Will D., Gebhardt N. (Hrsg.) Hydraulik: Grundlagen, Komponenten, Schaltungen

Подождите немного. Документ загружается.

158 6 Pumpen und Motoren

barer Langsamläufer. Aufgrund seines relativ großen Durchmessers und der

scheibenförmigen Abmaße wird er in vielen Einsatzbereichen von Axialkolben-

motoren verdrängt.

6.6 Stelleinheiten von Hydromaschinen

Ausgehend von Gl. (6.6) zur Berechnung der hydraulischen Leistung wird sicht-

bar, dass einerseits die nutzbare Leistung und andererseits die Verlustleistung zu

berücksichtigen sind. Bedingt durch die über jeder hydraulischen Baugruppe auf-

tretende Druckdifferenz ergibt sich auch eine Verlustleistung, die in Wärme um-

gesetzt wird. Dieser Anteil kann durch den Volumenstrom beeinflusst werden, in-

dem nur der jeweils benötigte Volumenstrom von der Pumpe erzeugt wird. Dazu

werden Hydromaschinen mit veränderlichem Verdrängungsvolumen in Ver-

bindung mit Steuer- und Regeleinrichtungen eingesetzt. Das veränderliche Ver-

drängungsvolumen wird bei Radialkolben- und Flügelzellenmaschinen durch die

Exzentrizität

e und bei Axialkolbenmaschinen durch den Schwenkwinkel

ein-

gestellt. Es gibt Hydropumpen, die von null ausgehend in einer Richtung oder

beidseitig von null ausgeschwenkt werden können, so dass -

max

d e d +e

max

bzw.

max

d +

max

gilt.



(6.44)

Abb. 6.36 Hydropumpe und -motor als rotatorischer Antrieb

Für Pumpen bedeutet ein Vorzeichenwechsel eine Richtungsumkehr des Förder-

stromes, was nur in geschlossenen Kreisläufen technisch sinnvoll ist. Hydro-

motoren werden nur in einer Richtung ausgeschwenkt.

Ein rotatorischer Antrieb besteht aus den in Abb. 6.36 dargestellten Komponen-

ten, wenn die i. Allg. erforderlichen Ventile vernachlässigt werden. Die Drehzahl

des Motors

wird ohne Berücksichtigung der Wirkungsgrade mit Gl. (6.45) be-

rechnet

6.6 Stelleinheiten von Hydromaschinen 159



(6.45)

Bei konstanter Druckdifferenz

p über dem Hydromotor nimmt das erzeugte

Drehmoment

proportional dem Verdrängungsvolumen V zu (s. Gl. (6.8)). Für

= 0 ist M

= 0; ist das erzeugte Drehmoment kleiner als das Reibmoment,

herrscht Selbsthemmung und der Motor kann auch ohne Lastmoment nicht an-

fahren. Es ist also ein Mindestverdrängungsvolumen

Mmin

, das von der Bauart des

Motors abhängt, erforderlich, um das Losbrechmoment zu erzeugen. Bei Axial-

kolbenmaschinen wird dies bei einem Schwenkwinkel von

D | 6° erreicht [6.10].

Der nutzbare Drehzahlbereich für Motoren ergibt sich zu

5,2...2

minM

maxM

Die technische Umsetzung der Verstellung der verschiedenen Verdrängerräume

erfolgt, indem folgende Konzeptionen realisiert werden:

1. Steuerungen



mechanische Stelleinheit,

 elektromechanische Stelleinheit,

 hydraulische Stelleinheit,

2. Regelungen



Nullhubregler,

 Druckregler,

 Leistungsregler,

 Load-Sensing-Regler,

 Grenzlastregler.

Allen Strategien ist eigen, dass Pumpen durch das maximale Verdrängungs-

volumen

Pmax

(geometrische Grenzen) und die maximale Antriebsdrehzahl

(Festigkeit der bewegten Bauelemente) Grenzen gesetzt sind. Für Motoren er-

geben sich die Grenzwerte aus dem maximalen und dem minimalen Ver-

drängungsvolumen und den damit verbundenen Drehzahlen und Drehmomenten.

Nachfolgend werden technische Ausführungsvarianten in Form von Stellein-

heiten vorgestellt. Die daraus ableitbaren Regelungsstrategien und deren Ein-

ordnung in die Regelungskonzeptionen von Hydraulikkreisläufen werden in Kap.

14 behandelt.

6.6.1 Steuereinrichtungen

Mechanische Stelleinheit

Die einfachste Möglichkeit das Verdrängungsvolumen von stellbaren Pumpen und

Motoren zu verändern, stellt eine mechanische Stelleinheit dar, die als Steuerung

gemäß DIN 19226 ausgeführt ist. Zwischen der Stelleinrichtung, mit dem Stell-

weg

s als Eingangsgröße und dem Volumenstrom Q für Pumpen bzw. der Dreh-

zahl

für Motoren als Ausgangsgröße, erfolgt keine Rückkopplung. Durch Stör-

160 6 Pumpen und Motoren

größen hervorgerufene Veränderungen der Ausgangsgröße werden nicht selbst-

tätig korrigiert.

Abb. 6.37 Hydropumpe mit mechanischer Stelleinheit und zugehöriger Kennlinie

Abbildung 6.37 zeigt eine Hydropumpe mit mechanischer Stelleinheit und zu-

gehöriger Kennlinie. Das mechanische Stellelement kann ein Handrad sein, das

durch die selbsthemmende Spindel den Verstellkörper verändert. Dagegen wird

für oft notwendige Veränderungen bzw. relativ schnelle Verstellvorgänge, so wie

es u. a. bei Kippvorrichtungen und Ladekranen von LKW oder einfachen Fahr-

antrieben notwendig ist, ein Verstellhebel verwendet. Die Kennlinie in Abb. 6.35

verdeutlicht den linearen Zusammenhang zwischen Stellweg

s und Verdrängungs-

volumen

Elektromechanische Stelleinheit

Elektromechanische Stelleinheiten besitzen einen elektrischen Stellmotor, der die

Gewindespindel des Verstellkörpers betätigt. Durch den mit geringer Drehzahl

laufenden Stellmotor (Einsatz eines Zwischengetriebes) werden sinnvolle Ein-

schaltzeiten

Ein

erreicht, die das gewünschte Verdrängungsvolumen bestimmen. In

Abb. 6.38 ist der Sachverhalt am Beispiel einer Hydropumpe dargestellt.

Ein

Abb. 6.38 Elektromechanische Stelleinheit und Kennlinie

Hydraulische Zweipunktverstellung

Die hydraulische Zweipunktverstellung ermöglicht, durch zwei mechanische An-

schläge die zugehörigen Verdrängungsvolumen zwischen den beiden festgelegten

Einstellwerten einzustellen. Die Druckversorgung des Verstellzylinders kann ent-

weder dem hydraulischen Hauptkreislauf entnommen oder durch einen separaten

Steuerkreislauf bereitgestellt werden. Durch den Volumenstrom zum Verstell-

6.6 Stelleinheiten von Hydromaschinen 161

zylinder und der Fläche des Stellkolbens wird die Verstellgeschwindigkeit beein-

flusst. Diese Art der Verstellung wird oft für Pumpen eingesetzt. Das Diagramm

in Abb. 6.39 zeigt den qualitativen Zusammenhang zwischen Stellweg

s und Ver-

drängungsvolumen

V, wobei nur zwei einstellbare Punkte realisiert werden kön-

nen.

Abb. 6.39 Hydraulische Zweipunktverstellung mit einstellbarem Endanschlag

Hydraulische Servo-Stelleinheit (wegabhängig)

Hydraulische Servo-Stelleinheiten sind dadurch gekennzeichnet, dass zwischen

dem stetigveränderlichen Ventil und dem Verstellzylinder eine mechanische

Rückführung (Kopplung) gegeben ist (Abb. 6.40), die eine Proportionalität zwi-

schen Stellweg und Verdrängungsvolumen gewährleistet [6.9]. Die Druckver-

sorgung des Steuerkreislaufes ist durch einen separaten Steuerkreislauf zu

realisieren. Bei dieser Art der Steuerung ergeben sich geringe Stellkräfte. Die

Schaltung ist für Pumpen und Motoren einsetzbar.

Abb. 6.40 Hydraulische Servo-Stelleinheit

Elektrohydraulische Servo-Stelleinheit (steuerstromabhängig)

Die Stelleinheit gemäß Abb. 6.41 arbeitet im Prinzip wie die in Abb. 6.39 dar-

gestellte Art, nur dass eine elektrische Betätigung des Ventils erfolgt und die

Rückkopplung ebenfalls elektrisch realisiert wird. Das Verdrängungsvolumen ist

162 6 Pumpen und Motoren

proportional dem elektrischen Steuerstrom I. Diese Art kann relativ einfach in

Steuer- und Regelkreisläufen eingesetzt werden.

Abb. 6.41 Elektrohydraulische Servo-Stelleinheit

6.6.2 Regeleinrichtungen

Im Gegensatz zu der aus Abschn. 6.4.1 bekannten Steuerung erfolgt bei Regel-

kreisen gemäß DIN 19226 eine Angleichung zwischen Soll- und Istwert. Die Ein-

ordnung von Regelkreisen und deren Bedeutung für die Hydraulik wird in Kap. 14

vorgestellt.

Nullhubregler

Nullhubregler sind einfache hydraulische Regler für Pumpen zur effektiven Ener-

gienutzung, die gemäß Abb. 6.42 arbeiten. Der vom Systemdruck beaufschlagte

Stellzylinder arbeitet gegen die Stellfeder und schwenkt die Pumpe auf ein kleine-

res Verdrängungsvolumen bis zu einem Minimalwert ein, der als „Nullhub“ gera-

de den entstehenden Leckvolumenstrom bereitstellt. Bedingt durch die im Zylin-

der und in der Pumpe auftretende Reibung ist die eingezeichnete Hysterese im

Regelbereich nicht auszuschließen. Der Nullhubregler wird mit abnehmendem

Druck durch die Stellfeder in die Ausgangslage (maximales Verdrängungs-

volumen) gestellt.

Abb. 6.42 Nullhubregler

6.6 Stelleinheiten von Hydromaschinen 163

Druckregler

Druckregler für Pumpen gemäß Abb. 6.43 werden zur Aufrechterhaltung eines

konstanten Systemdruckes unabhängig vom Verdrängungsvolumen eingesetzt.

Der Druck der Druckquelle (s. Kap. 4 und Kap. 14) wird am Ventil VD eingestellt

und kann bei deren Variation auch in unterschiedlichen Stufen bereitgestellt wer-

den. Eine Fernverstellung ist möglich.

Abb. 6.43 Druckregler

Förderstromregler

Förderstromregler sind hydraulische Regler zur Aufrechterhaltung eines konstan-

ten Förderstromes bei veränderlicher Antriebsdrehzahl der Pumpe. Der benötigte

Volumenstrom wird am in Abb. 6.44 eingezeichneten Ventil eingestellt.

max

=konst.

Abb. 6.44 Förderstromregler

Direktgesteuerter Leistungsregler

Leistungsregler arbeiten analog zu den Nullhubreglern, allerdings sind die in Abb.

6.42 dargestellten Federn so ausgewählt, dass die hydraulische Leistung der Pum-

164 6 Pumpen und Motoren

pe konstant bleibt. Aus Gl. (6.46) ergibt sich bei konstanter Antriebsdrehzahl der

Hydropumpe

eine konstante

Leistung, wenn die Gl. (6.47) eingehalten wird

konstVnpQpP

 

(6.46)

.konst

| .

(6.47)

Der Systemdruck wirkt mit der Kolbenfläche der Kraft der Feder 1 entgegen und

bewirkt so die Gerade 3 im Kennfeld. Durch eine andere Federkonstante der Feder

2 und deren zusätzliches Wirken, ergibt sich die Gerade 4. In Näherung wird da-

mit die eingezeichnete Leistungshyperbel erreicht. Der Leistungsregler, der eine

konstante hydraulische Leistung durch Verwendung des Verdrängungsvolumens

mit dem Druck nach Gl. (6.47) realisiert, arbeitet immer entlang einer Hyperbel.

Die technische Umsetzung kann neben der dargestellten mechanischen Art auch

elektronisch erfolgen. Vor allem für mobile hydraulische Antriebe mit großer

Leistung haben sich elektronische Regelsysteme durchgesetzt.

Abb. 6.45 Mechanischer Leistungsregler einer Hydropumpe. 1,2 Federn, 3,4 lineare Funktion

6.6 Stelleinheiten von Hydromaschinen 165

Vorgesteuerter Leistungsregler

Die Funktion des Leistungsreglers nach Abb. 6.46 erfolgt analog des in Abb. 6.44

dargestellten Leistungsreglers. Die Ansteuerung des Stellzylinders wird durch den

vom Arbeitskreislauf entnommenen Steuerdruck realisiert. Dieser wird von der

eingezeichneten Drossel und der Stellung des Ventils beeinflusst, so dass die im

Diagramm angegebene Leistungshyperbel erreicht wird. Die mit dieser Schaltung

gleichzeitig wirksame Druckabschneidung bewirkt, dass die Pumpe beim Er-

reichen des am Ventil eingestellten Maximaldruckes so weit zurückschwenkt, dass

nur noch der Volumenstrom bereitgestellt wird, der zur Aufrechterhaltung des

Druckes benötigt wird. Um Überschneidungen mit dem in jeder Hydraulikanlage

vorhandenen Druckbegrenzungsventil zu vermeiden, ist das Vorsteuerventil ca.

15 bar niedriger gegenüber dem Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils ein-

zustellen.

Abb. 6.46 Vorgesteuerter Leistungsregler mit Druckabschneidung

Einzelleistungsregelung

Bisher wurde davon ausgegangen, dass die Hydropumpe als alleiniger Ver-

braucher an einem mechanischen Antrieb angeordnet ist. In diesem Fall wird eine

Einzelleistungsregelung realisiert. Werden nun nach dem gleichen Konzept zwei

Hydropumpen von einem Antrieb nach der in Abb. 6.47 dargestellten Art gleich-

zeitig angetrieben, so gilt Gl. (6.48)

2211

QpQpP

ges

 mit

11max1

ges

QpP 

und

22max2

ges

QpP 

. (6.48)

Da beide Hydropumpen unabhängig voneinander arbeiten, kann jeder Leistungs-

regler nur auf die halbe Gesamtleistung ausgelegt werden, ansonsten würde der

Antriebsmotor bis zum Stillstand gedrosselt. Bei nicht gleichzeitigem Leistungs-

bedarf kann je Pumpe nur die halbe Gesamtleistung genutzt werden, allerdings ar-

beiten beide Pumpen innerhalb ihrer Leistungsgrenzen unabhängig voneinander,

d. h., es können für beide Kreisläufe unterschiedliche Volumenströme bereit-

gestellt werden.

166 6 Pumpen und Motoren

Abb. 6.47 Einzelleistungsgsregler

Summenleistungsregler

Die Summenleistungsregelung ist gemäß Abb. 6.48 ausgelegt und nutzt einen ge-

meinsamen Leistungsregler für beide Pumpen. Damit ist von Gl. (6.49) für den

vorliegenden Fall auszugehen

2211

QpQpP

ges



(6.49)

Abb. 6.48 Summenleistungsregler

Da beide Pumpen für die gesamte Leistung ausgelegt sind, kann je eine Pumpe

den von der anderen nicht genutzten Leistungsanteil mit übernehmen. Durch den

Einsatz eines Reglers sind die Volumenströme beider Pumpen immer gleich bzw.

6.6 Stelleinheiten von Hydromaschinen 167

in einem festen Verhältnis zueinander konstruktiv vorgegebenen. Damit werden

auch die Grenzen dieser Reglerart sichtbar.

Grenzlastregler

Der Grenzlastregler geht von einer Messung der Drehzahl des Antriebsmotors

aus. Fällt diese Drehzahl aufgrund eines zu hohen Leistungsbedarfes ab, so wird

die Hydropumpe in ihrer Leistung gedrückt, d. h., sie schwenkt so weit zurück, bis

wieder eine konstante Antriebsdrehzahl erreicht wird. Diese Art vereint die Vor-

teile von Einzelleistungsregelung und Summenleistungsregelung. Sie ist den ande-

ren eingesetzten Reglern überlagert [6.12].

Neben den bisher vorgestellten Arten von Stelleinheiten gibt es noch zahlreiche

Regelsysteme, die von den anzutreibenden Verbrauchern aus angesteuert werden.

Durch Kombination mehrerer Regelsysteme kann der in Abb. 6.49 dargestellte

Sachverhalt realisiert werden. So erfolgt z. B. die Auslegung von hydrostatischen

Fahrantrieben generell auf der Grundlage einer Leistungshyperbel.

Leistungsregler

Load - Sensing

Druckabschneidung

Eckleistung

Abb. 6.49 Leistungshyperbel mit Variation der Regelstrategien

Die Verschiebung der Leistungshyperbel erfolgt durch einen Vorsteuerdruck oder

eine Magnetkraft, die das Kräftegleichgewicht z. B. gemäß Abb. 6.49 in der ge-

wünschten Richtung beeinflusst. Dem überlagert ist eine Druckabschneidung, die

intern innerhalb der Hydropumpe bei Erreichen des eingestellten Druckwertes die

Pumpe bis nahe Null zurückschwenkt, um einen weiteren Leistungsanstieg zu

verhindern. Schließlich ist noch der Load-Sensing-Regler eingezeichnet, der nur

den Volumenstrom zur Verfügung stellt, der vom Maschinenbediener, z. B. bei

Fahrantrieben durch die Geschwindigkeitswahl, gewünscht wird und der für die

entsprechende Leistung real benötigt wird. Dadurch kann bei konstanter Ge-