Dieter Will Norbert Gebhardt (Hrsg.) Hydraulik. Grundlagen, Komponenten, Systeme. 6. Auflage. Unter Mitarbeit von Reiner Nollau und Dieter Herschel

Hydraulik

Dieter Will Norbert Gebhardt (Hrsg.) Hydraulik Grundlagen, Komponenten, Systeme 6. Auflage Unter Mitarbeit von Reiner Nollau und Dieter Herschel

Herausgeber Dieter Will Pirna Deutschland Norbert Gebhardt Großenhain Deutschland ISBN 978-3-662-44401-6 DOI 10.1007/978-3-662-44402-3 ISBN 978-3-662-44402-3 (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1999, 2001, 2006, 2008, 2011, 2014 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. 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 Warenzeichenund Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer-Verlag Berlin Heidelberg ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (www.springer.com)

Vorwort zur 6. Auflage In allen Bereichen der Antriebs- und Steuerungstechnik, besonders im Maschinen-, Aggregate-, Anlagen- und Fahrzeugbau, werden Einsatz und Anwendung der Hydraulik ständig weiterentwickelt. Die Ursache dafür liegt besonders in der ständigen Weiterentwicklung der Komponenten und des Zubehörs sowie der zunehmenden Verbindung der Hydraulik mit der Sensorik und Rechentechnik im Sinn der Mechatronik und der Erschließung neuer Einsatzgebiete der Fluidtechnik. Seit dem Erscheinen der ersten Auflage dieses Buches vor mehr als 15 Jahren hat sich die Hydraulik unter Verwendung neuer elektronischer Elemente und wesentlich verbesserter Regelalgorithmen stark verändert. So gibt es heute statt der damaligen grundlegenden Entscheidung für elektrisch oder hydraulisch neue Lösungen und dadurch erweiterte Einsatzfelder und wesentliche Wirkungsgradverbesserungen. Dieser Trend setzt sich weiter fort; in der Entwicklung sind derzeit neue Verdrängersteuerungen, Kompaktachsen und Ventilsteuerungen mit getrennten Steuerkanten und Schnellschaltventile mit digitalen Reglern. Die sich daraus ergebenden energieoptimierten Lösungen sind am besten einsetzbar, wenn die Entwickler der hydraulischen Komponenten, der Konstrukteur der Maschinen und Anlagen und das Servicepersonal über solide Grundlagenkenntnisse verfügen. Deshalb entschieden Verlag und Herausgeber, möglichst schnell eine 6. Auflage herauszubringen, welche die aktuellen Ergebnisse dieser rasanten Entwicklung der Hydraulik berücksichtigt. Die Gliederung des Stoffes wurde grundlegend bearbeitet, so dass durch die neue Struktur einerseits die Kapitel jeweils in sich abgeschlossen sind und andererseits zusammengehörende Inhalte auch gemeinsam behandelt werden. Damit ist eine schnellere Einarbeitung in das Fachgebiet möglich und konkrete Sachverhalte können besser gefunden werden. 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 Gebiet der Hydraulik sein. Aufgrund der Anwendungsbezogenheit erleichtert es dem Servicepersonal das Verständnis für hydraulische Systeme und ermöglicht V

VI Vorwort zur 6. Auflage dadurch eine optimale Wartung und Fehlersuche sowie den ökonomischen Einsatz von Messtechnik. Die Herausgeber und die Mitautoren stützen sich dabei auf ihre langjährige Erfahrung als Hochschullehrer. Die Herausgeber danken allen, die am Zustandekommen der 6. Auflage des Buches beteiligt waren. Das gilt besonders für Herrn Professor Dr.-Ing. habil. R. Nollau und Herrn Professor Dr. paed. D. Herschel. Wir danken allen Firmen und Unternehmen, die durch Bereitstellung von Bild- und Informationsmaterial das Buchvorhaben unterstützten, und ganz besonders Herrn Prof. Dr.-Ing. J. Weber, der uns viele Hinweise über Entwicklungstrends in der Hydraulik gab. Die sehr gute Zusammenarbeit mit Herrn Lehnert und Frau Cuneus vom Springer-Verlag hat es ermöglicht, dass auch diese Auflage schnell und in bewährter Qualität erscheinen konnte. An dieser Stelle soll an Prof. Dr.-Ing. habil. H. Ströhl erinnert werden, der 2002 verstorben ist und maßgeblich an der ursprünglichen Gestaltung des Buches beteiligt war. Dresden, im Januar 2015 Die Herausgeber

Inhaltsverzeichnis 1 Einführung in die Hydraulik....................................... 1 Dieter Will und Norbert Gebhardt 1.1 Grundlagen.................................................. 2 1.2 Darstellung hydraulischer Anlagen............................... 5 1.2.1 Wirkungsweise der Hydraulikanlage........................ 5 1.2.2 Aufbau der Hydraulikanlage.............................. 7 1.2.3 Darstellung hydraulischer Anlagen......................... 8 2 Druckflüssigkeiten für Hydraulikanlagen............................ 15 Dieter Herschel 2.1 Anforderungen............................................... 15 2.2 Einteilung................................................... 17 2.3 Eigenschaften und Kennwerte von Druckflüssigkeiten................ 19 2.3.1 Viskosität............................................. 19 2.3.2 Dichte und Kompressibilität.............................. 23 2.3.3 Luft und Wasser in der Druckflüssigkeit..................... 27 2.3.4 Umweltverträglichkeit und Entsorgung...................... 31 2.3.5 Technologische und ökonomische Anforderungen............. 34 2.4 Charakteristik der marktüblichen Druckflüssigkeiten................. 38 2.4.1 Mineralölbasische Flüssigkeiten (Mineralöle, Hydrauliköle)..... 38 2.4.2 Schwerentflammbare Druckflüssigkeiten.................... 39 2.4.3 Biologisch schnell abbaubare Druckflüssigkeiten.............. 40 2.4.4 Rheologische Flüssigkeiten............................... 42 2.4.5 Wasser............................................... 44 2.5 Einsatzkriterien und Auswahl................................... 45 Literatur........................................................ 47 3 Berechnungsgrundlagen von Hydraulikanlagen....................... 51 Dieter Will und Reiner Nollau 3.1 Druckentstehung und -fortpflanzung.............................. 51 3.2 Kontinuitätsgesetz, Masse- und Volumenstrom...................... 55 VII

VIII Inhaltsverzeichnis 3.3 Bernoulli-Gleichung und Impulssatz.............................. 57 3.4 Strömungswiderstände......................................... 65 3.4.1 Druckverluste.......................................... 66 3.4.2 Leckverluste........................................... 78 3.5 Hydraulische Kapazität und Induktivität........................... 82 3.6 Verknüpfung von Strömungswiderständen......................... 86 3.7 Strömungsbedingte Kräfte an Kolben hydraulischer Ventile............ 92 3.8 Arbeit, Leistung, Wirkungsgrad und Wärmeentwicklung.............. 97 Literatur........................................................ 104 4 Grundstrukturen hydraulischer Kreisläufe........................... 105 Dieter Will 4.1 Volumenstrom- und Druckquellen................................ 105 4.1.1 Volumenstromquellen................................... 105 4.1.2 Druckquellen.......................................... 107 4.2 Offener und geschlossener Kreislauf.............................. 108 4.2.1 Offener Kreislauf....................................... 109 4.3 Parallel- und Reihenschaltung von Verbrauchern.................... 112 4.4 Drosselkreisläufe............................................. 114 4.4.1 Drosselkreisläufe mit Druckquelle......................... 114 4.4.2 Drosselkreisläufe mit Volumenstromquelle................... 116 4.5 Passive und aktive Lasten...................................... 117 Literatur........................................................ 118 5 Modellierung und Simulation des dynamischen Verhaltens von Hydrauliksystemen............................................ 119 Reiner Nollau 5.1 Methodik der Modellermittlung.................................. 119 5.2 Das Werkzeug Simulation...................................... 127 5.3 Übertragungsfunktion eines linearen Antriebsmodells................ 131 5.4 Druck- und Stromventile als Regler.............................. 133 5.4.1 Druckbegrenzungsventil................................. 133 5.4.2 Druckreduzierventil..................................... 140 5.4.3 Zwei-Wege-Stromregelventil.............................. 143 Literatur........................................................ 147 6 Hydraulikpumpen und -motoren................................... 149 Norbert Gebhardt 6.1 Einteilung................................................... 150 6.1.1 Umlaufverdränger-(Drehkolben-) -maschinen................ 150 6.1.2 Hubverdränger-(Schubkolben-) -maschinen.................. 150

Inhaltsverzeichnis IX 6.2 Kenngrößen................................................. 151 6.3 Maßnahmen zur Pulsationsminderung............................. 159 6.3.1 Primäre Maßnahmen.................................... 160 6.3.2 Sekundäre Maßnahmen.................................. 161 6.4 Bauarten von Hydromaschinen.................................. 165 6.4.1 Zahnradmaschinen...................................... 165 6.4.2 Schraubenmaschinen.................................... 171 6.4.3 Flügelzellenmaschinen................................... 172 6.4.4 Kolbenmaschinen....................................... 175 6.5 Stelleinheiten von Hydromaschinen.............................. 183 6.5.1 Steuereinrichtungen..................................... 184 6.5.2 Regeleinrichtungen..................................... 186 6.6 Prüfung von Hydromaschinen................................... 191 Literatur........................................................ 193 7 Hydraulikzylinder................................................ 195 Norbert Gebhardt 7.1 Bauarten.................................................... 195 7.1.1 Einfachwirkende Zylinder................................ 196 7.1.2 Doppeltwirkende Zylinder................................ 197 7.1.3 Schwenkmotoren....................................... 198 7.2 Berechnung von Zylindern..................................... 200 7.2.1 Hubkraft und Arbeitsgeschwindigkeit....................... 200 7.2.2 Reibungskräfte und Wirkungsgrad......................... 204 7.2.3 Knickung............................................. 208 7.2.4 Auslegung............................................ 210 7.3 Zusatzelemente an Zylindern.................................... 210 7.3.1 Dichtungen............................................ 210 7.3.2 Endlagendämpfung..................................... 216 7.3.3 Befestigungsmöglichkeiten der Zylinder..................... 218 7.3.4 Wegmesssysteme....................................... 218 7.4 Überprüfung von Zylindern..................................... 222 Literatur........................................................ 225 8 Hydraulikventile................................................. 227 Reiner Nollau und Norbert Gebhardt 8.1 Sperrventile................................................. 229 8.1.1 Absperrventile......................................... 229 8.1.2 Rückschlagventile...................................... 229 8.1.3 Entsperrbare Rückschlagventile............................ 232 8.1.4 Wechselventile......................................... 234

X Inhaltsverzeichnis 8.2 Konventionelle Wegeventile.................................... 235 8.2.1 Kolbenlängsschieberventile............................... 237 8.2.2 Drehschieberventile..................................... 246 8.2.3 Zwei-Wege-Einbauventile als gesteuerte Einzelwiderstände..... 247 8.3 Druckventile................................................. 250 8.3.1 Druckbegrenzungsventile................................ 250 8.3.2 Druckreduzierventile.................................... 255 8.4 Stromventile, manuell verstellbar................................ 257 8.4.1 Drosselventile......................................... 257 8.4.2 Stromregelventile....................................... 260 8.4.3 Stromteilventile........................................ 261 8.5 Elektrisch betätigte Stetigventile................................. 263 8.5.1 Servo-Wegeventile...................................... 263 8.5.2 Proportionalventiltechnik................................. 274 8.5.3 Vergleich Servo- und Proportional-Wegeventile............... 282 8.5.4 Regelventile........................................... 283 Literatur........................................................ 284 9 Druckflüssigkeitsspeicher für Hydraulikanlagen...................... 287 Dieter Herschel 9.1 Anwendungen............................................... 287 9.2 Wirkungsprinzip.............................................. 291 9.3 Bauarten.................................................... 291 9.4 Auslegung von Druckflüssigkeitsspeichern......................... 296 9.4.1 Problemstellung und Kenngrößen.......................... 296 9.4.2 Auslegungspraxis....................................... 299 9.5 Sicherheitsvorschriften........................................ 303 9.6 Einbau, Inbetriebnahme und Wartung............................. 306 Literatur........................................................ 308 10 Zubehör für Hydraulikanlagen..................................... 309 Dieter Herschel 10.1 Flüssigkeitsbehälter (Tank)..................................... 309 10.1.1 Konstruktiver Aufbau und Ausführungsformen................ 310 10.1.2 Behältergröße.......................................... 312 10.2 Flüssigkeitskühler und Vorwärmer............................... 315 10.3 Leitungen und Leitungsverbindungen............................. 316 10.3.1 Rohrleitungen.......................................... 317 10.3.2 Rohrverschraubungen................................... 319 10.3.3 Schlauchleitungen...................................... 326

Inhaltsverzeichnis XI 10.4 Filter....................................................... 327 10.4.1 Funktion und Kenngrößen............................... 327 10.4.2 Filterarten und Filterkonzept............................. 331 10.4.3 Anordnung der Filter im Kreislauf......................... 334 Literatur........................................................ 335 11 Messtechnik in der Hydraulik...................................... 337 Norbert Gebhardt 11.1 Messgrößen................................................. 338 11.1.1 Allgemeines.......................................... 339 11.1.2 Druck............................................... 343 11.1.3 Temperatur........................................... 351 11.1.4 Kombisensoren........................................ 354 11.1.5 Volumenstrom........................................ 354 11.1.6 Drehzahl............................................. 362 11.1.7 Schallpegel........................................... 363 11.2 Hydraulikmessgeräte.......................................... 366 11.2.1 Digitalanzeigegeräte.................................... 366 11.2.2 Hydrotester........................................... 366 11.2.3 Sensoren und Messgeräte zur Analyse des Fluids............. 368 11.2.4 Der PC als Messgerät................................... 377 11.3 Software.................................................... 380 Literatur........................................................ 381 12 Montage und Instandhaltung von Hydraulikanlagen................... 383 Norbert Gebhardt und Dieter Herschel 12.1 Montage.................................................... 383 12.1.1 Allgemeines.......................................... 383 12.1.2 Spezielle Montageformen............................... 387 12.2 Inbetriebnahme.............................................. 397 12.3 Instandhaltung............................................... 398 12.3.1 Vorbeugende Instandhaltung (Wartung)..................... 398 12.3.2 Diagnose und Zuverlässigkeit............................ 404 Literatur........................................................ 415 13 Gestaltung von Hydrauliksystemen................................. 417 Reiner Nollau 13.1 Systemkonzepte.............................................. 417 13.2 Systeme mit Druckquellen konstanten Drucksollwertes............... 423 13.2.1 Systemstrukturen, Teilsysteme............................ 423 13.2.2 Antriebsschaltungen.................................... 425

XII Inhaltsverzeichnis 13.2.3 Druckquellen......................................... 437 13.2.4 Leitungssystem....................................... 444 13.2.5 Dynamisches Verhalten................................. 446 13.3 Load-Sensing-Systeme........................................ 462 13.3.1 Grundstruktur des Systems.............................. 462 13.3.2 Strukturmodifikationen................................. 464 13.3.3 Dynamisches Verhalten................................. 466 13.4 Systeme mit Volumenstromquellen............................... 470 13.4.1 Systemstrukturen, Steuerungsprinzipien.................... 470 13.4.2 Systemvarianten....................................... 471 13.4.3 Dynamisches Verhalten................................. 482 13.5 Vergleich der Systemkonzepte................................... 486 13.5.1 Aufwand an Komponenten, Verlustleistungen................ 486 13.5.2 Dynamisches Verhalten................................. 490 Literatur........................................................ 492 14 Projektierung von Hydrauliksystemen............................... 493 Reiner Nollau 14.1 Projektierungsgrundlagen und -unterlagen......................... 493 14.2 Zuordnung der Antriebe zu Teilsystemstrukturen.................... 495 14.3 Projektierung von Einzelantrieben................................ 498 14.4 Projektierung eines Systems mit Druckquelle für mehrere Antriebe..... 499 14.4.1 Druckniveaufestlegung................................. 499 14.4.2 Projektierung der Antriebe............................... 500 14.4.3 Druckquellenprojektierung.............................. 502 14.5 Projektierung weiterer Komponenten............................. 505 Literatur........................................................ 507 Sachverzeichnis..................................................... 509

Einführung in die Hydraulik Dieter Will und Norbert Gebhardt 1 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. Der Begriff Ölhydraulik wurde seit langem in der Technik geprägt und ist wegen des vorwiegenden Einsatzes von Mineralölen noch teilweise üblich. Da heute in zunehmendem Maße auch andere Flüssigkeiten eingesetzt werden, hat sich der Begriff Hydraulik weitestgehend durchgesetzt. 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 (s. Abb. 1.1). Andererseits besitzt die Hydraulik für die Antriebstechnik eine große Bedeutung. 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. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014 D. Will, N. Gebhardt (Hrsg.), Hydraulik, DOI 10.1007/978-3-662-44402-3_1 1

2 D. Will und N. Gebhardt Fluidtechnik Hydromechanik (Hydraulik) Aeromechanik (Pneumatik) Hydrostatik Hydrodynamik Abb. 1.1 Systematik der Begriffe zur Fluidtechnik 1.1 Grundlagen Den grundsätzlichen Aufbau eines Antriebes zeigt Abb. 1.2. Die Antriebsleistung wird von einem Elektromotor oder einem Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellt. Die Ausgangsgrößen M e und ω e des Motors müssen durch einen Wandler in die von der Maschine geforderten Eingangsgrößen M a und ω 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: 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. anzutreibende Getriebe Motor M e,ω e (Wandler) M a,ω a ; F a,v a Einrichtung (Maschine) Abb. 1.2 Prinzipdarstellung eines Antriebes

1 Einführung in die Hydraulik 3 Hydraulische Getriebe. Zur Übertragung der Leistung dient eine Flüssigkeit. Je nachdem, ob die potentielle oder die kinetische Energie des Flüssigkeitsstromes genutzt wird, unterscheidet man zwischen hydrostatischen und hydrodynamischen Getrieben. 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 Drehmomentwandlung 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. In diesem 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, Anlauf- oder 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. 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

4 D. Will und N. Gebhardt 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 in der 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 Kraftfahrzeugen, in Landmaschinen, in Baumaschinen, in Transportfahrzeugen, in Flugzeugen und in Windantrieben 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 Regelungen 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 bzw. Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten erwarten lassen; zunehmend werden Pumpen mit separaten elektrischen Antrieb eingesetzt, die eine bedarfsgerechte Bereitstellung des Volumenstromes ermöglichen. 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 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 Volllast, 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, In Verbindung mit elektrohydraulischen Komponenten besonders geeignet für den Einsatz in geregelten Antrieben und automatisierten Einrichtungen (Mechatronik).

1 Einführung in die Hydraulik 5 Nachteile: hohe Anforderung an Sauberkeit und Filterung der Hydraulikflüssigkeit (Schmutzempfindlichkeit), Abhängigkeit der Viskosität und der Kompressibilität von Druck und Temperatur der Fluide beeinflussen das Betriebsverhalten, durch Leckagen und Druckverluste vergleichsweise schlechter Wirkungsgrad, vor allem bei Drosselsteuerung (an der Verringerung der Leistungsverluste wird zunehmend sowohl von Komponentenherstellern, als auch von Betreibern gearbeitet, infolge hoher Leistungsdichte und geringer Dämpfung relativ hohe Schwingungsneigung (Regelstreckenproblem), Lärmentwicklung. Durch die gezielte Anwendung der physikalischen Grundlagen sowie 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. 1.2 Darstellung hydraulischer Anlagen Ausgehend von einem praktischen Beispiel werden nachfolgend Aufbau und Wirkungsweise einer einfachen hydraulischen Anlage erläutert. Die in Abb. 1.3 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. 1.2.1 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 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.

6 D. Will und N. Gebhardt Abb. 1.3 Hydraulisch betätigte Transporteinrichtung (ALMAT Fluid-Systeme). 1 Pumpe, 2 Leitungen, 3 Steuereinrichtung, 4 Arbeitszylinder, 5 Manometer, 6 Leitungen, 7 Filter, 8 Behälter, 9 Druckbegrenzungsventil 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.

1 Einführung in die Hydraulik 7 1.2.2 Aufbau der Hydraulikanlage Die für Hydraulikanlagen charakteristische Leistungswandlung mechanisch hydraulisch mechanisch führt zu dem in Abb. 1.4 dargestellten grundsätzlichen Aufbau einer Hydraulikanlage. Sie besteht aus den Hauptelementen: Flüssigkeitsstromerzeuger (Pumpe), Flüssigkeitsstromverbraucher (Hydromotor), Steuer- und Regeleinrichtung und Zubehör. Flüssigkeitsstromerzeuger wandeln die mechanische Leistung P an des Antriebsmotors (Elektromotor oder Verbrennungsmotor) in hydraulische Leistung um, die durch den Volumenstrom Q p und den zu übertragenden Druck p p bestimmt wird. 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. 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. 1.4 Grundsätzlicher Aufbau hydraulischer Anlagen