DieterWill NorbertGebhardt HubertStröhl(Hrsg.) Hydraulik

DieterWill NorbertGebhardt HubertStröhl(Hrsg.) Hydraulik

DieterWill NorbertGebhardt HubertStröhl(Hrsg.) Hydraulik Grundlagen, Komponenten, Schaltungen Unter Mitarbeit von Reiner Nollau und Dieter Herschel 3., neu bearbeitete und ergänzte Auflage mit 343 Abbildungen und 49 Tabellen 123

Herausgeber: ProfessorDr.-Ing.habil.DieterWill Ingenieurbüro Renate Will Fluidtechnik Software Jessener Str. 4 01257 Dresden dieter.will@ginko.de Professor Dr.-Ing. habil. Hubert Ströhl Mitarbeiter: Professor Dr. paed. Dieter Herschel Hochschule für Technik, Wirtschaft und Sozialwesen (FH) FB Maschinenelemente/Fluidtechnik Theodor-Körner-Allee 16 02763 Zittau d.herschel@hs-zigr.de Professor Dr.-Ing. habil. Norbert Gebhardt Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) FB Maschinenbau/Verfahrenstechnik Friedrich-List-Platz 1 01069 Dresden gebhardt@mw.htw-dresden.de ProfessorDr.-Ing.habil.ReinerNollau HAWK Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst FH Hildesheim/Holzminden/Göttingen Fakultät Naturwissenschaften und Technik Von-Ossietzky-Str. 99 37085 Göttingen rainer.nollau@pmf.fh-goettingen.de Bibliografische Information der Deutsche Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. ISBN-10 3-540-34322-9 Springer Berlin Heidelberg New York ISBN-13 978-3-540-34322-6 Springer Berlin Heidelberg New York ISBN-10 3-540-20116-5 2. Aufl. Springer Berlin Heidelberg New York 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. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1999, 2004, 2007 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch 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. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: Digitale Druckvorlage der Herausgeber Herstellung: LE-TEX, Jelonek, Schmidt & Vöckler GbR, Leipzig Umschlaggestaltung: WMXDesign, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier 68/3100 YL 5 4 3 2 1 0

Vorwort zur 3. Auflage In allen Bereichen der Antriebs- und Steuerungstechnik, besonders im Maschinen- Aggregate-, Anlagen- und Fahrzeugbau haben der Einsatz und die Anwendung der Hydraulik in den letzten Jahren 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. Vor dem Hindergrund dieser stürmischen Entwicklung war die 2. Auflage innerhalb kurzer Zeit vergriffen. Deshalb entschieden Verlag und Herausgeber möglichst schnell eine 3. 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 und 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, wie die Optimierung des dynamischen Verhaltens von Systemen mit Zentralhydraulik neu berücksichtigt. Aktuelle Beispiele zur Gestaltung hydraulischer Anlagen vermitteln neueste Erkenntnisse. Besonderer Wert wurde auf die Aktualisierung und Erweiterung der für die Anwender wichtigen Kapitel über Messtechnik, Diagnose und Zuverlässigkeit, sowie Inbetriebnahme und Zuverlässigkeit gelegt. Einen weiteren Schwerpunkt bilden die umfassende, anwendungsorientierte Darstellung der elektrohydraulischen Proportionalund Servotechnik sowie ihre 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. Durch die Erweiterungen gegenüber der 2. Auflage hat der Umfang des Buches geringfügig zugenommen. 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 3. Auflage des Buches beteiligt waren. Das gilt besonders für Herrn Prof. Dr.- Ing. habil. R. Nol-

2 Vorwort zur 3. Auflage lau und Herrn Prof. Dr. paed. D. Herschel. Wir danken allen Firmen und Unternehmen, die durch Bereitstellung von Bild- und Informationsmaterial das Buchvorhaben unterstützten. Die gute Zusammenarbeit mit Herrn Lehnert und Frau Cuneus vom Springer-Verlag hat es ermöglicht, dass auch die dritte Auflage schnell und in bewährter Qualität erscheinen konnte. Dresden, im September 2006 Die Herausgeber

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung (H. Ströhl, D. Will)... 1 2 Aufbau und Darstellung hydraulischer Anlagen (D. Will)... 5 3 Druckflüssigkeiten (D. Herschel)... 13 3.1 Anforderungen... 13 3.2 Einteilung... 13 3.3 Eigenschaften und Kennwerte von Druckflüssigkeiten... 16 3.3.1 Viskosität... 16 3.3.2 Dichte und Kompressibilität... 19 3.3.3 Luft und Wasser in der Druckflüssigkeit... 23 3.3.4 Umweltverträglichkeit und Entsorgung... 26 3.3.5 Technologische und ökonomische Anforderungen... 29 3.4 Charakteristik der marktüblichen Druckflüssigkeiten... 30 3.4.1 Mineralölbasische Flüssigkeiten (Mineralöle, Hydrauliköle)... 30 3.4.2 Schwerentflammbare Druckflüssigkeiten... 31 3.4.3 Biologisch schnell abbaubare Druckflüssigkeiten... 33 3.4.4 Wasser... 34 3.4.5 Einsatzkriterien und Auswahl... 35 4 Berechnungsgrundlagen (D. Will, R. Nollau)... 39 4.1 Druckentstehung und -fortpflanzung... 39 4.2 Kontinuitätsgesetz, Masse und Volumen... 44 4.3 Bernoulli-Gleichung und Impulssatz... 46 4.4 Strömungswiderstände... 53 4.4.1 Druckverluste... 54 4.4.2 Leckverluste... 66 4.5 Hydraulische Kapazität und Induktivität... 71 4.6 Verknüpfung von Grundelementen (R. Nollau)... 75 4.6.1 Widerstandsschaltungen zur Steuerung von Druck und Volumenstrom... 75 4.6.2 Zusammenschaltung von Strömungswiderständen, Kapazitäten und Induktivitäten... 81 4.7 Strömungsbedingte Kräfte an Kolben hydraulischer Ventile... 85 4.8 Arbeit, Leistung, Wirkungsgrad und Wärmeentwicklung... 90

VIII Inhaltsverzeichnis 5 Grundstrukturen hydraulischer Kreisläufe (D. Will)... 95 5.1 Volumenstrom- und Druckquellen... 95 5.1.1 Volumenstromquellen... 95 5.1.2 Druckquellen... 97 5.2. Offener und geschlossener Kreislauf... 98 5.2.1 Offener Kreislauf... 99 5.2.2 Geschlossener Kreislauf... 101 5.3 Parallel- und Reihenschaltung von Verbrauchern... 102 5.4 Drosselkreisläufe... 104 5.4.1 Drosselkreisläufe mit Druckquelle... 104 5.4.2 Drosselkreisläufe mit Volumenstromquelle... 106 5.5 Passive und aktive Lasten... 107 6 Pumpen und Motoren (N. Gebhardt)... 109 6.1 Einteilung... 109 6.2 Kenngrößen... 111 6.3 Maßnahmen zur Pulsationsminderung... 120 6.4 Simulation von Hydromaschinen... 123 6.5 Bauarten von Hydromaschinen... 125 6.5.1 Zahnradmaschinen... 125 6.5.2 Schraubenmaschinen... 130 6.5.3 Flügelzellenmaschinen... 131 6.5.4 Kolbenmaschinen... 134 6.6 Stelleinheiten von Hydromaschinen... 141 6.6.1 Steuereinrichtungen... 143 6.6.2 Regeleinrichtungen... 146 6.7 Power Packs... 152 6.8 Prüfung von Hydromaschinen... 153 7 Arbeitszylinder (N. Gebhardt)... 155 7.1 Bauarten... 155 7.1.1 Einfachwirkende Zylinder... 156 7.1.2 Doppeltwirkende Zylinder... 157 7.1.3 Schwenkmotoren... 158 7.2 Berechnung von Zylindern... 159 7.2.1 Hubkraft und Arbeitsgeschwindigkeit... 160 7.2.2 Reibungskräfte und Wirkungsgrad... 163 7.2.3 Knickung... 166 7.2.4 Auslegung... 168 7.3 Zusatzelemente an Zylindern... 168 7.3.1 Endlagendämpfung... 168 7.3.2 Befestigungsmöglichkeiten der Zylinder... 170 7.3.3 Wegmesssysteme... 171

Inhaltsverzeichnis IX 7.3.4 Überprüfung von Zylindern... 173 8 Ventile (H. Ströhl, R. Nollau)... 175 8.1 Druckventile... 176 8.1.1 Druckbegrenzungsventile... 177 8.1.2 Druckreduzierventile... 184 8.1.3 Druckdifferenzventile... 187 8.1.4 Druckverhältnisventile... 188 8.2 Stromventile... 189 8.2.1 Drosselventile... 189 8.2.2 Stromregelventile... 193 8.2.3 Stromteilventile... 196 8.3 Sperrventile... 198 8.3.1 Absperrventile... 198 8.3.2 Rückschlagventile... 199 8.3.3 Entsperrbare Rückschlagventile... 200 8.3.4 Wechselventile... 203 8.4 Wegeventile... 203 8.4.1 Kolbenlängsschieberventile... 206 8.4.2 2-Wege-Einbauventile als gesteuerte Einzelwiderstände... 214 8.5. Elektrisch betätigte Stetigventile (R. Nollau)... 218 8.5.1 Servoventile... 218 8.5.2 Proportionalventiltechnik... 229 8.5.3 Vergleich Servo- und Proportionalventile... 238 8.5.4 Regelventile... 238 8.6 Verkettungstechnik und Montageformen für Ventile... 239 8.6.1 Rohrleitungseinbau... 239 8.6.2 Mehrventilblockbauweise... 240 8.6.3 Anschlussplattenverkettung... 242 8.6.4 Einschraub- bzw. Einsteckverkettung... 246 9 Druckflüssigkeitsspeicher (D. Herschel)... 247 9.1 Anwendungen... 247 9.2 Wirkungsprinzip... 249 9.3 Bauarten... 250 9.4 Auslegung von Druckflüssigkeitsspeichern... 254 9.4.1 Problemstellung und Kenngrößen... 254 9.4.2 Auslegungspraxis... 257 9.5 Sicherheitsvorschriften... 260 9.5 Einbau, Inbetriebnahme und Wartung... 263 10 Zubehör (D. Herschel)... 265 10.1 Flüssigkeitsbehälter (Tank)... 265

X Inhaltsverzeichnis 10.2 Flüssigkeitskühler und Vorwärmer... 269 10.3 Leitungen und Leitungsverbindungen... 271 10.3.1 Rohrleitungen... 271 10.3.2 Rohrverschraubungen... 273 10.3.3 Schlauchleitungen... 279 10.4 Filter... 280 10.4.1 Funktion und Kenngrößen... 280 10.4.2 Filterarten und Filterkonzept... 283 10.4.3 Anordnung der Filter im Kreislauf... 286 11 Montage, Inbetriebnahme und Instandhaltung (D. Herschel)... 287 11.1 Montage... 287 11.2 Inbetriebnahme... 290 11.3 Vorbeugende Instandhaltung (Wartung)... 291 12 Messtechnik in der Hydraulik (N. Gebhardt)... 295 12.1 Messgrößen... 296 12.1.1 Allgemeines... 296 12.1.2 Druck... 300 12.1.3 Temperatur... 305 12.1.4 Kombisensoren... 307 12.1.5 Volumenstrom... 308 12.1.6 Drehzahl... 315 12.1.7 Schallpegel... 316 12.2 Hydraulikmessgeräte... 318 12.2.1 Digitalanzeigegeräte... 319 12.2.2 Hydrotester... 319 12.2.3 Sensoren und Messgeräte zur Analyse des Fluides... 321 12.2.4 Der PC als Messgerät... 326 12.3 Software... 328 13 Diagnose und Zuverlässigkeit (N. Gebhardt)... 329 13.1 Allgemeine Grundlagen... 329 13.2 Hydraulikdiagnose... 333 13.3 Anwendung der Hydraulikdiagnose... 337 14 Projektierung und Gestaltung von Kreisläufen (R. Nollau)... 339 14.1 Projektierungsgrundlagen... 339 14.2 Kreislaufkonzepte... 341 14.3 Kreisläufe mit Druckquellen konstanten Drucksollwertes... 346 14.3.1 Kreislaufstrukturen, Teilsysteme... 346 14.3.2 Antriebsschaltungen... 348 14.3.3 Druckquellen... 360 14.3.4 Leitungssystem... 367

Inhaltsverzeichnis XI 14.3.5 Dynamisches Verhalten... 368 14.4 Kreisläufe mit Load-Sensing-System... 385 14.4.1 Grundstruktur des Kreislaufes... 385 14.4.2 Strukturmodifikationen... 387 14.4.3 Dynamisches Verhalten... 390 14.5 Kreisläufe mit Volumenstromquellen... 393 14.5.1 Kreislaufstrukturen, Steuerungsprinzipien... 393 14.5.2 Kreislaufvarianten... 394 14.5.3 Dynamisches Verhalten... 404 14.6 Vergleich der Kreislaufkonzepte... 409 14.6.1 Aufwand an Komponenten, Verlustleistungen... 409 14.6.2 Dynamisches Verhalten... 412 14.7 Der Projektierungsprozess... 413 14.7.1 Zuordnung der Antriebe zu Kreislaufstrukturen... 415 14.7.2 Druckniveaufestlegung... 417 14.7.3 Projektierung eines Kreislaufes mit Druckquelle... 417 14.7.4 Projektierung eines Kreislaufes mit Volumenstromquelle... 423 14.7.5 Projektierung weiterer Komponenten... 423 Literatur... 425 Sachverzeichnis... 437

1 Einleitung Das Fachgebiet Hydraulik ist ein Teilgebiet der Hydromechanik, welche die Hydrostatik und die Hydrodynamik umfasst. Ursprünglich wurden in der Technik unter dem Begriff Hydraulik alle hydrostatischen und hydrodynamischen Kraft-, Bewegungs- und Strömungsvorgänge sowie die zugehörigen Geräte und Anlagen verstanden, die mit dem Übertragungsmedium Wasser arbeiten (griechisch: hydor = das Wasser). Die ersten hydraulischen Einrichtungen wurden folglich ausschließlich mit Wasser betrieben. Erst im Laufe der Entwicklung kamen zunehmend andere, überwiegend selbstschmierende, Flüssigkeiten als Übertragungsmedien zum Einsatz. Dadurch ist heute die Wasserhydraulik nur ein Teilgebiet der Hydraulik. Die Hydraulik ist der Antriebstechnik zuzuordnen. Aufgabe der Antriebstechnik ist es, den Antrieb einer Maschine oder einer Einrichtung so zu gestalten, dass deren technologische Aufgaben optimal erfüllt werden können. Das gilt für das Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges ebenso wie für den Antrieb einer Seilwinde, einer Presse u.a.m. anzutreibende Getriebe Motor M e, e (Wandler) M a, a ; F a,v a Einrichtung (Maschine) Abb. 1.1 Prinzipdarstellung eines Antriebes Den grundsätzlichen Aufbau eines Antriebes zeigt Abb. 1.1. Die Antriebsleistung wird von einem Elektromotor oder einem Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellt. Die Ausgangsgrößen M e und e des Motors müssen durch einen Wandler in die von der Maschine geforderten Eingangsgrößen M a und a bei rotatorischen bzw. F a und v a bei translatorischen Antrieben transformiert werden. Diese Aufgabe übernimmt das Getriebe. Dem Konstrukteur bzw. Projekteur von Antrieben stehen dafür unterschiedliche Getriebebauformen zur Verfügung, aus denen er die für das vorliegende Antriebsproblem geeignete Variante auswählen muss. Die Getriebe können nach der Art der Elemente zur Wandlung der Eingangs- in die Ausgangsparameter eingeteilt werden in:

2 1 Einleitung Mechanische Getriebe. Die Übertragungselemente sind Zahnräder, Riemen, Koppelgetriebe u.a. Eine stufenlose Veränderung des Übersetzungsverhältnisses ist nur begrenzt möglich. Mechanische Getriebe verlangen eine feste räumliche Zuordnung zwischen Antriebsmotor und Maschine. Elektrische Antriebe. Die Drehzahl elektrischer Antriebsmotoren kann heute in einem großen Bereich stufenlos verändert werden. Damit wird bei elektrischen Antrieben ein Teil der Getriebefunktion vom Motor und seiner Steuerung erfüllt. Elektrische Antriebe erfordern in vielen Fällen ein mechanisches Getriebe mit konstanter Übersetzung zur Anpassung von Drehmoment und Drehzahl an die von der anzutreibenden Einrichtung geforderten Parameter. Auch bei elektrischen Antrieben ist eine feste räumliche Zuordnung zwischen Antriebsmotor und Maschine erforderlich. Hydraulische Getriebe. Zur Übertragung der Leistung dient eine Flüssigkeit. Je nachdem, ob die potentielle oder die kinetische Energie des Flüssigkeitsstromes genutzt wird, wird zwischen hydrostatischen und hydrodynamischen Getrieben unterschieden. Hydrostatische Getriebe arbeiten nach dem Verdrängerprinzip. Im einfachsten Falle liefert eine mechanisch angetriebene Pumpe einen Volumenstrom, der im Motorteil (Hydromotor oder Arbeitszylinder) eine Abtriebsbewegung hervorruft. Auf Grund der Belastung am Motorteil entsteht ein Druck, der mit dem Volumenstrom die übertragene Leistung bildet, die als mechanische Abtriebsleistung an die anzutreibende Maschine abgegeben wird. Das hydrostatische Getriebe zeigt in seiner Kennlinie Nebenschlussverhalten, d.h., die Abtriebsdrehzahl bzw. -geschwindigkeit ist praktisch unabhängig von der Belastung. Durch die Möglichkeit, Pumpe und Motor räumlich zu trennen und flexible Leitungen zu verwenden, ist eine feste räumliche Zuordnung zwischen Antriebsmotor und anzutreibender Einrichtung nicht erforderlich. Eine stufenlose Veränderung des Übersetzungsverhältnisses ist in einem großen Bereich möglich. Als Übertragungsmedium werden heute Mineralöle, schwerentflammbare Flüssigkeiten auf wasserhaltiger oder synthetischer Basis oder Öle auf natürlicher Basis verwendet Hydrodynamische Getriebe bestehen aus einem Pumpenteil und einem Motorteil (Turbine). Die Drehzahl- und Drehmomentenwandlung erfolgt mittels kinetischer Energie der Flüssigkeitsmasse. Das hydrodynamische Getriebe zeigt in seiner Kennlinie Hauptschlussverhalten, d.h., die Abtriebsdrehzahl nimmt mit zunehmendem Drehmoment ab. Beim Einsatz hydrodynamischer Getriebe ist wegen ihrer kompakten Bauweise eine feste räumliche Zuordnung zwischen Antriebsmotor und anzutreibender Einrichtung erforderlich. Weitere Gestaltungsmöglichkeiten für Antriebssysteme ergeben sich durch die Verwendung von Luft als Übertragungsmedium in pneumatischen Getrieben und durch die Kombination der oben beschriebenen Lösungen (z.b. Elektrohydraulik oder Pneumohydraulik). Derartige Kombinationen ermöglichen die sinnvolle Verbindung der Vorteile der jeweiligen Systemkomponenten.

1 Einleitung 3 Im vorliegenden Buch werden physikalische und fachspezifische Grundlagen, Komponenten und Geräte sowie Schaltungen behandelt, in denen das hydrostatische Übertragungsprinzip angewendet wird. Dynamische Vorgänge treten auch beim hydrostatischen Antrieb, insbesondere bei kritischen Strömungszuständen und bei Anlauf- und Bremsvorgängen auf. Sie bilden im Leistungsbereich keine dominierende Rolle. Ihre Kenntnis und Behandlung ist jedoch eine wichtige Voraussetzung zur Optimierung des dynamischen Verhaltens hydraulischer Anlagen. Der Begriff Ölhydraulik wurde seit langem in der Technik geprägt und ist wegen des vorwiegenden Einsatzes von Mineralölen noch immer üblich. Da heute in zunehmendem Maße auch andere Flüssigkeiten eingesetzt werden, sollte er besser durch den Begriff Hydraulik ersetzt werden. Für die Gesamtheit der hydrostatischen und pneumostatischen Antriebe, Steuerungen und Regelungen wird zunehmend der Begriff Fluidtechnik verwendet. Nach DIN ISO 1219 wird in fluidtechnischen Anlagen (flüssig oder gasförmig) innerhalb eines Kreislaufes übertragen, gesteuert oder geregelt. Damit ist die Hydraulik ein Teilgebiet der Fluidtechnik. Die optimale Lösung einer Antriebs- und Steuerungsaufgabe ist immer davon abhängig, in welchem Maße die technischen, wirtschaftlichen und ergonomischen Forderungen erfüllt werden. Es gibt in der Technik eine Reihe typischer Anwendungsfälle und Anwendungsgebiete, bei denen auf Grund besonderer Vorteile einer Getriebe- bzw. Antriebsart ausschließlich diese zur Anwendung kommt. So werden Linearantriebe zur Bewältigung großer Kräfte auch bei kleinsten Geschwindigkeiten ausschließlich hydraulisch ausgeführt. Das gilt z.b. für bestimmte Pressen für die Automobilindustrie, für Kunststoffpressen, für Hubantriebe bei Gabelstaplern, Baggern, Schauflern, Ladern und Mobilkranen. Auch werden bei schweren Arbeitsmaschinen und Landmaschinen die Fahrantriebe hydraulisch ausgeführt. In Werkzeugmaschinen, in der Roboter- und Fertigungstechnik sowie in der Walzwerktechnik, im Schwermaschinenbau, im Schiffbau, in Flugzeugen und in Transportfahrzeugen ist die Hydraulik häufig anzutreffen. Zunehmend ist die Anwendung der Hydraulik in Kraftfahrzeugen zu beobachten. In der Antriebs-, Steuerungs- und Regelungstechnik werden neben der Hydraulik auch pneumatische, elektrisch/elektronische und mechanische Lösungen oder Kombinationen verwendet. Besonders hat sich der elektrohydraulische Antrieb verbreitet, wobei mit Mikrorechnern gekoppelte Antriebe, Steuerungen und Regelungen weiter an Bedeutung gewinnen. Die mit elektrohydraulischen Servoventilen erreichte hohe Dynamik und Genauigkeit bei Präzisions-Stellantrieben in Verbindung mit digitalen Reglungen hat durch den Einsatz von elektrohydraulischen Proportionalventilen einen wirtschaftlich vertretbaren Aufwandsbereich erreicht. Neuerdings sind elektrohydraulische Aktoren in der Entwicklung, die mit piezoelektrischer oder magnetostriktiver Ansteuerung arbeiten und eine Minimierung der hydraulischen Ventiltechnik erwarten lassen. Damit wird die Hydraulik zunehmend integraler Bestandteil der Mechatronik. In vielen Anwendungsfällen ist es erforderlich, aus vorhandenen Lösungsmöglichkeiten, auch verschiedener Energieformen, in einem Variantenvergleich die geeignetste Lösung zu ermitteln. Dazu ist die Kenntnis der Vor- und Nachteile der

4 1 Einleitung jeweiligen Antriebsart notwendig. Die wesentlichsten Vorteile und Nachteile der Hydraulik sind aus heutiger Sicht wie folgt darzustellen: Vorteile: einfache Erzeugung linearer Bewegungen, Erzeugung großer Kräfte und Drehmomente, hohe Energiedichte, stufenlose Änderung der Abtriebsbewegungen, einfache Umkehr der Bewegungsrichtung, Anfahren aus dem Stillstand unter Vollast, geringe Zeitkonstante durch niedrige Trägheitswiderstände der Hydraulikmotoren und Arbeitszylinder, einfacher Überlastungsschutz durch Druckbegrenzungsventile, einfache Anzeige der Belastung durch Druckmessgeräte, Freizügigkeit der Anordnung, variable Antriebsstrukturen der Hydraulikgeräte durch entsprechende Leitungsverlegung und Hochdruckschläuche, Mit elektrohydraulischen Komponenten besonders geeignet für den Einsatz in geregelten Antrieben und automatisierten Einrichtungen (Mechatronik). Nachteile: hohe Anforderung an die Filterung der Hydraulikflüssigkeit (Schmutzempfindlichkeit), Abhängigkeit der Viskosität und der Kompressibilität von Druck und Temperatur, beeinflussen das Betriebsverhalten durch Leckagen und Druckverluste vergleichsweise schlechter Wirkungsgrad (Drosselsteuerung), infolge hoher Leistungsdichte und geringer Dämpfung relativ hohe Schwingungsneigung (Regelstreckenproblem), Lärmentwicklung. Durch die gezielte Anwendung der physikalischen Grundlagen und der Kenntnis des Aufbaus und der Wirkungsweise der Hydraulikgeräte und -kreisläufe wird eine funktionsgerechte und wirtschaftliche Gestaltung zuverlässiger Hydraulikantriebe erreicht und es ergibt sich damit die Möglichkeit zur Erweiterung des Hydraulikanwendungsfeldes.

2 Aufbau und Darstellung hydraulischer Anlagen Ausgehend von einem praktischen Beispiel werden nachfolgend Aufbau und Wirkungsweise einer einfachen hydraulischen Anlage erläutert. Die in Abb. 2.1 vereinfacht dargestellte hydraulische Transporteinrichtung ist u.a. zum Beschicken von Bearbeitungsmaschinen geeignet. Dabei muss die Last durch den Kolben des Zylinders 4 in eine bestimmte Position geschoben werden und in dieser über einen längeren Zeitraum verbleiben können. Last 4 6 2 3 5 2 2 6 1 9 7 8 Abb. 2.1 Hydraulisch betätigte Transporteinrichtung (ALMAT Fluid-Systeme). 1 Pumpe, 2 Leitungen, 3 Steuereinrichtung, 4 Arbeitszylinder, 5 Manometer, 6 Leitungen, 7 Filter, 8 Behälter, 9 Druckbegrenzungsventil Wirkungsweise der Hydraulikanlage Die durch einen Elektromotor angetriebene Zahnradpumpe 1 saugt einen Volumenstrom aus dem Behälter 8 und fördert ihn über die Leitungen 2 und die Steuereinrichtung 3 auf die rechte Seite des Kolbens des als Linearmotor wirkenden

6 2 Aufbau und Darstellung hydraulischer Anlagen Zylinders 4. Der Volumenstrom verdrängt den Kolben und schiebt mit der Kolbenstange die Last nach links. Der dabei auf der linken Seite des Kolbens verdrängte Volumenstrom fließt über die Leitungen 6, die Steuereinrichtung 3 und den Filter 7 zurück in den Behälter 8. Die durch das Verschieben der Last entstehende Widerstandskraft verursacht im Zylinderraum auf der rechten Seite des Kolbens und den mit diesem verbundenen Leitungen einen Druck, dessen Größe von der Widerstandskraft und der Kolbenfläche bestimmt wird. Der in der Hydraulikanlage herrschende Druck kann am Manometer 5 abgelesen werden. Das Druckbegrenzungsventil 9 begrenzt die Höhe des Druckes und schützt die Anlage vor Überlastung. Die Einstellung der Bewegungsrichtung der Last erfolgt durch Verschieben des Stellelementes im Gehäuse der Stelleinrichtung 3. Dadurch werden die für die jeweilige Bewegungsrichtung erforderlichen Zylinderanschlüsse mit der Pumpe 1 bzw. dem Behälter 8 verbunden. In der in Abb. 2.1 gezeigten Position des Stellelementes fließt der von der Pumpe geförderte Volumenstrom zum Behälter zurück und die beiden Anschlussleitungen zum Zylinder sind abgesperrt. Die Last befindet sich in der Ruhelage. Der in der Rückflussleitung angeordnete Filter 7 hat die Aufgabe, Verunreinigungen (z.b. Verschleißpartikel) aus dem Hydraulikfluid zu entfernen. Aus der dargestellten Funktions- und Wirkungsweise der hydraulischen Transportanlage folgt, dass Hydraulikanlagen Antriebssysteme sind, in welchen die vom Antriebsmotor abgegebene mechanische Leistung durch die Pumpe in hydraulische Leistung transformiert wird, welche der Hydromotor (Arbeitszylinder) wieder in mechanische Leistung zurücktransformiert. Aufbau der Hydraulikanlage Die für Hydraulikanlagen charakteristische Leistungswandlung mechanisch hydraulisch mechanisch führt zu dem in Abb. 2.2 dargestellten grundsätzlichen Aufbau einer Hydraulikanlage. Sie besteht aus den Hauptelementen: Antriebs- Motor Schalt- und Steuersignale anzutreibende Einrichtung P an P ab Flüssigkeitsstromerzeuger (Pumpe) Q P,p P Steuer- und Regeleinrichtung (Ventile) Q m,p m Flüssigkeitsstromverbraucher (Motor) Hydraulikanlage Q 0, p 0 Q R1, p 0 Q R2, p 0 Behälter Abb. 2.2 Grundsätzlicher Aufbau hydraulischer Anlagen

2 Aufbau und Darstellung hydraulischer Anlagen 7 Flüssigkeitsstromerzeuger (Pumpe), Flüssigkeitsstromverbraucher (Hydromotor), Steuer- und Regeleinrichtung und Zubehör. Flüssigkeitsstromerzeuger wandeln die mechanische Leistung P an des Antriebsmotors (Elektromotor oder Verbrennungsmotor) in durch den Volumenstrom Q p und den zu übertragenden Druck p P bestimmte hydraulische Leistung. Sie sind Verdrängerpumpen, deren Volumenstrom Q p konstant oder veränderbar sein kann. Flüssigkeitsstromverbraucher wandeln die durch den zu ihnen fließenden Volumenstrom Q m und den vom Verbraucher erzeugten Druck p m bestimmte hydraulische Leistung in die mechanische Abtriebsleistung P ab. Sie sind Hydromotoren für rotierende oder translatorische Abtriebsbewegung. Steuer- und Regeleinrichtungen haben die Aufgabe, durch Schalt-, Steuer- und Regelvorgänge die Größen Druck p und Volumenstrom Q, welche die zu übertragende hydraulische Leistung P y bestimmen, zu beeinflussen. Die dazu erforderlichen Schalt-, Steuer- und Regelinformationen können von außen aufgegeben werden oder aus der hydraulischen Anlage selbst kommen. Steuer- und Regeleinrichtungen sind grundsätzlich Ventile. Deren Durchflussquerschnitte sind stetig veränderbar oder sie realisieren nur die Schaltzustände offen bzw. geschlossen. Steuer- und Regeleinrichtungen können auch aus Kombinationen mehrerer Ventile bestehen. In Abhängigkeit von den Aufgaben, welche die Ventile in hydraulischen Anlagen zu erfüllen haben, wird unterschieden in Druckventile, Stromventile, Wegeventile und Sperrventile. Druckventile beeinflussen durch Veränderung ihres Durchflussquerschnitts die Größe des Druckes in einem Zweig der Hydraulikanlage oder die Druckdifferenz bzw. das Druckverhältnis zwischen Ein- und Ausgang eines Hydraulikelements. Stromventile besitzen einen oder mehrere veränderbare Durchflussquerschnitte. Sie dienen zur Einstellung eines bestimmten Volumenstromes in einem Zweig der Hydraulikanlage. Wegeventile sind (mehrpolige) Schalter, welche Leitungsverbindungen herstellen oder trennen bzw. eine stetige Verstellung ermöglichen. Mit ihnen können Bewegungszustände von Hydromotoren z.b. Vorlauf, Rücklauf, Halt gesteuert oder geregelt werden. Sperrventile öffnen oder verschließen richtungsabhängig den Durchflussquerschnitt für den durch sie fließenden Volumenstrom. Zum Zubehör gehören alle bisher nicht aufgeführten Elemente und Geräte, die zum sicheren Betrieb einer Hydraulikanlage unbedingt erforderlich sind. Das sind u.a. Flüssigkeitsbehälter, Leitungen zur Übertragung der hydraulischen Leistung, Messgeräte, Heiz- bzw. Kühleinrichtungen und Filter. Darstellung hydraulischer Anlagen Zur eindeutigen Darstellung des Aufbaues und der Wirkungsweise einer hydraulischen Anlage dient der Funktionsschaltplan. Dieser enthält alle Komponenten und

8 2 Aufbau und Darstellung hydraulischer Anlagen Geräte, ihre Verknüpfung sowie alle erforderlichen Angaben für Schalt-, Steuerund Regelinformationen. Im Funktionsschaltplan werden alle Komponenten und Geräte durch Symbole dargestellt. Diese in DIN ISO 1219-1 genormten Symbole erfüllen u.a. folgende Forderungen: eindeutige Darstellung der Funktion der Komponente bzw. des Gerätes, ohne auf konstruktive Details einzugehen, Verwendung kombinationsfähiger Grundsymbole, die die Darstellung komplizierter Strukturen auch bisher unbekannter Komponenten erlauben. In Tabelle 2.1 ist eine Auswahl der Schaltsymbole nach DIN ISO 1219-1 dargestellt. Weitere Symbole werden bei der Behandlung der Komponenten in den entsprechenden Kapiteln bzw. Abschnitten vorgestellt. Die im Buch verwendeten Kurzzeichen für Geräte und Leitungen sind in Tabelle 2.2 dargestellt. Tabelle 2.1 Hydrauliksymbole nach DIN ISO 1219-1 (Auswahl) lfd.nr. Symbol Bedeutung 1 Strömungsrichtung des Fluids 2 Verstellbarkeit 3 Betätigungsarten 3a 3b 3c 3d 3e 3f 3g Muskelkraft Stößel oder Taster Feder Elektromagnet (schaltend) Proportionalmagnet hydraulisch direkt wirkend hydraulisch indirekt wirkend 3h M Elektromotor Druckleitung, Rückflussleitung, elektrische 4 Leitung Steuerleitung, Leckleitung, Spül- oder Entlüftungsleitung 5 6 flexible Leitung 7 Leitungskreuzung (keine Verbindung)

2 Aufbau und Darstellung hydraulischer Anlagen 9 8 Leitungsverbindung 9 Entlüftung, kontinuierlich 10 Behälter, Leitungsende unterhalb des Fluidspiegels 11 Druckflüssigkeitsspeicher 12 Druckquelle Pumpe mit konstantem Verdrängungsvolumen, einer Förderrichtung und einer Dreh- 14 richtung Pumpe mit veränderbarem Verdrängungsvolumen und zwei 15 Förderrichtungen 16 Rotationsmotor mit konstantem Verdrängungsvolumen und einer Drehrichtung 17 Rotationsmotor mit veränderbarem Verdrängungsvolumen und zwei Drehrichtungen 18 einfach wirkender Zylinder mit Tauchkolben 19 20 doppelt wirkender Zylinder mit einseitiger Kolbenstange doppelt wirkender Zylinder mit zweiseitiger Kolbenstange 21 Teleskopzylinder einfach wirkend 22 Drosselventil einstellbar 23 Absperrventil 24 Rückschlagventil, ohne Druckabfall 25 Rückschlagventil, mit Druckabfall 26 Rückschlagventil, entsperrbar 27 4/3-Wegeventil

10 2 Aufbau und Darstellung hydraulischer Anlagen 28 4/2-Wegeventil mit Elektromagnet und Federrückführung 29 Servoventil, zweistufig, mit positiver Überdeckung 30 Druckbegrenzungsventil, direktgesteuert, mit externem Leckanschluss 31 Druckreduzierventil, einstufig 32 2-Wege-Stromregelventil 33 3-Wege-Stromregelventil 34 Filter 35 Kühler 36 Vorwärmer 37 Manometer 38 Volumenstrommesser 39 Thermometer Tabelle 2.2 Bezeichnung hydraulischer Geräte und Leitungen Gerät bzw. Leitung Kurzzeichen Gerät bzw. Leitung Kurzzeichen Absperrventil VA Druckquelle PQ Behälter B Rückschlagventil VR Drosselventil VDr Servoventil VSo Druckbegrenzungsventil VD Stromregelventil VS Druckdifferenzventil VDi Wegeventil VW Druckflüssigkeitsspeicher Sp Proportionalwegeventil VWP Druckreduzierventil VM Ablaufleitung T Filter F Druckleitung P Motor M Leckleitung L, T l Pumpe P Steuerleitung P x Volumenstromquelle VQ Verbraucherleitung A, B

2 Aufbau und Darstellung hydraulischer Anlagen 11 A B a P A T B b P A T B c 2 P 0 A T 1 B d P 2 T 0 1 Abb. 2.3 Erläuterung zum Symbol eines 4/3-Wegeventils. a Grunddarstellung b Hinzufügung weiterer Schaltstellungen c komplettes Symbol des Wegeventils d Wegeventil in Schaltstellung 2 Zum Verständnis der Anwendung und Handhabung des Symbols eines Wegeventils dient Abb. 2.3. Das Symbol eines Wegeventils wird grundsätzlich durch ein quadratisches Feld (Abb. 2.3a) dargestellt. An dieses werden die Leitungsanschlüsse (in Abb. 2.3 vier Anschlüsse, mit A, B, P, T bezeichnet) herangeführt. Die einer bestimmten Schaltstellung des Wegeventils entsprechenden Leitungsverbindungen werden in das Quadrat eingezeichnet (im Beispiel: A, B gesperrt; P mit T verbunden). Weitere Schaltstellungen werden durch Hinzufügen weiterer Quadrate mit den diesen Schaltstellungen entsprechenden Leitungsverbindungen (Abb. 2.3. b) dargestellt. So entsteht das komplette Symbol (Abb. 2.3 c) für das Wegeventil, das im vorliegenden Falle vier Leitungsanschlüsse und drei Schaltstellungen hat. Es wird deshalb als 4/3-Wegeventil bezeichnet. Die einzelnen Schaltstellungen werden mit arabischen Ziffern (2, 0, 1) gekennzeichnet, wobei die Mittelstellung stets die Ziffer 0 erhält. Die Leitungsanschlüsse A, B, P, T werden nur an ein quadratisches Feld gezeichnet, welches normalerweise die Halt- bzw. Ruhestellung charakterisiert (s. Abb. 2.3 c). Eine neue Schaltstellung wird durch Verschieben des Symbols gegenüber den feststehenden Leitungsanschlüssen erreicht. Dabei wirken die Betätigungselemente (in Abb. 2.3 d durch einen Pfeil dargestellt) grundsätzlich schiebend auf das Schaltsymbol. Die Einhaltung dieser einfachen Hinweise ist wichtig für die eindeutige Zuordnung der Betätigungselemente zu den Schaltstellungen. Zum Verständnis der Anwendung und Handhabung des Symbols eines Druckbegrenzungsventils dient Abb. 2.4. Druckbegrenzungsventile werden grundsätzlich im unbeaufschlagten Zustand (so, wie der Schaltzustand bei nicht mit Druck beaufschlagten Leitungen ist), gezeichnet. In diesem Zustand schiebt die Federvorspannkraft F F das Ventilelement 1 gegen den Anschlag 2. Der Pfeil im quadra-

12 2 Aufbau und Darstellung hydraulischer Anlagen tischen Ventilsymbol hat keine Verbindung zur Abflussleitung T. Das Ventil ist geschlossen. Mit zunehmendem Druck p steigt die hydraulische Kraft F y an. p Q F y 2 1 T F F Abb. 2.4 Erläuterung zum Symbol eines Druckbegrenzungsventils. 1 Ventilelement, 2 Anschlag Überschreitet sie die Federvorspannkraft, wird das Ventilsymbol nach rechts verschoben, das Ventil öffnet und der Volumenstrom Q kann gegen den Einstelldruck des Ventils über den Leitungsanschluss T abfließen. Dabei wird vor dem Ventil der Duck p aufrechterhalten. Der Funktionsschaltplan der hydraulisch betätigten Transporteinrichtung nach Abb. 2.1 ist in Abb. 2.5 dargestellt. Die vom Elektromotor angetriebene Pumpe P fördert einen konstanten Volumenstrom in die Anlage. Die Schaltstellungen 0, 1, 2 des handbetätigten 4/3-Wegeventils VW realisieren die Bewegungszustände Halt, Vorlauf und Rücklauf des Arbeitszylinders M. Durch die Federn am Wegeventil wird gewährleistet, dass beim Loslassen des Betätigungshebels die Schaltstellung 0 erreicht und der Arbeitszylinder M sicher in seiner Lage gehalten wird. Das Druckbegrenzungsventil schützt die Anlage vor Überlastung. Der Filter F, der hier in der Rückflussleitung angeordnet wurde, beseitigt mechanische Verunreinigungen und schützt so die Anlage vor schnellem Verschleiß. M VW 2 0 1 Me M P VD F B Abb. 2.5 Funktionsschaltplan der Hydraulikanlage nach Abb. 2.1 Der Funktionsschaltplan gibt nur Auskunft über Aufbau und Funktion der Hydraulikanlage. Er sagt nichts zur räumlichen Anordnung und zur Größe der Komponenten und Geräte aus.

3 Druckflüssigkeiten 3.1 Anforderungen Die Druckflüssigkeit ist ein wesentliches Konstruktionselement jeder Hydraulikanlage. Die spezifischen Eigenschaften der Druckflüssigkeiten beeinflussen die Funktionsfähigkeit, Betriebssicherheit und Umweltverträglichkeit hydraulischer Systeme. Die Aufgaben einer Druckflüssigkeit sind sehr vielfältig und führen zu einem komplexen Anforderungsprofil. Neben den prinzipbedingten Hauptaufgaben Leistungsübertragung, verbunden mit Druck- und Bewegungsübertragung, Herstellen und Aufrechterhalten der Verbindung zwischen Primär- und Sekundäreinheit, Übertragung von Signalen für Steuerungs- und Regelungszwecke sind weitere funktionswichtige Nebenaufgaben zu erfüllen: Schmierung von Gleit- und Wälzkontakten zur Verminderung von Reibung und Verschleiß, Abführen von Wärmeenergie vom Entstehungsort zum Wärmetauscher, i. Allg. zum Behälter, Transport von Fremdstoffen (z.b. Verschleißpartikeln) zum Filter, Schutz von Oberflächen vor chemischem Angriff, insbesondere vor Korrosion. In Tabelle 3.1 sind die Anforderungen an Druckflüssigkeiten zusammengestellt. Die Gliederung der Anforderungen nach Aspekten ist natürlich nicht zu eng zu sehen; z.b. beeinflusst die Viskosität neben der Funktion auch die ökonomische Bilanz (Leistungsverluste!). 3.2 Einteilung Naheliegend ist der Einsatz von Wasser als Druckflüssigkeit, denn neben der Verfügbarkeit werden wichtige Anforderungen in idealer Weise erfüllt, z. B. Umweltverträglichkeit, Nichtbrennbarkeit, Produktverträglichkeit (keine Schädigung für Lebensmittel, Pharmaka, Textilien u. a.) und Wirtschaftlichkeit (Kosten für Anschaffung, Entsorgung, Versicherung). Historisch gesehen war Wasser auch die erste Flüssigkeit für den Einsatz in Hydraulikanlagen. Bald nach der ersten Dampfmaschine ließ sich Bramah 1795 die Erfindung einer hydraulischen Presse

14 3 Druckflüssigkeiten mit Wassereinsatz patentieren (britisches Patent Nr. 2045). Im Jahr 1906 liegt die Geburtsstunde für die Ölhydraulik; als neues Druckmedium brachte Janney Mineralöl in einem hydrostatischen Getriebe zum Einsatz. Die Wasserhydraulik wurde in der Folgezeit mehr und mehr in Nischenanwendungen verdrängt, erfährt jedoch in jüngster Zeit eine Renaissance, s. Abschn. 3.4.4. Nach Unfällen und Brandkatastrophen, besonders im Bergbau, wurden schwer entflammbare Flüssigkeiten entwickelt und für bestimmte Einsatzfälle vorgeschrieben. Tabelle 3.1 Anforderungen an Druckflüssigkeiten Aspekt Funktionalität und Zuverlässigkeit Ökonomie Sicherheit Verträglichkeit für Umwelt und Menschen Anforderungen Leistungsübertragung mit dem Stand der Technik entsprechenden Parametern, vor allem einer hohen Leistungsdichte und geringen Verlusten Voraussetzung dafür sind: gute Schmierfähigkeit Aufrechterhalten eines tragfähigen Schmierfilms auch bei hohen Belastungen; entscheidend dafür ist das Viskositäts-Druck-Verhalten gutes Benetzungsvermögen für die Reibpartner Bildung reibungsmindernder Reaktionsschichten angemessene Viskosität und eine geringe Abhängigkeit der Viskosität von der Temperatur, d.h., hoher Viskositätsindex VI Filtrierbarkeit, d.h., kein flüssigkeitsbedingter Störeinfluss auf die Filterstandzeit hohe Alterungsbeständigkeit und thermische Stabilität, dadurch lange Einsatzdauer und lange Wechselzyklen günstiger Anschaffungspreis schwer entflammbar bzw. in bestimmten Einsatzfällen nicht entflammbar keine chemische Aggressivität gegenüber allen Werkstoffen, mit denen die Druckflüssigkeit in Berührung kommt (insbesondere Tribopaarungen, Dichtungen) gutes Luftabscheidevermögen, denn freie Luft stellt in Hydraulikanlagen einen Mangel und unter Umständen ein erhebliches Gefährdungspotential dar (s. Abschn. 3.3.3) keine Schädigung der Umwelt, insbesondere des Wassers keine toxische oder allergene Wirkung auf den Menschen Ein ständig wachsendes Umweltbewusstsein, gepaart mit rechtlichen Maßnahmen des Gesetzgebers sowie der zunehmende ökologische Druck der Öffentlichkeit, haben seit den achtziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts die Entwicklung biologisch schnell abbaubarer Flüssigkeiten ( Bioflüssigkeiten ) befördert. Neueste Entwicklungen auf dem Flüssigkeitssektor sind die elektrorheologischen und magnetorheologischen Flüssigkeiten (ERF bzw. MRF), bei denen sich die Viskosität durch das Anlegen starker elektrischer bzw. magnetischer Felder gezielt und reversibel beeinflussen lässt.

3.2 Einteilung 15 Abbildung 3.1 zeigt die Einteilung der Druckflüssigkeiten in der Übersicht sowie eine Angabe zur Größenordnung der gegenwärtigen Nutzung, wobei branchenspezifisch große Unterschiede auftreten können. Die Anwendungen für ERF und MRF befinden sich derzeit im Prototyp- bzw. Forschungs- und Entwicklungsstadium. Prognostische Einschätzungen der Marktentwicklung verweisen meist auf eine Veränderung beim Einsatz der Mineralöle (Rückgang auf vielleicht 50... 60 %) und biologisch schnell abbaubaren Flüssigkeiten (Zunahme auf 25... 30 %). Umfangreiche Aktivitäten sind gegenwärtig bei der Entwicklung der Wasserhydraulik zu erkennen, wobei es in naher Zukunft vorrangig um das Erschließen neuer Anwendungsgebiete und weniger um ein Konkurrieren mit der verbreiteten konventionellen Hydraulik gehen dürfte [3.1]. Druckflüssigkeiten Klarwasser (Leitungswasser) mit Zusätzen Lebensmittel-, Pharmaindustrie brand- und explosionsgefährdete Bereiche (Bergbau) unlegiert (ohne Additive) legiert (additiviert) wasserhaltig nicht wasserhaltig biologisch schnell abbaubare DF nativ (natürlich) synthetisch Wasser Mineralöle schwerentflammbare Druckflüss. elektrorheologische Flüss. Scherungstyp (shearmode) Strömungstyp (flowmode) 3 % 74 % 9 % 14 % Prototypen konven- brandgefährdete Umwelt- und tionelle Wasserschutz Anwendung Bereiche Freilandanwendungen, Stationärhydraulik Mobilhydraulik hoher Leistung Abb. 3.1 Einteilung der Druckflüssigkeiten Dämpfungselemente Kupplungen Getriebe Sensoren Tabelle 3.2 ISO-Viskositätsklassifikation nach ISO 3448 und DIN 51519 (Auszug) Viskositätsklasse ISO 3448 Mittelpunktsviskosität bei 40 C mm 2 /s Grenzen der kinematischen Viskosität bei 40 C mm 2 /s ISO VG 10 ISO VG 15 ISO VG 22 ISO VG 32 ISO VG 46 ISO VG 68 ISO VG 100 10 15 22 32 46 68 100 9,0 11,0 13,5 16,5 19,8 24,2 28,8 35,2 41,1 50,6 61,2 74,8 90,0 110,0

16 3 Druckflüssigkeiten Ein anderes, häufig genutztes Einteilungskriterium für Druckflüssigkeiten ist die ISO-Viskositätsklassifikation, s. Tabelle 3.2. In den Normen ISO 3448 und DIN 51519 werden 18 Viskositätsklassen (Viscosity Grade bzw. Viscosity Group, VG) im Bereich von 2 bis 1500 mm 2 /s definiert. Jede Viskositätsklasse wird durch die Mittelpunktsviskosität in mm 2 /s bei der Bezugstemperatur 40 C bezeichnet; die zulässigen Grenzen jeder Klasse liegen bei 10 %. Der praxisrelevante Bereich für die Druckflüssigkeiten in Hydrauliksystemen umfasst mit Ausnahme von Wasser ( 40 = 0,66 mm 2 /s) die ISO VG 10 bis ISO VG 100. Eine weitere Untergliederung der Hauptgruppen und die Charakterisierung der marktüblichen Druckflüssigkeiten erfolgt in Abschn. 3.4. 3.3 Eigenschaften und Kennwerte von Druckflüssigkeiten 3.3.1 Viskosität Die Viskosität (auch Zähigkeit) ist die wichtigste Eigenschaft der Druckflüssigkeiten. Sie hat entscheidenden Einfluss auf die Schmierfähigkeit und auf die Energieverluste und zwar komplizierterweise in entgegengesetzter Tendenz auf die Leckverluste und Strömungsverluste. Die Viskosität ist ein Maß für die innere Reibung infolge des Widerstandes, der bei gegenseitiger Verschiebung benachbarter Schichten in einer Flüssigkeit oder einem Gas auftritt. Unter einem anderen Betrachtungspunkt ist die Viskosität die Eigenschaft, durch Schub-(Scher-)verformung eine Schubspannung aufzunehmen, die bei den sog. Newtonschen Flüssigkeiten nur vom Geschwindigkeitsgefälle dv x /dy abhängig ist, vgl. Abb. 3.2. y=h v y=0 dy h dv x Abb. 3.2 Skizze zur Herleitung der Viskosität für Newtonsche Flüssigkeiten x Zwischen zwei benachbarten Flüssigkeitsschichten wirkt eine Schubspannung xy in Richtung x, die bei isotrop reinviskoser Flüssigkeit dem Geschwindigkeitsgefälle dv x /dy proportional ist dv xy = x. (3.1) dy Den Proportionalitätsfaktor nennt man dynamische Viskosität (DIN 1342/T.2). Die SI-Einheit für ist Pa s.

3.3 Eigenschaften und Kennwerte von Druckflüssigkeiten 17 Veraltet und nicht mehr zulässig ist die Einheit Poise (P): 1 Poise (P) = 0,1 Pa s 1 cp = 10-3 Pa s Werte für die dynamische Viskosität werden nach DIN 53018 mit Rotationsviskosimetern aus dem gemessenen Drehmoment bei einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit ermittelt, s. Abb. 3.3 b. Die auf die Dichte bezogene dynamische Viskosität bezeichnet man als kinematische Viskosität = /. (3.2) Temperiermantel Fallkugel Prüfflüssigkeit Fallhöhe Meßwelle Kupplung Prüfflüssigkeit Fallrohr h Temperiergefäß kalibrierte Drosselöffnung Meßbecher a Meßbehälter b c Abb. 3.3 Prinzipien der Viskositätsbestimmung. a Kugelfall-Viskosimeter b Rotations-Viskosimeter c Kapillar- (Ausfluss-)Viskosimeter Die SI-Einheit für ist 1 m 2 /s. Veraltet ist die Einheit Stokes (1 St = 100 cst). In der Praxis werden verwendet: 1 cst = 1 mm 2 /s = 10-6 m 2 /s. Die kinematische Zähigkeit wird vor allem bei Berechnungen von Strömungsvorgängen (Nutzung der Reynoldszahl) verwendet. Auch die Klassifizierung der Druckflüssigkeiten erfolgt nach der kinematischen Viskosität, s. Abschn. 3.2. Die Ermittlung dieser Stoffkennwerte erfolgt traditionell auf der Basis der DIN 51550 mit Kapillarviskosimetern (s. Abb. 3.3 c) (Messung der Durchflusszeit) oder unter Werkstattbedingungen mit dem Kugelfall-Viskosimeter nach Höppler (DIN 53013), s. Abb. 3.3 a. In jüngster Zeit wird intensiv an der Entwicklung von Viskositätssensoren zur Online-Bestimmung des Ölzustandes gearbeitet, die in die Hydraulikanlagen integriert werden [3.2]. Ökonomische und ökologische Ziele sind dabei zustandsabhängige Wechselintervalle für die Druckflüssigkeit, das Vermeiden von Maschinenschäden und Kosteneinsparungen bei der Entsorgung der Altöle. Die Viskosität der Druckflüssigkeiten ist von der Temperatur und vom Druck abhängig, s. Abb. 3.4 und 3.5. Die nichtlinearen Zusammenhänge sind experimentell untersucht worden. Für die analytische Beschreibung stehen empirisch gewonnene Näherungsgleichungen zur Verfügung. Für das Viskositäts-Temperatur- Verhalten (V-T-Verhalten) gilt: 1) Gleichung nach Ubbelohde-Walther (DIN 51563) lg lg + c = K m lgt (3.3) c Konstante (für Mineralöl c = 0,8) m Richtungsfaktor T Temperatur in K K Konstante.

18 3 Druckflüssigkeiten Gleichung (3.3) bildet auch die Grundlage für die in der Praxis meist genutzte Darstellung als Gerade (Ubbelohde Walther Diagramm, genormt nach DIN 51563, und auch ASTM American Society for Testing and Materials Diagramm), vgl. Abb. 3.4 b. 1000 500 kinematische Viskosität a kinematische Viskosität (mm²/s) 100 5 0 10 20 40 60 80 120 Temperatur Temperatur ( C) b Abb. 3.4 Viskositäts-Temperaturverhalten. a prinzipieller Verlauf b V-T- Gerade nach Ubbelohde Walther 2) Gleichung nach Vogel-Cameron (DIN 53017) B = A +C e 50 10 (3.4) C Konstante (für Mineralöl C = 95 C) A, B flüssigkeitsspezifische Konstanten Temperatur in C. Dean und Davis haben eine Bezugsgröße, den Viskositätsindex VI nach DIN ISO 2909, eingeführt [3.3]. Ein hoher Viskositätsindex VI weist auf einen geringen Anstieg (flache Kennlinie) im V-T-Diagramm und damit auf eine für das Betriebsverhalten erwünschte geringe Temperaturabhängigkeit. Tabelle 3.3 zeigt Größenordnungen der VI-Werte für die im Abschn. 3.4 vorgestellten Flüssigkeiten. Bemerkenswert sind die günstigen Werte für biologisch schnell abbaubare Flüssigkeiten, insbesondere der HETG-Gruppe auf der Basis von Pflanzenölen. Tabelle 3.3 Viskositätsindex für ausgewählte Druckflüssigkeitsgruppen Druckflüssigkeit Viskositätsindex VI Mineralöl HLP 95 105 Mineralöl HVLP 105 175 HFC-Flüssigkeiten 150 225 HFD-Flüssigkeiten 0-80 HETG (Triglyceride) 200 240 HEES (synthetische Ester) 150 220 HEPG (Polyglykole) 125 215

3.3 Eigenschaften und Kennwerte von Druckflüssigkeiten 19 Die Viskosität hat entscheidenden Einfluss auf das Betriebsverhalten, insbesondere auf den Verschleiß und auf die Leistungsverluste (Druckverluste, innere Leckverluste). Bei der Flüssigkeitsauswahl sind deshalb genügend genaue Kenntnisse der Einsatzbedingungen und Betriebstemperaturen notwendig. Das Viskositäts-Druck-Verhalten (V-P-Verhalten) ist gekennzeichnet durch eine Viskositätszunahme bei Druckerhöhung, und zwar steigt die dynamische Viskosität umso stärker, je niedriger die Temperatur und je höher die Nennviskosität sind. Bei der kinematischen Viskosität wird der Effekt erst ab 200 300 bar nennenswert, weil die Dichte bei Druckerhöhung ebenfalls ansteigt. Bei Drücken im Bereich von 400 bar kommt es bei Mineralölen zur Verdopplung der kinematischen Viskosität, wobei sich der weitere Anstieg umso höher einstellt, je geringer die Temperatur ist. Das V-P-Verhalten wird näherungsweise durch einen Exponentialansatz beschrieben: p = 0 e p (3.5) 0 Viskosität bei Atmosphärendruck. Der Viskositätsdruckkoeffizient (V-P-Faktor) ist abhängig von der Flüssigkeitssorte und von der Temperatur, s. Abb. 3.5. Die Größenordnung liegt bei 1,2 10-3 bis 3,0 10-3 bar -1. 3,0 T=20 C 5000 p 2,5 p =0 2,0 30 40 50 80 kinematische Viskosität (mm²/s) 1000 500 1,5 10 200 40 1,0 0 10 20 30 40 0 5 20 40 70 110 a p (MPa) b Temperatur ( C) Abb. 3.5 Einflussgrössen auf die Viskosität. a Viskositäts-Druck-Verhalten, Parameter Temperatur b Viskositäts-Temperatur-Verhalten, Parameter Druck 100 bar 1400 3.3.2 Dichte und Kompressibilität Die Dichte = m/v ist vor allem bei dynamischen Vorgängen von Bedeutung. Beeinflusst werden die Druckverluste im Leitungssystem und die Kraftwirkungen (Impulskräfte) auf die Kolben (Steuerschieber) von Ventilen. Aus der Definitions-