Hans Jürgen Matthies Karl Theodor Renius. Einführung in die Ölhydraulik

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2 Hans Jürgen Matthies Karl Theodor Renius Einführung in die Ölhydraulik

3 Hans Jürgen Matthies Karl Theodor Renius Einführung in die Ölhydraulik 6., aktualisierte 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 , aktualisierte und erweiterte Auflage 2008 Alle Rechte vorbehalten Vieweg+Teubner Verlag GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2008 Lektorat: Harald Wollstadt Der Vieweg+Teubner Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen 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: Strauss Offsetdruck, Mörlenbach Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN

5 Vorwort 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 weiterentwickelt 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

6 Inhalt 1 Einführung 1.1 Begriffe Aufbau und Funktion ölhydraulischer Antriebe Technische Eigenschaften ölhydraulischer Antriebe Grundlegende Eigenschaften Systemeigenschaften ölhydraulischer und elektrischer Antriebe Physikalische Analogien Ölhydraulik Elektrik Historie und wirtschaftliche Entwicklung der Ölhydraulik Normung in der Ölhydraulik Normungsziele Trend zu internationalen Normen Grafische Symbole für Schaltpläne...22 Literaturverzeichnis zu Kapitel 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 Tragende Ölfilme Literaturverzeichnis zu Kapitel

7 5 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- und Zahnringmaschinen Außenzahnradmaschinen Innenzahnradmaschinen Zahnringmaschinen Berechnung von Zahnrad- und Zahnringmaschinen Flügelzellenmaschinen Einhubige Maschinen Mehrhubige Maschinen Berechnung von Flügelzellenmaschinen Sperr- und Rollflügelmaschinen Sperrflügelmaschinen Rollflügelmaschinen Berechnung von Sperr- und Rollflügelmaschinen Schraubenmaschinen Übersicht zur Auswahl von Verdrängermaschinen Betriebsverhalten von Verdrängermaschinen Wirkungsgrade und Kennlinienfelder Förderstrom- und Druckpulsation Pulsationsdämpfung Literaturverzeichnis zu Kapitel Energiewandler für absätzige Bewegung (Hydrozylinder, Schwenkmotoren) 4.1 Einfachwirkende Zylinder Plunger- oder Tauchkolbenzylinder Normaler einfachwirkender Zylinder Mehrfach- oder Teleskopzylinder Doppeltwirkende Zylinder Zylinder mit einseitiger Kolbenstange (Differenzialzylinder) Zylinder mit zweiseitiger Kolbenstange (Gleichlaufzylinder) Endlagendämpfung und Einbau von Hydrozylindern Endlagendämpfung Einbau von Hydrozylindern...113

8 6 4.4 Schwenkmotoren Schwenkmotoren mit mechanischer Übersetzung Schwenkmotoren mit direkter Beaufschlagung Literaturverzeichnis zu Kapitel 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 und dynamisches Verhalten von proportional 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...156

9 Wege-Einbauventile (2-W-EBV) Ventilanschlüsse und Verknüpfungsarten Literaturverzeichnis zu Kapitel Elemente und Geräte zur Energieübertragung 6.1 Verbindungselemente 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- und Messgeräte, Sensoren Literaturverzeichnis zu Kapitel Steuerung und Regelung hydrostatischer Antriebe 7.1 Bedeutung, Begriffe, Vorteile Übertragungsverhalten von Elementen und Systemen Methoden zur Veränderung des Volumenstroms Geschaltete parallele Konstantpumpen Konstantpumpen mit Drosselsteuerungen Konstantpumpen mit stufenlos verstellbarem Antrieb Verstellpumpen Steuerung mit Verstellpumpen Grundlagen Steuerungsarten...204

10 8 7.5 Regelung mit Verstellpumpen Grundlagen Regelungsarten Druckregelungen Volumenstromregelungen Leistungsregelungen Kombinierte Regelungen Steuerung und Regelung mit Verstellmotoren Literaturverzeichnis zu Kapitel Planung, Berechnung und Betrieb hydraulischer Anlagen 8.1 Grundschaltpläne 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 Überlegungen zum Bau geräuscharmer Anlagen Literaturverzeichnis zu Kapitel Anwendungsbeispiele 9.1 Stufenlose hydrostatische Getriebe Direkte stufenlose hydrostatische Fahrantriebe Stufenlose hydrostatische Fahrantriebe mit Leistungsverzweigung Hydrostatische Hilfskraftlenkungen Hydraulik in mobilen Arbeitsmaschinen Hydraulik in Straßenfahrzeugen Hydraulik in großen Flugzeugen Hydraulik in stationären Maschinen Literaturverzeichnis zu Kapitel Kurzaufgaben Namensliste zu den neun Literaturverzeichnissen Sachverzeichnis...295

11 Zusammenstellung der wichtigsten Formelzeichen Zeichen Bedeutung Einheiten A, A 1, A 2, A 3 Fläche, Kolben-, Kolbenring-, Kolbenstangenfläche m 2 b Breite m b Konstante (Viskositäts-Temperatur-Verhalten) 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-Temperatur-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, m Massenstrom kg/s n Drehzahl s -1, min -1 n Polytropenexponent P Leistung W, kw p, p 0 Druck, Atmosphärischer Druck 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 m S Wärmeabgabevermögen kw/k So Sommerfeldzahl s Weg, Steigung, Wanddicke m t Zeit s T absolute Temperatur bzw. Temperaturdifferenz K U Innere Energie kw s V Volumen, Verdrängungsvolumen m 3 * 1 bar = 10 5 Pa = 10 5 N/m 2 ; Pa: Pascal

12 10 Zeichen Bedeutung Einheiten v Geschwindigkeit, mittlere Geschwindigkeit m/s W Arbeit kw s z Kolbenzahl α Wärmeübergangskoeffizient kw/ (m 2 K) α Bunsen scher Losungskoeffizient α Viskositäts-Druckkoeffizient Pa -1 ; bar -1 α Durchflusszahl β linearer Wärmeausdehnungskoeffizient K -1 γ Wärmeausdehnungskoeffizient K -1 δ Ungleichförmigkeitsgrad δ Spalthöhe m η Dynamische Viskosität Pa s = Ns/m 2 η Wirkungsgrad ϑ Temperatur K, C κ Isentropenexponent κ Kompressibilität Pa -1 ; bar -1 λ Wärmeleitkoeffizient kw/(m K) λ R Rohrwiderstandsbeiwert μ Reibungszahl ν kinematische Viskosität m 2 /s ζ Widerstandsbeiwert ρ Dichte kg/m 3 σ, σ Β Spannung, Bruchspannung N/mm 2 τ Reibungsschubspannung N/m 2 =Pa τ Zeitkonstante s ψ Relatives Lagerspiel ω Winkelgeschwindigkeit, Eigenfrequenz s -1 Indices Anl Anlage M Motor 1 Antrieb n normal 2 Abtrieb ND Niederdruck A Arbeitsgang, Ausgang P Pumpe Betr Betrieb q quer D Drossel Sa Schrägachsen-Bauweise eff effektiv Ss Schrägscheiben-Bauweise E Eilgang, Eingang t tangential ges Gesamt... th verlustlos HD Hochdruck Ts Taumelscheiben-Bauweise hm hydraul.-mech. Umg Umgebung k, K Kolben v Verlust Kühl Kühler vol volumetrisch L Lecköl, Last wä Wärme

13 1 Einführung 1.1 Begriffe Die Hydraulik war im ursprünglichen, umfassenden Sinn die Wissenschaft von der Bewegung der strömenden Flüssigkeiten, insbesondere des Wassers, dessen griechischer Name Hydor ist. Da man als Mittel für den Betrieb von hydraulischen Maschinen, wie beispielsweise von hydraulischen Pressen [1.1], seit Beginn des 20. Jahrhunderts nicht mehr Wasser, sondern das gegen Korrosion schützende und gleichzeitig schmierende Mineralöl benutzte, hat sich der Begriff Ölhydraulik gebildet. Die Ölhydraulik befasst sich mit der hydrostatischen Energie- und Signalübertragung in Maschinen und Anlagen. Während beim hydrodynamischen Antrieb die von einem Pumpenrad erzeugte Strömungsenergie des Öls auf ein Turbinenrad übertragen wird, Bild 1.1, ist der hydrostatische Antrieb nach Bild 1.2 dadurch gekennzeichnet, dass hier eine mechanisch angetriebene Pumpe einen hydrostatischen Ölstrom erzeugt, der in einem Zylinder oder in einem Hydromotor wieder in mechanische Energie umgewandelt wird. Entscheidend ist hier das Prinzip der Verschiebung ( Verdrängung ) eines Ölvolumens unter relativ hohem Druck. Hydropumpen und -motoren werden daher auch als Verdrängermaschinen bezeichnet (Gegensatz: Strömungsmaschinen ). Hydrodynamische Antriebe sind vor allem in Form des bekannten Föttinger-Wandlers (Drehzahl- und Dreh- Bild 1.1: Hydrodynamischer Antrieb, Energieübertragung durch Massenwirkung (Größen siehe 1.2) Bild 1.2: Ölhydrostatischer Antrieb, Energieübertragung durch Verdrängungswirkung (Größen siehe 1.2)

14 12 1 Einführung momentwandlung, große Stückzahlen für PKW-Getriebe [1.2]) oder in Form der Flüssigkeitskupplung (nur Drehzahlwandlung, mäßige Stückzahlen) unentbehrlich. Beide Antriebsarten werden seit Jahrzehnten nicht zur Ölhydraulik gerechnet, ablesbar z.b. an der Einleitung zu DIN ISO (Stand 1996): In fluidtechnischen Anlagen wird Energie durch ein unter Druck stehendes Medium (flüssig oder gasförmig) innerhalb eines Kreislaufes übertragen und gesteuert oder geregelt. Dieses Buch schließt gasförmige Übertragungsmedien, d.h. die Pneumatik aus. 1.2 Aufbau und Funktion ölhydraulischer Antriebe Die Bestandteile und das grundsätzliche Zusammenwirken der einzelnen Baugruppen eines hydraulischen Antriebes zeigt Bild 1.3. Der hydrostatische Teil besteht danach aus der Hydropumpe als dem Druckölerzeuger und dem Hydrozylinder oder dem Hydromotor als dem Druckölverbraucher. Dazwischen befinden sich die Ölleitungen, die Steuerventile und das sonstige Hydraulikzubehör, wie Filter, Kühler, Speicher und dergleichen. Als Antriebsmaschine wird in der Regel ein Elektro- oder ein Verbrennungsmotor verwendet; er treibt die Pumpe mit dem Drehmoment M 1 und der Drehzahl n 1 an und liefert damit die mechanische Leistung Pmech = M1 ω1 = 2π M1 n1 (1.1) Die Hydropumpe liefert infolge von Verlusten die etwas kleinere hydraulische Leistung Phydr. = p Q (1.2) mit p als Druckanstieg und Q als Volumenstrom. Häufig ergibt sich p rückwirkend aus der Belastung der Arbeitsmaschine ( Lastprozess, Lastdruck ). Der druckbeladene Ölstrom gelangt über Leitungen und Steuerventile in den Hydrozylinder oder in den Hydromotor, wo die hydraulische Leistung wieder in die von der Arbeitsmaschine benötigte mechanische Leistung umgewandelt wird. Letztere wird für den Hydrozylinder aus der Kolbenkraft F und der Kolbengeschwindigkeit v ermittelt: Bild 1.3: Blockschaubild zur Leistungsübertragung in Hydraulikanlagen

15 1 Einführung 13 Pmech = F V (1.3) Für den Hydromotor ergibt sich mit dessen Abtriebsdaten die abgegebene Leistung: P mech =2π M 2 n 2 (1.4) Die schematisierte technische Ausführung und die Darstellung des Antriebes mit Hilfe von genormten Symbolen (siehe Kap ) ist für einen Hydrozylinder in Bild 1.4 wiedergegeben. Verwendet werden hier eine sogenannte Konstantpumpe, d. h. eine Pumpe mit konstantem Verdrängungsvolumen (konstantes Fördervolumen je Pumpenumdrehung, auch Hubvolumen genannt) und ein so genannter doppelt wirkender Zylinder. Die Pumpe saugt das Öl aus dem Ölbehälter und liefert den Volumenstrom Q unter dem Druck p an den Zylinder. Die weiteren Aussagen gelten der Einfachheit halber für eine Vernachlässigung von Reibungs- und Leckölverlusten. Bild 1.4: Antrieb eines Hydrozylinders