Hydraulik. Grundlagen, Komponenten, Schaltungen. Dieter Will Norbert Gebhardt (Hrsg.) Unter Mitarbeit von Reiner Nollau und Dieter Herschel

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1 Hydraulik

2 Dieter Will Norbert Gebhardt (Hrsg.) Hydraulik Grundlagen, Komponenten, Schaltungen Unter Mitarbeit von Reiner Nollau und Dieter Herschel 4., neu bearbeitete Auflage 123

3 HERAUSGEBER: Professor Dr.-Ing. habil. Dieter Will Ingenieurbüro Renate Will Fluidtechnik Software Jessener Str Dresden dieter.will2@web.de Professor Dr.-Ing. habil. Norbert Gebhardt Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) FB Maschinenbau/Verfahrenstechnik Friedrich-List-Platz Dresden gebhardt@mw.htw-dresden.de MITARBEITER: Professor Dr. paed. Dieter Herschel Hochschule Zittau/Görlitz (FH) FB Maschinenwesen Theodor-Körner-Allee Zittau d.herschel@web.de Professor Dr.-Ing. habil. Reiner Nollau HAWK Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst FH Hildesheim/Holzminden/Göttingen Fakultät Naturwissenschaften und Technik Von-Ossietzky-Str Göttingen reiner.nollau@hawk-hhg.de Professor Dr.-Ing. habil. Hubert Ströhl ISBN e-isbn DOI / Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. c 2008 Springer-Verlag Berlin Heidelberg Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. 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. Einbandgestaltung: WMX Design GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier springer.de

4 Vorwort zur 4. Auflage In allen Bereichen der Antriebs- und Steuerungstechnik, besonders im Maschinen- Aggregate-, Anlagen- und Fahrzeugbau haben der Einsatz und die Anwendung der Hydraulik in der jüngsten Zeit sehr zugenommen. Die Ursache dafür liegt besonders in der ständigen Weiterentwicklung der Komponenten und des Zubehörs sowie der zunehmenden Verbindung der Hydraulik mit der Elektronik im Rahmen der Mechatronik und der Erschließung neuer Einsatzgebiete der Fluidtechnik. Vor dem Hindergrund dieser stürmischen Entwicklung war die 3. Auflage innerhalb kürzester Zeit vergriffen. Deshalb entschieden Verlag und Herausgeber möglichst schnell eine 4. Auflage herauszubringen, welche die jüngsten Ergebnisse dieser rasanten Entwicklung der Hydraulik berücksichtigt. Die bewährte Gliederung des Stoffes wurde auch in dieser Auflage beibehalten. Die physikalischen und technischen Grundlagen der Hydraulik sind wieder vorangestellt. Der erweiterte Abschnitt über Druckflüssigkeiten enthält aktuelle Ergebnisse. Die wesentlichen Eigenschaften der Pumpen, Motoren und Ventile wurden aktualisiert. Es wird besonders auf elektronisch gesteuerte und geregelte Antriebe mit digitaler Reglung, mechatronische Komponenten und neue Einsatzgebiete eingegangen. Des Weiteren sind neuartige Stell- und Regeleinrichtungen für Pumpen und Motoren enthalten. Probleme der Energieeinsparung und der Reduzierung der Lärmbelästigung wurden ebenso berücksichtigt wie die Optimierung des dynamischen Verhaltens von Systemen mit Zentralhydraulik. Aktuelle Beispiele zur Gestaltung hydraulischer Anlagen vermitteln neueste Erkenntnisse. Besonderer Wert wurde auf die Aktualisierung und Erweiterung der für die Anwender wichtigen Kapitel über Hydraulikdichtungen, Messtechnik, Diagnose und Zuverlässigkeit sowie Inbetriebnahme gelegt. Einen weiteren Schwerpunkt bilden die umfassende, anwendungsorientierte Darstellung der elektro-hydraulischen Proportionalund Servotechnik sowie deren Anwendung in Steuerungen und digitalen Reglungen. Die Vermittlung von Grundkenntnissen für die Vorausbestimmung des dynamischen Verhaltens hydraulischer Anlagen stellt einen wichtigen Schwerpunkt dar, um Druckspitzen, Schwingungen und andere dynamische Probleme bereits in der Projektierungsphase auszuschließen. Das Buch soll für die in der Praxis tätigen Ingenieure, die als Konstrukteur, Anwender und Betreiber hydraulischer Anlagen wirken sowie für Studierende eine Hilfe bei der Einarbeitung in das Fachgebiet Hydraulik sein. Die Herausgeber und die Mitautoren stützen sich dabei auf ihre langjährige Erfahrung bei der Ausbildung von Studenten an Technischen Universitäten und Fachhochschulen. Die Herausgeber danken allen, die am Zustandekommen der 4. Auflage des Buches beteiligt waren. Das gilt besonders für Herrn Professor Dr.- Ing. habil. R.

5 VI Vorwort zur 4. Auflage Nollau und Herrn Professor Dr. paed. D. Herschel. Wir danken allen Firmen und Unternehmen, die durch Bereitstellung von Bild- und Informationsmaterial das Buchvorhaben unterstützten. Die sehr gute Zusammenarbeit mit Herrn Lehnert und Frau Cuneus vom Springer-Verlag hat es ermöglicht, dass auch die vierte Auflage schnell und in bewährter Qualität erscheinen konnte. Dresden, im Mai 2008 Die Herausgeber

6 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung (H. Ströhl, D. Will) Aufbau und Darstellung hydraulischer Anlagen (D. Will) Druckflüssigkeiten (D. Herschel) Anforderungen Einteilung Eigenschaften und Kennwerte von Druckflüssigkeiten Viskosität Dichte und Kompressibilität Luft und Wasser in der Druckflüssigkeit Umweltverträglichkeit und Entsorgung Technologische und ökonomische Anforderungen Charakteristik der marktüblichen Druckflüssigkeiten Mineralölbasische Flüssigkeiten (Mineralöle, Hydrauliköle) Schwerentflammbare Druckflüssigkeiten Biologisch schnell abbaubare Druckflüssigkeiten Wasser Einsatzkriterien und Auswahl Berechnungsgrundlagen (D. Will, R. Nollau) Druckentstehung und -fortpflanzung Kontinuitätsgesetz, Masse und Volumen Bernoulli-Gleichung und Impulssatz Strömungswiderstände Druckverluste Leckverluste Hydraulische Kapazität und Induktivität Verknüpfung von Grundelementen (R. Nollau) Widerstandsschaltungen zur Steuerung von Druck und Volumenstrom Zusammenschaltung von Strömungswiderständen, Kapazitäten und Induktivitäten Strömungsbedingte Kräfte an Kolben hydraulischer Ventile Arbeit, Leistung, Wirkungsgrad und Wärmeentwicklung... 90

7 VIII Inhaltsverzeichnis 5 Grundstrukturen hydraulischer Kreisläufe (D. Will) Volumenstrom- und Druckquellen Volumenstromquellen Druckquellen Offener und geschlossener Kreislauf Offener Kreislauf Geschlossener Kreislauf Parallel- und Reihenschaltung von Verbrauchern Drosselkreisläufe Drosselkreisläufe mit Druckquelle Drosselkreisläufe mit Volumenstromquelle Passive und aktive Lasten Pumpen und Motoren (N. Gebhardt) Einteilung Kenngrößen Maßnahmen zur Pulsationsminderung Simulation von Hydromaschinen Bauarten von Hydromaschinen Zahnradmaschinen Schraubenmaschinen Flügelzellenmaschinen Kolbenmaschinen Stelleinheiten von Hydromaschinen Steuereinrichtungen Regeleinrichtungen Power Packs Prüfung von Hydromaschinen Arbeitszylinder (N. Gebhardt) Bauarten Einfachwirkende Zylinder Doppeltwirkende Zylinder Schwenkmotoren Berechnung von Zylindern Hubkraft und Arbeitsgeschwindigkeit Reibungskräfte und Wirkungsgrad Knickung Auslegung Zusatzelemente an Zylindern Dichtungen Endlagendämpfung Befestigungsmöglichkeiten der Zylinder Wegmesssysteme Überprüfung von Zylindern

8 Inhaltsverzeichnis IX 8 Ventile (H. Ströhl, R. Nollau) Druckventile Druckbegrenzungsventile Druckreduzierventile Druckdifferenzventile Druckverhältnisventile Stromventile Drosselventile Stromregelventile Stromteilventile Sperrventile Absperrventile Rückschlagventile Entsperrbare Rückschlagventile Wechselventile Wegeventile Kolbenlängsschieberventile Wege-Einbauventile als gesteuerte Einzelwiderstände Elektrisch betätigte Stetigventile (R. Nollau) Servoventile Proportionalventiltechnik Vergleich Servo- und Proportionalventile Regelventile Verkettungstechnik und Montageformen für Ventile Rohrleitungseinbau Mehrventilblockbauweise Anschlussplattenverkettung Einschraub- bzw. Einsteckverkettung Druckflüssigkeitsspeicher (D. Herschel) Anwendungen Wirkungsprinzip Bauarten Auslegung von Druckflüssigkeitsspeichern Problemstellung und Kenngrößen Auslegungspraxis Sicherheitsvorschriften Einbau, Inbetriebnahme und Wartung Zubehör (D. Herschel) Flüssigkeitsbehälter (Tank) Flüssigkeitskühler und Vorwärmer Leitungen und Leitungsverbindungen

9 X Inhaltsverzeichnis Rohrleitungen Rohrverschraubungen Schlauchleitungen Filter Funktion und Kenngrößen Filterarten und Filterkonzept Anordnung der Filter im Kreislauf Montage, Inbetriebnahme und Instandhaltung (D. Herschel) Montage Inbetriebnahme Vorbeugende Instandhaltung (Wartung) Messtechnik in der Hydraulik (N. Gebhardt) Messgrößen Allgemeines Druck Temperatur Kombisensoren Volumenstrom Drehzahl Schallpegel Hydraulikmessgeräte Digitalanzeigegeräte Hydrotester Sensoren und Messgeräte zur Analyse des Fluids Der PC als Messgerät Software Diagnose und Zuverlässigkeit (N. Gebhardt) Allgemeine Grundlagen Hydraulikdiagnose Anwendung der Hydraulikdiagnose Projektierung und Gestaltung von Kreisläufen (R. Nollau) Projektierungsgrundlagen Kreislaufkonzepte Kreisläufe mit Druckquellen konstanten Drucksollwertes Kreislaufstrukturen, Teilsysteme Antriebsschaltungen Druckquellen Leitungssystem Dynamisches Verhalten Kreisläufe mit Load-Sensing-System

10 Inhaltsverzeichnis XI Grundstruktur des Kreislaufes Strukturmodifikationen Dynamisches Verhalten Kreisläufe mit Volumenstromquellen Kreislaufstrukturen, Steuerungsprinzipien Kreislaufvarianten Dynamisches Verhalten Vergleich der Kreislaufkonzepte Aufwand an Komponenten, Verlustleistungen Dynamisches Verhalten Der Projektierungsprozess Zuordnung der Antriebe zu Kreislaufstrukturen Druckniveaufestlegung Projektierung eines Kreislaufes mit Druckquelle Projektierung eines Kreislaufes mit Volumenstromquelle Projektierung weiterer Komponenten Literatur Sachverzeichnis