Gerhard Bauer. Ölhydraulik

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1 Gerhard Bauer Ölhydraulik

2 Aus dem Programm Grundlagen Maschinenbau Elektrotechnik für Maschinenbauer von R. Busch BWL für Ingenieure und Ingenieurinnen von A. Daum, W. Greife und R. Przywara English for Materials Science and Engineering von I. Eisenbach Projektmanagement für technische Projekte von R. Felkai und A. Beiderwieden Technische Berichte von H. Hering und L. Hering Mechanical Engineering von A. Jayendran Englisch für Maschinenbauer von A. Jayendran Chemie von P. Kurzweil und P. Scheipers Physik Formelsammlung herausgegeben von P. Kurzweil Elektrotechnik für Maschinenbauer von H. Linse und R. Fischer

3 Gerhard Bauer Ölhydraulik Grundlagen, Bauelemente, Anwendungen 10., aktualisierte und ergänzte Auflage Mit 213 Abbildungen und 50 Beispielen mit Lösungen 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. Dipl.-Ing. Gerhard Bauer lehrte an der Hochschule Ulm (FH) im Fachbereich Maschinenbau und Fahrzeugtechnik auf den Gebieten Maschinenelemente, Konstruktion und Ölhydraulik. 1. Auflage Auflage Auflage Auflage Auflage Auflage Auflage Auflage Auflage , aktualisierte und ergänzte 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, 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 Technische Redaktion: Stefan Kreickenbaum Druck und buchbinderische Verarbeitung: AZ Druck und Datentechnik, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Printed in Germany ISBN

5 V Vorwort Die Ölhydraulik ist in allen Bereichen des Maschinen-, Fahrzeug-, Anlagen- und auch des Flugzeugbaus wegen ihrer hohen Leistungsdichte, des einfachen Aufbaus hydrostatischer Systeme und ihrer Zuverlässigkeit eine wichtige Technik. Die Möglichkeit unter Verwendung standardisierter Komponenten hydrostatische Systeme selbst zu entwickeln und dabei die räumliche Anordnung der Komponenten freizügig zu gestalten, und nicht zuletzt die Möglichkeit hydraulische Bauelemente wie Ventile und Pumpen mit geringer elektrischer Leistung anzusteuern, hat zu der Bedeutung der Ölhydraulik in der modernen Antriebs- und Steuerungstechnik wesentlich beigetragen. Dieses Lehrbuch entstand aus der Vorlesung Ölhydraulik an der Hochschule Ulm (FH), die für die Studenten der Studiengänge der Fakultät Maschinenbau und Fahrzeugtechnik Pflichtfach ist und Studenten anderer Studiengänge als Wahlfach angeboten wird. Das Lehrbuch, in dem großer Wert auf die grundsätzlichen Dinge gelegt wird, setzt nur Physik- und Mathematikkenntnisse des Grundstudiums voraus. Kenntnisse in Technischer Mechanik, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre werden an wenigen Stellen im selben Umfang erwartet. Die Formelzeichen wurden, bis auf das in der Ölhydraulik übliche Q für den Volumenstrom, nach DIN 1304 gewählt. Als Maßsystem wurde das Internationale Maßsystem (S. I.) zugrunde gelegt. Da jedoch alle Gleichungen als Größengleichungen angegeben sind, können Zahlenrechnungen in jedem Einheitensystem durchgeführt werden. Für die schnelle Berechnung von Strömungsverlusten sind außer den Größengleichungen auch Zahlenwertgleichungen, für die Rechnung mit den in der Praxis meist üblichen Einheiten, aufgestellt worden. Bei den Zahlenwertgleichungen sind die verwendeten Einheiten angegeben. Da bei dem Begriff Ölhydraulik hauptsächlich an die Steuerung der hydraulischen Energie im Leistungsbereich einer Anlage gedacht wird, beschäftigen sich die Kapitel 1 bis 13 mit der hydraulischen Leistung in Form von Druck und Volumenstrom, den Verlusten in einer Hydraulikanlage, den Wirkungsgraden, den Bauelementen, die zur Erzeugung, Steuerung oder Regelung und Ausnutzung der hydraulischen Energie erforderlich sind, sowie den Problemen, die sich aus der Kompressibilität und Trägheit der Hydraulikflüssigkeit ergeben. Es werden die physikalischen Grundlagen und die Bauelemente der Ölhydraulik ausführlich besprochen, da nur bei ihrer genauen Kenntnis eine funktionsgerechte und wirtschaftliche Auslegung ölhydraulischer Systeme möglich wird. Hydraulikschaltpläne werden nicht in ihrer Vielfalt dargestellt, sondern es werden bei der Erläuterung der Ventile deren prinzipielle Anwendungsmöglichkeiten anhand von einigen typischen Hydraulikschaltplänen gezeigt. Zur Vertiefung werden dann in Kapitel 17 Anwendungen der Ölhydraulik anhand von Beispielen aus der Stationär- und Mobilhydraulik erläutert. Die gezeigten Beispiele wurden hauptsächlich nach didaktischen Gesichtspunkten ausgewählt. In Kapitel 14 werden die Merkmale der Widerstands-, der Verdrängersteuerung und des drehzahlvariablen Pumpenantriebs erläutert und darauf hingewiesen, welche Bedeutung dies für die anfallenden Leistungsverluste hat. Die prinzipbedingten Leistungsverluste, die bei konventionellen und neueren Hydrauliksystemen anfallen, werden in Kapitel 15 dargestellt. Damit sollen die Leser für den sparsamen Umgang mit Energie sensibilisiert und auf die Möglichkeiten

6 VI Vorwort aufmerksam gemacht werden, wie in der Ölhydraulik durch entsprechende Systeme Energie gespart werden kann. Mit der Steuerung des Signalflusses, d. h. mit der Auswahl und der Verarbeitung der Signale, die die Geräte im Leistungsbereich im Sinne der gestellten Aufgabe beeinflussen, beschäftigt sich Kapitel 16. Da die Steuerung der Signalflüsse keine spezielle Aufgabe der Ölhydraulik, sondern ein übergeordnetes Problem der Steuer- und Regelungstechnik ist, wird sie nur in einführender Form behandelt. Das Buch enthält außer Beispielen mit ausführlicher Erklärung des Lösungsweges auch noch Übungsaufgaben, deren Lösungen im Anhang zu finden sind. Mit der inhaltlich vollständig überarbeiteten 7. Auflage wurde ein inhaltlich neu geordnetes und erweitertes Buch geschaffen, bei dem durch die Aufnahme weiterer Aufgabenbeispiele auch die Übungsmöglichkeiten verbessert wurden. In der 8. und 9. Auflage wurden Korrekturen und Aktualisierungen vorgenommen. Folgende Abschnitte wurden überarbeitet oder erweitert bzw. neu aufgenommen: Umweltverträgliche Druckflüssigkeiten, hydrostatische Lager, Betriebsgrößen hydrostatischer Pumpen, leistungsverzweigte hydrostatische Getriebe, elektronisches Load-Sensing, Einführung in die Steuerungstechnik der Signalflüsse, Feldbus (CAN-BUS), Anwendungsbeispiele. In der vorliegenden 10. Auflage wurden die Abschnitte über Wasserhydraulik, Filter, Flüssigkeitsbehälter, Axialkolbenpumpen, Sicherheitsbestimmungen bei Hydrospeichern, dynamische Dichtungen, Stick-Slip, drehzahlvariable Pumpenantriebe und Normen und Richtlinien aktualisiert bzw. neu aufgenommen. Zusätzlich erfolgten an einigen Stellen kleinere Korrekturen oder Ergänzungen. Dieses Buch führt Studierende des Maschinenbaus, der Fahrzeugtechnik und verwandter Fachbereiche sowie Interessenten aus der Praxis in ein volkswirtschaftlich bedeutsames Gebiet der Technik ein und gibt ihnen die Grundlagen für weitere Arbeit auf diesem Gebiet. Mein Dank gilt allen Firmen, die durch Überlassung von Bildern und Informationen zum Gelingen des Buches beigetragen haben. Außerdem danke ich Herrn Dipl.-Ing. Thomas Zipsner, dem Technischen Redakteur Stefan Kreickenbaum und Frau Ellen Klabunde vom Lektorat Maschinenbau des Vieweg+Teubner-Verlages für ihre Hinweise zur Gestaltung des Buches und die stets gute Zusammenarbeit. Ulm, im Mai 2011 Gerhard Bauer

7 VII Inhaltsverzeichnis Formelzeichen und Indizes... XIV 1 Einführung Begriffe und Abgrenzung des Sachgebietes Aufbau eines Hydrauliksystems (Hydrosystem) Vor- und Nachteile der Ölhydraulik Benennung, Erklärung und Symbole der Ölhydraulik nach der DIN ISO Symbole für Hydropumpen und Hydromotoren Hydropumpen Hydromotoren Pumpenmotoren Zylinder Druckübersetzer Druckmittelwandler Symbole für Ventile Ventile mit mehreren festgelegten Schaltstellungen Ventile ohne festgelegte Schaltstellungen Ventilbetätigung Kennzeichnung der Anschlüsse Wegeventile Wegeventile mit Proportionalverhalten (stetig verstellbare Ventile) Sperrventile Druckventile Stromventile Symbole für Hydraulikleitungen und Zubehör Leitungen und Behälter Hydrospeicher Filter Vorwärmer Kühler Symbole für Betätigungen Muskelkraftbetätigung Mechanische Betätigung Elektrische Betätigung Druckbetätigung Symbole verschiedener Geräte und Energiequellen Das S.I.-Maßsystem und praktische Berechnungen... 16

8 VIII Inhaltsverzeichnis 2 Physikalische Grundlagen Hydrostatik Hydrodynamik Gleichung von Bernoulli Kontinuitätsgleichung Beschleunigungsdruck Hydraulische Leistung Strömungsverluste (Druckverluste) Reynoldsche Zahl Strömungsverluste in geraden Leitungen Druckverlust bei laminarer Strömung Druckverlust bei turbulenter Strömung Strömungsverluste in Krümmern, Verzweigungen, Erweiterungen, Verengungen (Drosseln) usw Strömungsverluste in Blenden (kurzen Verengungen) Strömungsverlust in Ventilen Druckverlust bei einer anderen Betriebsflüssigkeit Hintereinander- und Parallelschaltung von Ventilen Wirkungsgrad des Leitungs- und Steuerungssystems Die Kompressibilität der Druckflüssigkeit und ihre Auswirkungen Kompressibilitätsfaktor und Kompressionsmodul Auswirkung der Kompressibilität auf die Bewegung eines Arbeitszylinders Bewegungsgenauigkeit Schwingungserscheinungen Druckstöße als Folge von Schaltvorgängen Druckstöße durch schlagartiges Abschließen einer Leitung Druckerhöhung bei langsamem Schließen einer Leitung Anlaufzeit eines Hydromotors oder Zylinders Kraftwirkung eines Flüssigkeitsstromes Kraft eines Flüssigkeitsstrahles auf eine ebene Platte bei stationärer Strömung Kraftwirkung auf einen rotationssymmetrischen Steuerkolben Kraftwirkung auf einen Steuerkolben mit rechteckigen Kanten Strömung in Spalten Spalte mit parallelen Wänden ohne äußeren Druck und Einführung des Viskositätsbegriffs Spalt mit parallelen unbewegten Wänden unter Druck Korrekturen der Spaltformel Exzentrischer Kolben Spalte geringer Breite Kräfte im Spalt Hydrostatisches Lager Kraft, mit der die Spaltwände auseinandergedrückt werden Der Gleitschuh als Grundform des hydrostatischen Lagers... 50

9 Inhaltsverzeichnis IX 3 Druckflüssigkeiten Mineralöle Dichte Kompressibilität Viskosität und Ölauswahl Spezifische Wärme Stockpunkt Flammpunkt Alterung Wasserabscheidevermögen Luftlösevermögen und der Einfluss von Luft in Hydrauliksystemen Schwerentflammbare Druckflüssigkeiten Wasserhaltige Druckflüssigkeiten (HFA, HFB, HFC) Wasserfreie Druckflüssigkeiten (Kennbuchstaben HDF) Umweltverträgliche Druckflüssigkeiten Polyglykole (Kennbuchstaben HEPG) Native (pflanzliche) Öle (HETG) Synthetische Ester (HEES) Pflege und Wechsel der Druckflüssigkeit Filter, Flüssigkeitsbehälter, Wärmeanfall und Kühlung Filter Filteranordnung Bauarten von Filterelementen Oberflächenfilter Tiefenfilter Magnetfilter Flüssigkeitsbehälter Wärmeanfall und Kühlung Verluste in einem Hydraulik-System Erwärmungsvorgang einer ölhydraulischen Anlage Wärmeabgabe über den Ölbehälter und zusätzliche Kühlung Vorwärmer (Heizer) Hydropumpen Berechnungsgrundlagen Förderdruck und Leistung Grundgleichungen ohne Verluste Wirkungsgrade und Grundgleichungen mit Verlusten Saugverhalten Einfluss der Kompressibilität auf den effektiven Förderstrom Ungleichförmigkeitsgrad Bauarten hydrostatischer Pumpen Zahnpumpen Außenzahnradpumpe Innenzahnradpumpe Zahnringpumpe Schraubenspindelpumpe... 85

10 X Inhaltsverzeichnis Flügelpumpen Flügelzellenpumpe (einhubig) Drehflügelpumpe (zweihubige Flügelzellenpumpe) Sperrflügelpumpe Kolbenpumpen Radialkolbenpumpen Axialkolbenpumpen Betriebsgrößen hydrostatischer Pumpen Kennlinien Verstell- und Regeleinrichtungen für Hydropumpen Verstelleinrichtungen Handverstellung Elektromotorische Verstellung Mengen- oder druckabhängige hydraulische Verstellung Mechanisch-hydraulische Verstellung (Folgekolbenprinzip) Elektrohydraulische Verstellung Regeleinrichtungen Leistungsregler Druckregler Stromregler (Förderstromregler) Kombinierte Regelung Servopumpen Motoren Zylinder Bauformen Aufbau eines Zylinders Berechnung eines Hydrozylinders Einfluss der Kompressibilität der Druckflüssigkeit Endlagendämpfung Befestigungsarten Hydromotoren Bauarten Wirkungsgrade und Grundgleichungen mit Verlusten Kompressibilitätseinfluss Schwenkmotoren Kräfte und Momente an Motoren Berechnung von Hydrosystemen (Hydrokreisläufen) Ventile als Steuergeräte und ihre Anwendungen Druckventile Druckbegrenzungsventile (DbV) Direktgesteuertes Druckbegrenzungsventil Indirekt- oder vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil Kennlinie Druckminderventile (Druckregelventile)

11 Inhaltsverzeichnis XI Druckschaltventile Zuschaltventil Abschaltventil Wegeventile (Schaltventile) Wege-Kolbenventile (Schieberventile) Bauformen von Schieberventilen Schaltstellungen und Schaltvorgang Betätigungsarten Schaltungsbeispiele Wege-Sitzventile Sperrventile Rückschlagventile Ferngesteuerte Rückschlagventile Stromventile Kennlinien der Stromventile Steuerungsarten mit Stromventilen Einfache Stromventile (Drosselventile) Stromregelventile Wege-Stromregelventil Wege-Stromregelventil Wege-Einbauventile Beschreibung eines 2-Wege-Einbauventils Steuerung mit 2-Wege-Einbauventilen Stetig verstellbare Ventile (Stetigventile) Elektrohydraulische Servoventile Wirkungsvergleich: Wegeschaltventil Servoventil Aufbau und Bauarten der Servoventile Beispiel eines zweistufigen Servoventils Kennlinien und Auswahl eines Servoventils Dynamisches Verhalten eines Servoventils Das Servoventil im elektrohydraulischen Regelkreis Proportionalventile Proportionalmagnete Proportional-Druckventile Proportional-Wegeventile Auslegung von Steuerungen mit Proportional-Wegeventilen Proportionale Stromregelung (Proportional- Stromventil) Regelventile Hydrospeicher Anwendungsmöglichkeiten Hydrospeicher als sekundäre Energiequelle Hydrospeicher als Notenergiequelle Hydrospeicher für Druckhaltung in abgesperrten Leitungen für Leckölausgleich und für Volumenausgleich bei Druckund Temperaturschwankungen

12 XII Inhaltsverzeichnis Hydrospeicher als Energiequelle für schwingungsfreien hydraulischen Antrieb Hydrospeicher zur Dämpfung von Druckstößen und zur Federung Hydrospeicherbauarten Berechnung des Gas-Hydrospeicher Sicherheitsanforderungen Verbindungselemente und Ventilmontagesysteme Rohrleitungen Rohrverbindungen Schlauchleitungen Ventilmontagesysteme Dichtungen Statische Dichtungen Dynamische Dichtungen Kolbenringe Elastische Dichtungen Stick-Slip oder Ruckgleiten Anwendung von Kennlinien bei der Berechnung von Hydrokreisläufen Kennlinien der Bauelemente eines Hydrokreislaufes Hintereinander- und Parallelschaltung Kennlinie eines Pumpenaggregates Beispiel für das Zusammenwirken Pumpenaggregat Verbraucherkreis Hydrostatische Getriebe Schaltpläne und Wirkungsweise Offener Kreislauf Geschlossener Kreislauf Leistungs-Momentenkennlinie und Berechnung Wandlungsbereich Steuerung im Leistungsbereich Widerstandssteuerung (Ventilsteuerung) Verdrängersteuerung Drehzahlvariabler Pumpenantrieb Prinzipbedingte Leistungsverluste bei Hydrauliksystemen Pumpensteuerung (Pumpenverstellung) Ventilsteuerung mit Stromventilen Wege-Stromregelventil und Konstantpumpe Wege-Stromregelventil und Konstantpumpe Wege-Stromregelventil im Bypass Wege-Stromregelventil und druckgeregelte Verstellpumpe

13 Inhaltsverzeichnis XIII 15.3 Ventilsteuerung mit stetig verstellbaren Wege-Ventilen Load-Sensing-Systeme Load-Sensing-System mit Konstantpumpe Load-Sensing-System mit Verstellpumpe mit Druck-Förderstromregler Elektrohydraulisches Load Sensing Sekundärregelung (Motorsteuerung) Einführung in die Steuerungstechnik der Signalflüsse Die Steuerkette Steuerungsarten nach DIN Steuerungsbeispiele der Ölhydraulik Anwendungsbeispiele der Ölhydraulik Hydraulische Folgesteuerung einer Spann- und Produktionsvorrichtung Vorschubantrieb mit Primärsteuerung Antrieb einer kleineren Oberkolbenpresse Zentrifugenantrieb Antrieb der Spritzeinheit einer Spritzgießmaschine Geschwindigkeitsgeregelter Antrieb einer fliegenden Säge Hydropulsanlage (Servohydraulische Prüfanlage) Hubstaplerantrieb Antrieb eines vollhydraulischen Mobilbaggers Elektronisch geregelter Fahrantrieb eines Kommunalfahrzeuges Hydrostatische Lüfterantriebe für Verbrennungsmotoren Anhang Literaturangaben Normen und Richtlinien (Beispiele) Lösungen zu den Übungsbeispielen Sachwortverzeichnis

14 XIV Formelzeichen und Indizes Die Formelzeichen sind fast ausschließlich nach DIN 1304 gewählt. Die aufgeführten Indizes kennzeichnen meist unmissverständlich die angegebene Zuordnung. Für die Ausnahmefälle werden die mit Indizes versehenen Formelzeichen in der Formelzeichenliste aufgeführt. Nur einmalig benutzte Indizes und Formelzeichen werden hier nicht aufgeführt, da ihre Bedeutung bei der Verwendung angegeben wird. Indizes A a ab D DbV e F Fi Ge g ges hy K L La Mo m max me Anlage Beschleunigung abgegeben Druckseite Druckbegrenzungsventil effektiv Flüssigkeit Filter Getriebe geometrisch gesamt hydraulisch Kolben, Krümmer Leitung Last Motor Mittelwert Maximum mechanisch min N n Pu R red S St st T tan th V Z zu zul Öl o 1,2,3 Minimum Nennwert nutzbar Pumpe Reibung reduziert Saugleitung Stange Steuergröße Triebwelle tangential theoretisch Ventil, Verlust Zylinder zugeführt zulässig Öl Anfangswert Wert an der Stelle 1,2,3

15 Formelzeichen und Indizes XV Formelzeichen A Fläche, Querschnitt a Ringfläche a Beschleunigung B Belastungsgrad b Breite C Konstante c Federkonstante c Schallgeschwindigkeit c spezifische Wärme D, d Durchmesser E Elastizitätsmodul e Exzentrizität e Öffnungshöhe F Kraft f Frequenz f 0 G g h i J K K k k L l M m m n n P p Eigenfrequenz Gewicht Erdbeschleunigung Hub, Höhe Stromstärke Massenträgheitsmoment Kompressionsmodul korrigierter Kompressionsm. Rohrrauhigkeit Wärmedurchgangszahl Spaltlänge, Überdeckungslänge Länge Drehmoment Masse Massenstrom Drehzahl Polytropenexponent Leistung Überdruck p a p Vs Q Q C Q L Q W R Re r S s T t t A t l U V v v A v E v R W W def W kin W kom z α α D ˆα α t β γ Δ δ Absolutdruck Versorgungsdruck Volumenstrom Kompressibilitätsstrom Leckstrom Wärmemenge Wandlungsbereich Reynoldsche Zahl Radius Spiel Weg, Wandstärke Kelvin-Temperatur Celsius-Temperatur, Zeit Anlaufzeit Laufzeit einer Welle Umfangslänge Volumen, Verdrängungsvolumen Geschwindigkeit Arbeitsvorschubgeschwindigkeit Eilvorschubgeschwindigkeit Eilrückzuggeschwindigkeit Arbeit, Energie Deformationsenergie kinetische Energie Kompressibilitätsenergie Kolben-, Flügel-, Zähnezahl Volumeneinstellung Durchflussbeiwert Schwenkwinkel Ausdehnungskoeffizient Kompressibilitätsfaktor spez. Gewicht Differenz Ungleichförmigkeitsgrad

16 XVI Formelzeichen und Indizes ε Radialspiel ν kinematische Viskosität ε relative Exzentrizität ρ Dichte ζ Widerstandsbeiwert σ Normalspannung η dynamische Viskosität τ Schubspannung η Wirkungsgrad τ Schließzeit η mh mechanisch-hydraulischer Wirk. Φ Wärmestrom η vol volumetrischer Wirkungsgrad ϕ Drehwinkel η t Gesamtwirkungsgrad ψ Ablenkwinkel ϑ Strahlwinkel ω Winkelgeschwindigkeit ϑ Celsius-Temperatur ω Kreisfrequenz κ Adiabatenexponent ω Winkelbeschleunigung λ μ q Rohrwiderstandsbeiwert Poissonzahl ω 0 Eigenkreisfrequenz μ Reibungskoeffizient Anmerkung: Die Formelzeichen werden bis auf eine Ausnahme kursiv geschrieben. Um Verwechslungen mit dem griechischen Buchstaben ν (kinematische Viskosität) zu vermeiden, ist das Formelzeichen v für die Geschwindigkeit nicht kursiv geschrieben.