Hydraulik
Dieter Will Norbert Gebhardt (Hrsg.) Hydraulik Grundlagen, Komponenten, Schaltungen Unter Mitarbeit von Reiner Nollau und Dieter Herschel 4., neu bearbeitete Auflage 123
HERAUSGEBER: Professor Dr.-Ing. habil. Dieter Will Ingenieurbüro Renate Will Fluidtechnik Software Jessener Str. 4 01257 Dresden dieter.will2@web.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 MITARBEITER: Professor Dr. paed. Dieter Herschel Hochschule Zittau/Görlitz (FH) FB Maschinenwesen Theodor-Körner-Allee 16 02763 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. 99 37085 Göttingen reiner.nollau@hawk-hhg.de Professor Dr.-Ing. habil. Hubert Ströhl ISBN 978-3-540-79534-6 e-isbn 978-3-540-79535-3 DOI 10.1007/978-3-540-79535-3 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de 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 987654321 springer.de
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.
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
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... 20 3.3.3 Luft und Wasser in der Druckflüssigkeit... 23 3.3.4 Umweltverträglichkeit und Entsorgung... 27 3.3.5 Technologische und ökonomische Anforderungen... 29 3.4 Charakteristik der marktüblichen Druckflüssigkeiten... 31 3.4.1 Mineralölbasische Flüssigkeiten (Mineralöle, Hydrauliköle)... 31 3.4.2 Schwerentflammbare Druckflüssigkeiten... 32 3.4.3 Biologisch schnell abbaubare Druckflüssigkeiten... 34 3.4.4 Wasser... 35 3.5 Einsatzkriterien und Auswahl... 36 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... 132 6.5.4 Kolbenmaschinen... 135 6.6 Stelleinheiten von Hydromaschinen... 142 6.6.1 Steuereinrichtungen... 144 6.6.2 Regeleinrichtungen... 147 6.7 Power Packs... 153 6.8 Prüfung von Hydromaschinen... 154 7 Arbeitszylinder (N. Gebhardt)... 157 7.1 Bauarten... 157 7.1.1 Einfachwirkende Zylinder... 158 7.1.2 Doppeltwirkende Zylinder... 159 7.1.3 Schwenkmotoren... 160 7.2 Berechnung von Zylindern... 161 7.2.1 Hubkraft und Arbeitsgeschwindigkeit... 162 7.2.2 Reibungskräfte und Wirkungsgrad... 165 7.2.3 Knickung... 168 7.2.4 Auslegung... 170 7.3 Zusatzelemente an Zylindern... 170 7.3.1 Dichtungen... 170 7.3.2 Endlagendämpfung... 174 7.3.3 Befestigungsmöglichkeiten der Zylinder... 176 7.3.4 Wegmesssysteme... 177 7.4 Überprüfung von Zylindern... 179
Inhaltsverzeichnis IX 8 Ventile (H. Ströhl, R. Nollau)... 181 8.1 Druckventile... 182 8.1.1 Druckbegrenzungsventile... 183 8.1.2 Druckreduzierventile... 190 8.1.3 Druckdifferenzventile... 193 8.1.4 Druckverhältnisventile... 194 8.2 Stromventile... 195 8.2.1 Drosselventile... 195 8.2.2 Stromregelventile... 199 8.2.3 Stromteilventile... 202 8.3 Sperrventile... 204 8.3.1 Absperrventile... 204 8.3.2 Rückschlagventile... 205 8.3.3 Entsperrbare Rückschlagventile... 206 8.3.4 Wechselventile... 209 8.4 Wegeventile... 209 8.4.1 Kolbenlängsschieberventile... 212 8.4.2 2-Wege-Einbauventile als gesteuerte Einzelwiderstände... 220 8.5. Elektrisch betätigte Stetigventile (R. Nollau)... 224 8.5.1 Servoventile... 224 8.5.2 Proportionalventiltechnik... 235 8.5.3 Vergleich Servo- und Proportionalventile... 244 8.5.4 Regelventile... 244 8.6 Verkettungstechnik und Montageformen für Ventile... 245 8.6.1 Rohrleitungseinbau... 245 8.6.2 Mehrventilblockbauweise... 246 8.6.3 Anschlussplattenverkettung... 248 8.6.4 Einschraub- bzw. Einsteckverkettung... 252 9 Druckflüssigkeitsspeicher (D. Herschel)... 253 9.1 Anwendungen... 253 9.2 Wirkungsprinzip... 255 9.3 Bauarten... 256 9.4 Auslegung von Druckflüssigkeitsspeichern... 260 9.4.1 Problemstellung und Kenngrößen... 260 9.4.2 Auslegungspraxis... 263 9.5 Sicherheitsvorschriften... 267 9.6 Einbau, Inbetriebnahme und Wartung... 269 10 Zubehör (D. Herschel)... 271 10.1 Flüssigkeitsbehälter (Tank)... 271 10.2 Flüssigkeitskühler und Vorwärmer... 275 10.3 Leitungen und Leitungsverbindungen... 277
X Inhaltsverzeichnis 10.3.1 Rohrleitungen... 277 10.3.2 Rohrverschraubungen... 279 10.3.3 Schlauchleitungen... 285 10.4 Filter... 286 10.4.1 Funktion und Kenngrößen... 286 10.4.2 Filterarten und Filterkonzept... 289 10.4.3 Anordnung der Filter im Kreislauf... 292 11 Montage, Inbetriebnahme und Instandhaltung (D. Herschel)... 293 11.1 Montage... 293 11.2 Inbetriebnahme... 296 11.3 Vorbeugende Instandhaltung (Wartung)... 297 12 Messtechnik in der Hydraulik (N. Gebhardt)... 301 12.1 Messgrößen... 302 12.1.1 Allgemeines... 302 12.1.2 Druck... 306 12.1.3 Temperatur... 311 12.1.4 Kombisensoren... 313 12.1.5 Volumenstrom... 314 12.1.6 Drehzahl... 321 12.1.7 Schallpegel... 322 12.2 Hydraulikmessgeräte... 324 12.2.1 Digitalanzeigegeräte... 325 12.2.2 Hydrotester... 325 12.2.3 Sensoren und Messgeräte zur Analyse des Fluids... 327 12.2.4 Der PC als Messgerät... 332 12.3 Software... 334 13 Diagnose und Zuverlässigkeit (N. Gebhardt)... 335 13.1 Allgemeine Grundlagen... 335 13.2 Hydraulikdiagnose... 339 13.3 Anwendung der Hydraulikdiagnose... 343 14 Projektierung und Gestaltung von Kreisläufen (R. Nollau)... 347 14.1 Projektierungsgrundlagen... 347 14.2 Kreislaufkonzepte... 349 14.3 Kreisläufe mit Druckquellen konstanten Drucksollwertes... 354 14.3.1 Kreislaufstrukturen, Teilsysteme... 354 14.3.2 Antriebsschaltungen... 356 14.3.3 Druckquellen... 368 14.3.4 Leitungssystem... 375 14.3.5 Dynamisches Verhalten... 376 14.4 Kreisläufe mit Load-Sensing-System... 393
Inhaltsverzeichnis XI 14.4.1 Grundstruktur des Kreislaufes... 393 14.4.2 Strukturmodifikationen... 395 14.4.3 Dynamisches Verhalten... 398 14.5 Kreisläufe mit Volumenstromquellen... 401 14.5.1 Kreislaufstrukturen, Steuerungsprinzipien... 401 14.5.2 Kreislaufvarianten... 401 14.5.3 Dynamisches Verhalten... 412 14.6 Vergleich der Kreislaufkonzepte... 417 14.6.1 Aufwand an Komponenten, Verlustleistungen... 417 14.6.2 Dynamisches Verhalten... 420 14.7 Der Projektierungsprozess... 421 14.7.1 Zuordnung der Antriebe zu Kreislaufstrukturen... 423 14.7.2 Druckniveaufestlegung... 425 14.7.3 Projektierung eines Kreislaufes mit Druckquelle... 425 14.7.4 Projektierung eines Kreislaufes mit Volumenstromquelle... 431 14.7.5 Projektierung weiterer Komponenten... 431 Literatur... 433 Sachverzeichnis... 445