Vorwort. Horst-Walter Grollius. Grundlagen der Hydraulik. ISBN (Buch): Weitere Informationen oder Bestellungen unter

Transkript

1 Vorwort Horst-Walter Grollius Grundlagen der Hydraulik ISBN (Buch): Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München

2 Vorwort Zum Erhalt der Konkurrenzf higkeit auf den Weltm rkten ist es f r industrialisierte Gesellschaften unverzichtbar, den Automatisierungsgrad von Herstellungsabl ufen st ndig zu erhçhen, um Produkte inder nachgefragten Menge bei marktgerechten Preisen anbieten zu kçnnen. Trotz der damit verbundenen gesellschaftlichen Probleme (Freisetzung von Arbeitskr ften, negative Einfl sse auf die Umwelt) besteht zum Zwang der Entwicklung immer effizienterer Technik keine Alternative, danur die Nationen Mittel f r die soziale Absicherung aufbringen kçnnen, die sich auf den globalen M rkten behaupten. Den in der Verantwortung stehenden Fachleuten stellen sich damit auch ethische und çkologische Fragen, die es zu beantworten gilt. Insofern sind die von Albert Einstein im Jahre 1931 ge ußerten Worte weiterhin aktuell: Die Sorge um den Menschen und ihr Schicksal muss stets Hauptinteresse allen technischen Strebens bilden, die großen ungelösten Fragen der Organisation der Arbeit und der Güterverteilung, damit die Erzeugnisse unseres Geistes dem Menschengeschlecht zum Segen gereichen und nicht zum Fluche. Vergesst dies nie über Euren Zeichnungen und Gleichungen. Zur Steigerung der Effizienz von Produktions- und Arbeitsabl ufen ist Wissen und dessen Anwendung aus vielf ltigen Technikdisziplinen erforderlich. Hierzu gehçrt auch die mit dem Oberbegriff Fluidtechnik bezeichnete Disziplin, die sich in Hydraulik und Pneumatik untergliedert. Das vorliegende Buch verfolgt die Absicht, den Leser mit den wesentlichen Grundlagen der Hydraulik vertraut zu machen, wobei sein gestraffter Umfang der von Politik und Industrie gew nschten Reduzierung der Studienzeiten Rechnung tr gt. So wird beispielsweise im Kapitel 6(Hydropumpen) zur Erl uterung der Wirkungsweise der in der Hydraulik verwendeten Bauarten von Hydropumpen lediglich auf das ihnen zugrunde liegende Prinzip eingegangen; auf eine umfassende Darlegung konstruktiver Details dieser Aggregate muss um den Zweck des Buches zu erf llen verzichtet werden. Den an Universit ten, Technischen Hochschulen, Fachhochschulen, Technikerschulen und Meisterschulen in der Ausbildung stehenden Studentinnen und Studenten bietet das Buch deshalb die Mçglichkeit, sich ohne allzu großen zeitlichen Aufwand Grundwissen auf dem Gebiet der Hydraulik anzueignen. Das Buch soll dar ber hinaus aber auch denjenigen eine Hilfe sein, die als technisch T tige in der beruflichen Praxis stehen und ihr Grundwissen auf dem Gebiet der Hydraulik in kurzer Zeit auffrischen mçchten. Zum Erwerb vertiefter Kenntnisse auf dem außergewçhnlich vielf ltigen Gebiet der Hydraulik kann auf das Studium weiterf hrender Literatur nicht verzichtet werden. In Kapitel 16 findet der Leser einige Aufgaben, die neben der Aufgabenstellung die ausf hrliche Darlegung des Lçsungsweges in Lçsungsschritten beinhalten,

3 6 Vorwort wobei jeder Lçsungsschritt kommentiert wird. Dadurch sollen Klarheit und leichtes Nachvollziehen der Lçsungswege sichergestellt werden. Neben dem Lernen aus B chern bieten sich den Studentinnen und Studenten heutzutage durch die mediale Vielfalt weitere Mçglichkeiten f r den Erwerb von Wissen, wodurch leicht der Eindruck entstehen kçnnte, dass der Wissenserwerb heute weniger M he macht als fr her. Doch zur Kultur der Anstrengung besteht keine Alternative: Mit Selbstdisziplinierung sind Erkenntnisblockaden zu beseitigen und Verst ndnisprobleme zu meistern, um so die Genugtuung der den Widerst nden abgerungenen eigenen Leistung zu erfahren. Mçge die Besch ftigung mit diesem Buch nicht nur M he bereiten, sondern den Leser nach dem Einstieg in die grundlegenden Zusammenh nge der Hydraulik auch motiviert haben, sich noch tiefer in dieses faszinierende und volkswirtschaftlich bedeutsame Gebiet der Technik mit weiterf hrender Literatur einzuarbeiten. Der Verfasser dankt Herrn Jochen Horn vom Fachbuchverlag Leipzig (im Carl Hanser Verlag) f r die vielen n tzlichen Hinweise zur Gestaltung des Buches und die jederzeit gute Zusammenarbeit. Weiterhin ist zu danken der Firma Technobox (Bochum), deren Software CAD6 zur Erstellung von Bildern gedient hat und allen Firmen der Hydraulikindustrie, die Bilder und Diagramme f r dieses Buch bereitwillig zur Verf gung gestellt haben. Diese Firmen werden an geeigneter Stelle namentlich genannt..... Koln, im Marz 2012 Horst-Walter Grollius

4 Leseprobe Horst-Walter Grollius Grundlagen der Hydraulik ISBN (Buch): Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München

5 1 Einleitung Hydraulik und Pneumatik sind Teilgebiete der mit dem Begriff Fluidtechnik bezeichneten Wissensdisziplin. Die in der Hydraulik zur Energie bertragung verwendeten Fluide sind Fl ssigkeiten; das zur Energie bertragung in der Pneumatik verwendete Fluid ist ein Gas, n mlich Luft. In den Anf ngen der Hydraulik, die einige Jahrhunderte zur ckliegen, verwendete man Wasser (griechisch: Hydor) als Fluid zur Energie bertragung. Seit Anfang des 20. Jahrhunderts benutzt man als Energietr ger le, die auch gleichzeitig Schmier- und Korrosionsschutz bieten. Neuerdings wird in Einzelf llen aus Gr nden des Umweltschutzes und der Kosten auch wieder Wasser als Fluid zur Energie bertragung verwendet. Man spricht in diesem Fall von Wasserhydraulik. Das vorliegende Buch befasst sich ausschließlich mit ölbetriebenen Hydrosystemen ( lhydraulik). Die lhydraulik beinhaltet somit die Energie bertragung durch l zum Betrieb von Maschinen und Anlagen, wobei insbesondere Mineralçle verwendet werden. Die lhydraulik unterteilt sich in die Gebiete der hydrodynamischen und der hydrostatischen Energie bertragung. Bei der hydrodynamischen Energieübertragung wird von einem Pumpenrad mechanische Energie auf das l bertragen und als Strçmungsenergie zum Antrieb eines Turbinenrades verwendet. Man spricht in diesem Fall von einem hydrodynamischen Antrieb. Beispiele f r Anlagen, bei denen eine hydrodynamische Energie bertragung stattfindet, sind z. B. Fçttinger-Wandler und Fl ssigkeitskupplungen. Bei der hydrostatischen Energieübertragung erzeugt eine mechanisch angetriebene Pumpe (Hydropumpe) einen vorwiegend druckbeladenen Volumenstrom (Fçrderstrom), der zu einem Hydroverbraucher (Hydrozylinder oder Hydromotor) geleitet wird. Darin wird die im Fçrderstrom enthaltene Druckenergie wieder in mechanische Energie umgewandelt. Man spricht in diesem Fall von einem hydrostatischen Antrieb. Die kinetische Energie ist in Anlagen mit hydrostatischer Energie bertragung gegen ber der Druckenergie vernachl ssigbar klein. Umgekehrt kann bei hydrodynamischer Energie bertragung die im Fçrderstrom enthaltene Druckenergie meist vernachl ssigt werden. Im Maschinenbau haben die hydrostatischen Antriebe eine wesentlich grçßere Bedeutung als die hydrodynamischen Antriebe. Die hydrostatischen Antriebe sind deshalb alleiniger Gegenstand der Behandlung in diesem Buch und werden hier mit çlhydraulischen Antrieben oder einfach mit hydraulischen Antrieben bezeichnet. Anstelle des Begriffes hydraulischer Antrieb werden gleichbedeutend auch die Begriffe hydraulische Anlage, hydraulisches System oder Hydrosystem verwendet.

6 2 Physikalisches Basiswissen 2.1 Druck, Absolutdruck, berdruck, Einheiten Zur Erl uterung des Druckbegriffes wird ein aus der Fl ssigkeit eines Beh lters heraus geschnittenes Volumen nach der im Bild 2.1 dargestellten Situation betrachtet. Bild 2.1: Zur Erl uterung des Druckbegriffes Mit 0 wird ein Punkt der Fl ssigkeit gekennzeichnet, der auch gleichzeitig ein auf der Berandungsfl che des herausgeschnittenen Fl ssigkeitsvolumens liegender Punkt ist. An dem am Punkt 0 vorliegenden Fl chenelement da greift die Druckkraft df senkrecht an (Normalkraft). Der Quotient p¼ df da ð2:1þ ist die Druckspannung, die auch kurz Druck genannt wird. Die Grçße des Druckes am Punkt 0 ist unabh ngig von der Lage der durch den Punkt 0 gelegten Schnittebene. Der Druck p ist also richtungsunabhängig und damit eine skalare physikalische Grçße, die nur vom Ort in der Fl ssigkeit abh ngig ist. Die Maßeinheit (kurz: Einheit) des Druckes wird unter Verwendung der Basiseinheiten des Internationalen Einheitensystems (SI-Maßsystem) Kilogramm (Einheitenzeichen: kg), Meter (Einheitenzeichen: m) und Sekunde (Einheitenzeichen: s) mit Pascal (Einheitenzeichen: Pa) festgelegt: 1 Pa ¼ 1 kg m 2 =m ¼ 1 N=m2 : 2 s ð2:2þ

7 2.1 Druck, Absolutdruck, Überdruck, Einheiten 13 Da die Einheit Pascal zu hohe Zahlenwerte ergibt, wird in der Praxis h ufig die Einheit Bar (Einheitenzeichen: bar) verwendet: 1 bar ¼ 105 Pa ¼ 105 N=m2 : ð2:3þ Kleine Dr cke werden in Millibar (Einheitenzeichen: mbar) oder in Hektopascal (Einheitenzeichen: hpa = 100 Pa) angegeben: 1 mbar ¼ 0,001 bar ¼ 1 hpa. ð2:4þ In den angels chsischen L ndern wird oft noch die Einheit Psi (Einheitenzeichen: psi) verwendet: 1 bar ¼ 14,5 psi. ð2:5þ Zur Erl uterung der Begriffe Absolutdruck und Überdruck dienen die Skalen in Bild 2.2. Bild 2.2: Absolutdruck- und berdruckskala Die Absolutdruckskala (obere Skala in Bild 2.2) beginnt mit pabs = 0, da der Absolutdruck der Druck gegen ber dem Druck Null des leeren Raumes ist. Die Differenz zwischen einem Absolutdruck pabs und dem aktuell vorliegenden (absoluten) Atmosph rendruck pamb ist die atmosph rische Druckdifferenz pe ¼ pabs pamb ; ð2:6þ die in der Technik als Überdruck bezeichnet wird. Ist der Absolutdruck pabs grçßer als der Atmosph rendruck pamb, nimmt der berdruck positive Werte an: pe ¼ pabs pamb > 0. ð2:7þ

8 14 2 Physikalisches Basiswissen Bei einem Absolutdruck p abs,der kleiner als der Atmosph rendruck p amb ist, erh lt man f r den berdruck einen negativen Wert: p e ¼ p abs p amb < 0. ð2:8þ Der Begriff Unterdruck, fr her definiert durch die Druckdifferenz p amb p abs bei einem Absolutdruck, der kleiner als der Atmosph rendruck ist, wird nicht mehr verwendet. Der Unterdruckbereich wird nach Gl. (2.8) durch negative Werte des berdruckes gekennzeichnet (Unterdruck wird ersetzt durch den Begriff negativer berdruck). Der Minimalwert p e,min der negativen berdruckskala (untere Skala in Bild 2.2) wird durch den aktuell vorliegenden Atmosph rendruck p amb festgelegt. Liegt beispielsweise ein Atmosph rendruck von p amb =1,05 bar vor, gilt f r den Minimalwert des negativen berdruckes (p abs =0bar, leerer Raum): p e,min ¼ 0bar 1,05 bar ¼ 1,05 bar. ð2:9þ Das Beispiel zeigt, dass die untere Grenze der negativen berdruckskala durch den Atmosph rendruck p amb bestimmt wird. In der Hydraulik wird meist nicht mit dem Absolutdruck p abs,sondern mit dem berdruck p e gearbeitet. Hinweis: Oft werden die Indizes abs und e zur eindeutigen Kennzeichnung von Absolut- und berdr cken weggelassen. F r den jeweils vorliegenden Fall ist aus dem Zusammenhang herauszufinden, ob es sich bei der Angabe von Dr cken um Absolutdr cke oder berdr cke handelt. 2.2 Gesetz von Pascal Das Gesetz von Pascal bildet das Grundgesetz der Hydrostatik und gilt f r inkompressible und nicht der Schwerkraft unterworfene Fl ssigkeiten. Es besagt Folgendes: Wird auf eine sich in einem Beh lter befindende Fl ssigkeit an irgendeiner Stelle ein Druck ausge bt (z. B. durch einen mit einer Kraft belasteten Kolben), so herrscht berall an der Innenwand des Beh lters und im Innern der Fl ssigkeit der gleiche Druck. Zur Verdeutlichung des Gesetzes von Pascal dient Bild 2.3. Bei der Bewegung des oberen Kolbens um den Weg s K nach unten wird das Fl ssigkeitsvolumen V K ¼ A K s K verdr ngt, das in den beiden seitlichen Kammern, die durch reibungsfrei gef hrte Kolben leckfrei abgedichtet sind, Platz findet. Es ist V K ¼ V 1 þ V 2 ¼ s 1 A 1 þ s 2 A 2 : ð2:10þ Bei der Verschiebung der seitlichen Kolben werden die r ckw rtig angeordneten Druckfedern zusammengedr ckt, sodass die Federkr fte F 1, F 2 ber die

9 2.2 Gesetz von Pascal 15 Bild 2.3: Zum Gesetz von Pascal Kolben auf die Fl ssigkeit wirken. Der von dem rechten Kolben auf die Fl ssigkeit ausge bte Druck ist p1 ¼ F1 : A1 ð2:11þ Der von dem linken Kolben auf die Fl ssigkeit ausge bte Druck ist p2 ¼ F2 : A2 ð2:12þ Sind die Federwege s1, s2, die Federraten der Druckfedern R1, R2 und die Kolbenfl chen A1, A2 bekannt, lassen sich nach den Gln. (2.11) und (2.12) mit F1 ¼ s1 R1 und F2 ¼ s2 R2 die Dr cke p1 und p2 berechnen. Man findet p 1 ¼ p2 ; ð2:13þ womit das Gesetz von Pascal best tigt wird. F r den in der Beh lterfl ssigkeit herrschenden Druck, allgemein mit p bezeichnet, gilt p ¼ p1 ¼ p2 ¼ pk : ð2:14þ Die Kraft FK, die auf den oberen Kolben in seiner Endlage wirkt, ist daher FK ¼ pk AK : ð2:15þ

10 Sachwortverzeichnis Horst-Walter Grollius Grundlagen der Hydraulik ISBN (Buch): Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München

11 Sachwortverzeichnis Absolutdruck 13 Abtriebsleistung, mechanische 98 Abtriebsmoment, mechanisches 98 Additive 162 Alterungsbest ndigkeit 168 Anschlussplatten 175 Antriebsleistung, mechanische 71 Antriebsmoment, mechanisches 71 Arbeit, hydraulische 19 Atmosph rendruck 13 Außenzahnradpumpe 76 Axialkolben-Konstantmotor 100 Axialkolbenpumpen 84 Bauarten von Hydropumpen 75 Befestigungsarten 113 Bet tigungseinrichtungen 49 Blende 33 Brennpunkt 166 Dampfblasen-Kavitation 45 Differenzdruckmessung 35 Differenzdruckregelventile 142 Differenzialzylinder 103, 104 Drosselr ckschlagventile 134 Drosselventile 145 Druck 12 Druckbegrenzungsventile 137 Druckdifferenz, atmosph rische 13 Druckfl ssigkeiten, schwer entflammbare 168 Druckform 22 Druckmessger te 175 Druckminderventile 139 Druckreduzierventile 139 Druckregelventile 139 Druck bersetzung 18 Druckventile 136 Druckverh ltnisventile 141 Druckverlust 28, 30 Durchflusskoeffizient 35 Durchflusszahl 35 Durchmesser, hydraulischer 30 D se 33 Einspannung, hydraulische 133 Endlagend mpfung 104, 106, 111 Energie, hydrostatische 67 Energieform 22 Energiesteuerung 53 Energieumformung 52 Englergrade 162 Entl ftungsventile 175 Ersatzdurchmesser 30 Eulersche Knickkraft-Gleichung 113 Exzentrizit t 79, 82 Flammpunkt 166 Fl gelzellenpumpe, direkt gesteuerte 80 Fl gelzellenpumpen 78 Folgeventile 144 Fçrderstrom, effektiver 69, theoretischer 69 Formst cke 30 Fressverschleiß 166 F llungsverluste 70 Funktionselemente 48 Gesamtdruckverlust 41 Gesamtenergie 22 Gesamtvolumenstrom 41 Gesamtwiderstand 41 Gesamtwirkungsgrad 19, 20, 71, 99 Geschwindigkeit, kritische 25 Gesetz von Pascal 14 Gleichgangzylinder 103, 106 Gleichlaufzylinder 103 Gleichlauf-Teleskopzylinder 109 Graetzschaltung 156 Grundgesetz der Hydrostatik 14 Grundsymbole 47 Haftvermçgen 166 Hintereinanderschaltung 40 Hçhenform 22 Hub-Schwenkeinheit 120 Hubfunktion 120 Hubverdr ngermaschinen 75 Hubvolumen 68 Hydraulikçle 160, 169 Hydromotoren 95 Hydropumpen 67 Hydroventile 123 Hydrozylinder 102

12 Sachwortverzeichnis 223 Implosion 46 Inhibitoren 166 Innenzahnradpumpe 78 Kavitation 45 Kavitationserosion 46 Kavitationsl rm 46 Kennlinien/Kennfelder 89, 99 Kennlinienfelder 77 Knickkraft 114 Knicksicherheit 113, 114, erforderliche 115 Kolbenhub 85 Kolbenstangenkraft 116 Kompressibilit t 42, 165 Kompressibilit tskoeffizient, isothermer 43 Kompressionsmodul, mittlerer 43, wahrer 43 Kompressionsverlust 70 Kompressionsvolumen 43 Konstantdrosselventile 145 Konstantpumpen 68, 76, 78 Kontinuit tsgleichung 21 Korrekturfaktor 30 Korrosionsschutz-Inhibitoren 166 Kraft- und Weg bersetzung 17 Kraft bersetzung 17 Kugelsitzventil 132 L ngsschieberventile 127 Lastwiderstand 61 Leckstrom 35, ußerer 70, innerer 70 Leistung, hydraulische 19 Leitungen 49 Leitungsbruchsicherungen 136 Leitungsverbindungen 49 Linearmotoren 102 Load Sensing-Regler 92 Luftblasen-Kavitation 45, 167 Massenstrçme 21 Mitschleppstrom 38 Motorleistung 98, theoretische 97 Motormoment 98 Motormoment, theoretisches 97 Null berdeckung 129 ffnungsdruckverh ltnis 133 Parallelschaltung 41 Pourpoint 162, 167 Presse, hydraulische 17 Prim rsteuerung 158 Projektierung von Hydrosystemen 177 Proportionalmagnet 151 Proportionalventile 123, 151 Pumpe, selbstansaugende 72 Pumpenleistung, theoretische 69 Pumpenmoment 71, theoretisches 69 Pumpenumlauf 127 Radialkolben-Konstantmotor 99 Radialkolbenpumpe, außenbeaufschlagte 83 Radialkolbenpumpen 81 Reibungsgesetz, newtonsches 25 Reihenschaltung 40 Reynolds-Zahl 24, kritische 24 Rohrbruchsicherungen 136 Rohrleitungen 175 Rohrreibungszahl 27 R ckschlagventil, federbelastetes 155 R ckschlagventile, einfache 130, entsperrbare 131 Schaltplanbeispiele 155 Schaltpl ne 62 Schalt berdeckung 129 Schaltverhalten 129 Schaumbildung 167 Schlauchkupplungen 175 Schlauchleitungen 175 Schleppstrom 37, 38 Schluckstrom, theoretischer 96 Schluckstrom, effektiver 97, theoretischer 96 Schluckvolumen 96 Schmierfilm 160, 166 Schr gachsenpumpen 84, 87 Schr gscheibenpumpen 84 Schraubenspindelpumpen 80 Schwenkfunktion 120 Schwenkmotoren 118, 120 Schweredruck 16 Sekantenkompressionsmodul 43 Sekund rsteuerung 158, 159

13 224 Sachwortverzeichnis Selbstz ndung 46 Servoventile 123, 151 Sicherheitsventile 137 Spaltformel 36 Spaltstrom 37 Speicherung 52 Sperrrichtung 131 Sperrventile 130 Spielausgleich, hydrostatischer 78 Steilgewinde-Schwenkmotor 119 Stetigventile 151 Steuerkanten 129 Stockpunkt 162, 167 Stromlinien 23 Stromregelventile 145, 156 Stromteilventile 149 Strçmung, laminare 23 Strçmung, turbulente 24 Strçmungsverluste 20 Stromventile 144 Symbole, genormte 47 Taumelscheibenpumpen 84 Teleskopzylinder 107 Torquemotor 153 berdruck 13 Umlaufverdr ngermaschinen 75 Unterdruck 14 Unterschicht, laminare 24 Ventilkennlinien 32 Venturirohr 33 Verdr ngermaschinen 67 Verdr ngerprinzip 95 Verdr ngungsr ume 68 Verdr ngungsvolumen 68, geometrisches 68, 82, maximales geometrisches 85 Verh ltnisdruckregelventile 143 Verluste, volumetrische 70 Verschraubungen 175 Verstelldrosselventile 145 Verstellpumpen 68, 78 Viskosit t 25, 160, 162, kinematische 25 Viskosit ts-polhçhe 164 Viskosit ts-richtungskonstante 164 Viskosit ts-temperatur-druck-verhalten 26 Viskosit tsindex 164 Volumeneinstellung 68 Volumenstrom 19 Volumenstrommessger te 175 V,T-Diagramme 162 Wandrauigkeit, absolute 29 W rmekapazit t, spezifische 167 Wechselventile Wege-Stromregelventile Wege-Stromregelventile 147 Wegeventile 123 3/2-Wegeventil 62 3/3-Wegeventil 63 4/3-Wegeventil 64 Weg bersetzung 18 Wellenleistung 20 Widerstand, hydraulischer 39 Widerstandsbeiwert 30 Wirkdruck 35 Wirkungsgrad, hydraulisch-mechanischer 71, 98 Wirkungsgrad, volumetrischer 20, 97 Zahnradpumpen 76 Zubehçrteile 175 Zusatzausr stung 58 Zuschaltventile 144 Zylinder, doppeltwirkende 103, einfachwirkende 107