfacher Überlastschutz Gute Steuerbarkeit Einfache inearbewegung Einfache Getriebefunktion Dr.-Ing. Johann odewyks 2

3 Vorteile der obilhydraulik Ölhydraulik Geringes Gewicht Geringer Bauraum Aufgelöste Bauform Zuerlässigkeit Einfacher Überlastschutz Gute Steuerbarkeit Einfache inearbewegung Einfache Getriebefunktion Aufbau eines klassischen Hydraulikantriebes Hydromotor oder V Zylinder als leichte und robuste Antriebe Vierkanten Widerstandssteuerung direkt am Zylinder für gutes olge- und Störerhalten im Regelkreis p A Z s Konstantpumpe mit DBV für stabilen Versorgungsdruck p Dr.-Ing. Johann odewyks 3

4 Gesamtwirkungsgrad Hydromotor Gesamtwirkungsgrad eines Axialkolben- Schrägachsen otors 42 [ bar ] 28 Druck 14 Wirkungsgrad 94 % 93 % 9 % 84 % 74 % [ % ] 1 Drehzahl / Nenndrehzahl Gesamtwirkungsgrad Asynchronmotor Gesamtwirkungsgrad eines Asynchronmotors WEG Dr.-Ing. Johann odewyks 4

5 Reibkrafterluste am Zylinder astkräfte x Richtung Reibung bei Knickung y Richtung Reibung durch Reaktionsmoment z Richtung Reibung durch Reaktionsmoment x Gelenkkopf Winkel = +/- 6 y Vermeidung durch ührung der ast oder Gelenkkopf z inearisiertes Kennlinienfeld Im Arbeitspunkt A p linearisierter astolumenstrom Q V Qy y V Qp p Kennlinienfeld Durchflusserstärkung Q Q p VQy 1 y y yp y p p pp hydraulischer eitwert V Qp Q p p p p yyp 1 2 Druckerstärkung V py p y yyp Q Qp max Q p p p 2 y y y max p 1 p Q Q 1 astolumenstrom p p 1 A p y y max 1 Dr.-Ing. Johann odewyks 5

6 Energiebilanz der Drosselsteuerung Nutzleistung normierter astolumenstrom Wirkungsgrad P 2 1 Q p Q P [ % ] Ventil Drosselerluste [ % ] K Qopt P 14 7 V Q p ~ p ~ Q 12 P 6 Pumpenleistung und D 1 5 Wirkungsgrad 8 P Q p 4 Konstantpumpe P K Q p 2 P Q p 1 V P Q p K P p am Ventil p astdruck K Q p 1/3 p Druck 2/3 p p p p p p p p A B p p T s Volumenstrom im Q opt [ l/min ] optimalen Arbeitspunkt Versorgungsdruck p [ bar ] Energiebilanz des Seroantriebes Vierquadranten Arbeitsbereich zwei richtungsabhängige Grössen (, ) Hydraulische Grössen astdruck und astolumenstrom p p p sign( s) Q QA Q s B p p T A Q Problem Drosselung treibender asten B Geschwindigkeit Q (+) p (-) Zugkraft Nutzleistung Energiebilanz einfahren ausfahren astolumenstrom Q Q (+) p (+) Druckkraft astkraft Verlustleistungastdruck p Q (-) Q (-) p (-) p (+) Dr.-Ing. Johann odewyks 6

7 Aufbau eines Hydraulikantriebes Wirkungsgrade hydraulisch-mechanisch 94 % olumetrisch 95 % V hydraulisch-mechanisch 95 % olumetrisch 99 % A Z hydraulisch-mechanisch 35 % olumetrisch 99 % p s hydraulisch-mechanisch 94 % olumetrisch 95 % eistungsbedarf on aschinen Netzleistung einer Bearbeitungsorganges eistung P [ kw ] Anfahren Eilgang aximalleistung der Druckersorgung Verlustleistung Prozessleistung Hauptantriebe Hilfsantriebe Bearbeitung astgang Rückzug Eilgang Zeit t [ s ] Dr.-Ing. Johann odewyks 7

8 Zusammenfassung Probleme ösungen V Drosselung treibender asten 1> Energierückgewinnung Drosselerluste der Steuerkanten 2> Drosselfreie Steuerung A Z s Konstante Hydraulikleistung 3> Bedarfsgerechte eistung p 1> Vergleich Energiespeicherkomponenten Regeneratie Energiespeichermedien - elektrische adung - asse - Gas Idealer Energiespeicher - hohe Energiedichte - hohe eistungsdichte Vergleichswerte - nutzbare Energiedichte des Dieselkraftstoffs - eistungsgewicht des Dieselmotors kurz < Energiedichte [ Wh/kg ] > lang Diesel ,1 Elektrolyt Kondensator,1 1 1 Dieselmotor 1 1 schwer < eistungsdichte [ W/kg ] > leicht Bleibatterie i - Ionen Batterie Schwungrad Super Cap Blasenspeicher Dr.-Ing. Johann odewyks 8

9 1> Hydrostatisches Bremsen Hydrostatischer ahrantrieb Pumpe und otor erstellbar Regeneration 7% der kinetischen Energie Spicer Power Boost Hub Niederdruckspeicher Steuerentile Hochdruckspeicher Quelle: DANA 2> Drosselfreie Steuerung Hydrostatisches Getriebe ein symmetrischer Verbraucher je Pumpe Sekundärregelung Primärregelung Hydrostatischer ahrantrieb Q P soll Verstellmotor am Konstantdrucknetz Konstantdrucknetz n p soll n soll Verstellpumpe mit zwei Verstellmotoren Quelle: Bosch Rexroth Dr.-Ing. Johann odewyks 9

10 2> drosselfreier Differentialzylinderantrieb A A Kraft p A p B V T V A p C Verhältnis der Schluckolumina V V T A 1 V T V A für 1 2 2> Drosselfreie Steuerung Digitalhydraulik Geschwindigkeit Konstantdruck p Kennlinienfeld Wirkungsgraderbesserung im Teillastbereich ohne Drosselerluste Schnellschaltentil Schaltzeit 1.5 ms Dauerfrequenz 1 Hz kurzzeitig 2 Hz Nennolumenstrom 1 5bar integrierte Elektronik Quelle: C Dr.-Ing. Johann odewyks 1

11 2> Drosselfreie Steuerung Elektroreologische lüssigkeiten Viskositätsänderung durch elektromagnetische Kräfte proportional steuerbare Ventile ohne beweglichen Teile Quelle: IAS 3> Bedarfsgerechte eistung Schaltungsbeispiele druckloser Umlauf Speicherladeschaltung Q p oad Sensing Steuerung druck- und förderstromgeregelte Verstellpumpe p DBV p Q p p B V p p max Q Dr.-Ing. Johann odewyks 11

12 3> Bedarfsgerechte Druckersorgung Verstellpumpe mit Druck- und örderstromregelung Verluste der Druckersorgung P V1 p DBV (p p ) (Q p DBV für p < p ist Q DBV = Q Q ) Verluste der Steuerung P V2 B p Q B p p B V p Q p max örderolumen V p [ cm 3 /U ] Volumenstrom Q [ l/min ] Q Druckeinstellung p DBV Druckregelung Q Verlust Nutzleistung p B Verlustleistung eerlaufleistung ast p Q Stromregelung Druck p [ bar ] Hydrauliksteuerung Eckleistung p max Q max Pumpenleistung Betriebspunkt (p +p B ) Q p 2+3> bedarfsgerechte, drosselfreie Steuerung Konstantpumpe mit DC otor Drehzahlgeregelter E-otor Konstantpumpe dezentrale Druckersorgung elektro-hydraulische enkung - eistung 2 kw Einsatz in Gabelstaplern on Jungheinrich Quelle: Weber Hydraulik Dr.-Ing. Johann odewyks 12

13 2+3> Seromotor Pressensteuerung Seromotor Pressensteuerung axial und radial kompensierte Innenzahnrad- Konstantpumpen Bussystem AC Seromotorsteuerung Tank age- oder Druckregelung des Zylinders Nachsaugentil Kontrollierte Kompression und Dekompression Zylinder AC Seromotor AC Seromotor Drehgeber Drehgeber Energierückgewinnung Energielose asthaltung asthalteentil Kraft Geschwindigkeit Weg Positionssensor Quelle: Voith Turbo H+ Hydraulic 2+3> Kosten drehzahlgeregelter Antriebe Kosten frequenzgeregelter E-otor Hydromotor mit Prop.-entil Energiekosten Dr.-Ing. Johann odewyks 13