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