Horst-W. Grollius Grundlagen der Hydraulik 7., aktualisierte Auflage
Grollius Grundlagen der Hydraulik
Horst-W. Grollius Grundlagen der Hydraulik 7., aktualisierte Auflage Mit 137 Abbildungen, 8Tafeln, 4Tabellen und 15 bungsaufgaben Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Horst-W. Grollius Bergische Universit t Wuppertal Fachbereich D, Abteilung Maschinenbau, Fachgebiet Konstruktionstechnik Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet ber http://dnb.d-nb.de abrufbar. ISBN 978-3-446-44275-7 E-Book ISBN 978-3-446-44104-0 Einbandbild: Bosch Rexroth AG 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 w ren und daher von jedermann benutzt werden d rften. Dieses Werk ist urheberrechtlich gesch tzt. Alle Rechte, auch die der bersetzung, des Nachdrucks und der Vervielf ltigung des Buches oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht f r Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielf ltigt oder verbreitet werden. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag 2015 Carl Hanser Verlag M nchen www.hanser-fachbuch.de Lektorat: Ute Eckardt Herstellung: Katrin Wulst Satz: druckhaus kçthen GmbH Druck und Bindung: Friedrich Pustet, Regensburg Printed in Germany
»Der Weltuntergang steht bevor, aber nicht so, wie Sie denken. Dieser Krieg jagt nicht alles in die Luft, sondern schaltet alles ab.«tom DeMarco Als auf der Welt das Licht ausging ca. 560 Seiten. Hardcover ca. 19,99 [D]/ 20,60 [A]/ sfr 28,90 ISBN 978-3-446-43960-3 Erscheint im November 2014 Hier klicken zur Leseprobe Sie möchten mehr über Tom DeMarco und seine Bücher erfahren. Einfach reinklicken unter www.hanser-fachbuch.de/special/demarco
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,
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 Frau Ute Eckardt, Frau Katrin Wulst und 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. Wuppertal, im November 2014 Horst-Walter Grollius
Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung... 11 2 Physikalisches Basiswissen... 12 2.1 Druck, Absolutdruck, berdruck, Einheiten... 12 2.2 Gesetz von Pascal... 14 2.3 Schweredruck... 16 2.4 Kraft- und Weg bersetzung... 17 2.5 Druck bersetzung... 18 2.6 Hydraulische Arbeit, Leistung, Wirkungsgrade... 19 2.7 Kontinuit tsgleichung... 21 2.8 Bernoulli-Gleichung... 22 2.9 Strçmungsformen... 23 2.10 Viskosit t... 25 2.11 Druckverluste in Rohren, Formst cken und Ventilen... 26 2.12 Strçmung durch Drosselger te Volumenstrommessung... 33 2.13 Spaltstrçmungen... 35 2.14 Hydraulische Widerst nde... 39 2.15 Kompressibilit t und Kompressionsmodul... 42 2.16 Kavitation... 45 3 Genormte Symbole... 47 4 Grundsätzlicher Aufbau eines Hydrosystems... 60 5 Einfache Schaltpläne... 62 6 Hydropumpen... 67 6.1 Allgemeines... 67 6.2 Verdr ngungsvolumen, theoretischer Fçrderstrom... 68 6.3 Theoretische Pumpenleistung, theoretisches Pumpenmoment... 69 6.4 Volumetrischer Wirkungsgrad... 69 6.5 Hydraulisch-mechanischer Wirkungsgrad, Pumpenleistung... 71 6.6 Gesamtwirkungsgrad... 71 6.7 Anordnung von Hydropumpen... 72 6.8 Bauarten von Hydropumpen... 75 6.8.1 Vorbemerkung... 75 6.8.2 Zahnradpumpen... 76 6.8.3 Fl gelzellenpumpen... 78 6.8.4 Schraubenspindelpumpen... 80 6.8.5 Radialkolbenpumpen... 81 6.8.6 Axialkolbenpumpen... 84 6.9 Kennlinien/Kennfelder... 89 7 Hydromotoren... 95 7.1 Allgemeines... 95 7.2 Verdr ngungsvolumen, theoretischer Schluckstrom... 96
8 Inhaltsverzeichnis 7.3 Theoretische Motorleistung, theoretisches Motormoment... 97 7.4 Volumetrischer Wirkungsgrad... 97 7.5 Hydraulisch-mechanischer Wirkungsgrad, Motorleistung... 98 7.6 Gesamtwirkungsgrad... 99 7.7 Kennlinien/Kennfelder... 99 8 Hydrozylinder... 102 8.1 Bauarten... 103 8.1.1 Doppeltwirkende Zylinder... 103 8.1.1.1 Differenzialzylinder... 104 8.1.1.2 Gleichgangzylinder... 106 8.1.2 Einfachwirkende Zylinder... 107 8.1.3 Teleskopzylinder... 107 8.1.3.1 Einfache Teleskopzylinder... 107 8.1.3.2 Gleichlauf-Teleskopzylinder... 109 8.2 Endlagend mpfung... 110 8.3 Befestigungsarten... 111 8.4 Knicksicherheit, wichtige Durchmesser... 111 8.5 Kolbenstangenkraft... 116 9 Schwenkmotoren... 118 10 Hydroventile... 123 10.1 Wegeventile... 123 10.2 Sperrventile... 130 10.2.1 Einfache R ckschlagventile... 130 10.2.2 Entsperrbare R ckschlagventile... 131 10.2.3 Drosselr ckschlagventile... 134 10.2.4 Wechselventile... 135 10.2.5 Rohrbruchsicherungen... 136 10.3 Druckventile... 136 10.3.1 Druckbegrenzungsventile... 137 10.3.2 Druckminderventile... 139 10.3.3 Druckverh ltnisventile... 141 10.3.4 Differenzdruckregelventile... 142 10.3.5 Verh ltnisdruckregelventile... 143 10.3.6 Folgeventile... 144 10.4 Stromventile... 144 10.4.1 Drosselventile... 145 10.4.1.1 Konstantdrosselventile... 145 10.4.1.2 Verstelldrosselventile... 145 10.4.2 Stromregelventile... 145 10.4.2.1 2-Wege-Stromregelventile... 146 10.4.2.2 3-Wege-Stromregelventile... 147 10.4.3 Stromteilventile... 149 11 Servoventile... 151
Inhaltsverzeichnis 9 12 Weitere Schaltplanbeispiele... 155 13 Hydrauliköle... 160 13.1 Eigenschaften... 160 13.1.1 Viskosit t... 162 13.1.2 Kompressibilit t... 165 13.1.3 Schmier- und Verschleißschutzvermçgen... 166 13.1.4 Schutz vor Korrosion... 166 13.1.5 Flammpunkt und Brennpunkt... 166 13.1.6 Stockpunkt und Pourpoint... 167 13.1.7 Schaumbildung... 167 13.1.8 Spezifische W rmekapazit t... 167 13.2 Arten... 168 14 Zubehörteile... 175 15 Hinweise zur Projektierung von Hydrosystemen... 177 16 Aufgaben... 178 Quellen und weiterführende Literatur... 217 Sachwortverzeichnis... 222
Formelzeichen Nachfolgend sind nur die wichtigsten Formelzeichen aufgef hrt; weitere im Buch verwendete, die hier nicht aufgef hrt sind, werden durch den Text verst ndlich. A b C d D d e d ST E F g h I k K l m _m n p P p A p abs p amb p e p E P i P m Q Q e Q i Q s R Fl che Breite Durchflusskoeffizient Innendurchmesser (Rohr) Zylinderinnendurchmesser Ersatzdurchmesser, hydraulischer Durchmesser Kolbenstangendurchmesser Elastizit tsmodul Kraft Fallbeschleunigung der Erde Hçhe, Kolbenhub Fl chenmoment 2.Ordnung absolute Wandrauigkeit Kompressionsmodul Rohrl nge Poisson'sche Konstante Massenstrom Drehzahl Druck hydraulische Leistung Druck am Ausgang Absolutdruck Atmosph rendruck atmosph rische Druckdifferenz, berdruck Druck am Eingang theoretische Pumpenleistung, theoretische Motorleistung mechanische Leistung, Pumpen-, Motorleistung Volumenstrom, Fçrderstrom, Schluckstrom effektiver Fçrderstrom theoretischer Fçrderstrom volumetrische (Volumenstrom-) Verluste hydraulischer Widerstand Re Reynolds-Zahl s Weg s K freie Knickl nge t Zeit T e mechanisches Antriebsmoment, Pumpen-/Motormoment T i theoretisches Pumpenmoment, theoretisches Motormoment v Strçmungsgeschwindigkeit V Volumen V g geometrisches Verdr ngungsvolumen V i Verdr ngungsvolumen W hydraulische Arbeit z geod tische Hçhe, Anzahl der Verdr ngungsr ume Volumeneinstellung, Schr gscheibenwinkel b P isothermer Kompressibilit tskoeffizient D p Druckdifferenz, Druckgef lle, Druckverlust f Widerstandsbeiwert g Wirkungsgrad, dynamische Viskosit t g hm hydraulisch-mechanischer Wirkungsgrad g t Gesamtwirkungsgrad g V volumetrischer Wirkungsgrad k R Rohrreibungszahl m kinematische Viskosit t m Kerf erforderliche Knicksicherheit % Dichte r Normalspannung s Schubspannung x Winkelgeschwindigkeit
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.
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 0wird 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 0vorliegenden Fl chenelement d A greift die Druckkraft df senkrecht an (Normalkraft). Der Quotient p ¼ d F d A ð 2 : 1 Þ ist die Druckspannung, die auch kurz Druck genannt wird. Die Grçße des Druckes am Punkt 0ist 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: 1Pa ¼ 1 kg m s 2 = m 2 ¼ 1N= m 2 : ð 2 : 2 Þ
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: 1bar ¼ 10 5 Pa ¼ 10 5 N = m 2 : ð 2 : 3 Þ Kleine Dr cke werden in Millibar (Einheitenzeichen: mbar) oder in Hektopascal (Einheitenzeichen: hpa = 100 Pa) angegeben: 1mbar ¼ 0,001 bar ¼ 1hPa. ð 2 : 4 Þ In den angels chsischen L ndern wird oft noch die Einheit Psi (Einheitenzeichen: psi) verwendet: 1bar ¼ 14,5 psi. ð 2 : 5 Þ 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 p abs =0,dader Absolutdruck der Druck gegen ber dem Druck Null des leeren Raumes ist. Die Differenz zwischen einem Absolutdruck p abs und dem aktuell vorliegenden (absoluten) Atmosph rendruck p amb ist die atmosph rische Druckdifferenz p e ¼ p abs p amb ; ð 2 : 6 Þ die in der Technik als Überdruck bezeichnet wird. Ist der Absolutdruck p abs grçßer als der Atmosph rendruck p amb,nimmt der berdruck positive Werte an: p e ¼ p abs p amb > 0. ð 2 : 7 Þ