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

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168 6 Pumpen und Motoren

schwindigkeit mit wechselnden äußeren Lasten bis zum Eingreifen des Leistungs-

reglers gearbeitet werden.

Load-Sensing-Regler (LS)

LS-Regler passen den Pumpenförderstrom und den Pumpendruck an den Bedarf

der Verbraucher an, so dass die Verlustleistung im Vergleich zur reinen Drossel-

steuerung reduziert wird. Aus der Arbeitsweise ergibt sich der Begriff Load-

Sensing = „Last fühlend“. Für die Wirkungsweise ist zu beachten, dass das System

einen LS-Druck benötigt. Damit ist ein über dem Verbraucherdruck hinaus-

gehender Pumpendruck erforderlich. Das Einsparungspotential kommt in Abb.

6.50 für vergleichbare Bedingungen zum Ausdruck. Als Beispiel wird von nach-

folgenden Werten ausgegangen:

x Hydraulikpumpe: Q

Pu,max

= 100 l/min, p

DBV

= 400 bar und

x Hydraulikmotor: Q

erf

= 25 l/min; p

Last

= 200 bar.

Die Daten ergeben einen Leistungsbedarf von 8,3 kW (25 l/min * 200 bar) für den

Hydraulikmotor..

Verlustleistung

100

200

400



[

/min]



[

]

Nutzleistung

Verlustleistung

100

200

400

[l

min]



[

]



Nutzleistung

a b

Verlustleistung

50 100

200

400

Q[l

min]



[

]



Nutzleistung

Abb. 6.50 Verlustleistung verschiedener Steuerungssystemme. a Drosselsteuerung b Load-

Sensing mit Konstantpumpe c Load-Sensing mit Verstellpumpe

6.6 Stelleinheiten von Hydromaschinen 169

Als Vergleichsbasis wird von der in Abb. 6.50 a dargestellten Varinte mit reiner

Drosselsteuerung (s. Abschn. 5.1) ausgegangen. In diesem Fall wird die Pumpe

auf die Eckleistung von 66,7 kW (100 l/min * 400 bar) ausgelegt. Vor allem im

Teillastbereich ergibt sich eine große Verlustleistung, da der überflüssige Volu-

menstrom über das Druckbegrenzungsventil fließen muss und sich so eine be-

trächtliche Wärmeentwicklung ergibt.

Die in Abb. 6.50 c dargestellte LS-Regelung mit Verstellpumpe bringt die

größten Einsparungen. Aber auch für LS-Regler mit Konstantpumpen (Abb.

6.50 b) ergeben sich sinnvolle Effekte. Beide Systeme werden nachfolgend in der

Wirkungsweise vorgestellt.

Aus der Darstellung gemäß Abb. 6.51 ergibt sich, dass der vom Verbraucher

nicht benötigte Volumenstrom über das Load-Sensing-Ventil zum Tank zurück

fließt. Die von der Pumpe abgegebene Leistung

pu,ab

beträgt in diesem Fall 36,3

kW (100 l/min * 220 bar). Die Wirkungsweise entspricht einem 3-Wege-Strom-

Regelventil (s. Kap. 8). Die Messdrossel ist dabei ein stetig veränderliches Wege-

ventil mit Lastdruckmeldung, wobei der Lastdruck die parallel zur Pumpe ge-

schaltete Druckwaage beeinflusst, indem ihm entgegen der Pumpendruck wirkt.

Die Druckwaage hält die Druckdifferenz über der Messdrossel konstant. Der nicht

erforderliche Volumenstrom fließt über die Druckwaage zum Tank. Aus Abb.

6.51 kann leicht abgeleitet werden, dass bei geschlossener Messdrossel, die

Druckwaage voll geöffnet ist und so ein druckloser Umlauf des von der Pumpe

geförderten Volumenstromes erfolgt.

Abb. 6.51 Load-Sensing-System mit Konstantpumpe. a Wirkschema b Schaltplan (Sche-

ma) 1 Druckbegrenzungsventil, 2 Messdrossel, 3 Druckwaage

Weitere Reduzierungen ergeben sich durch den in Abb. 6.52 dargestellten Load-

Sensing-Regler mit Verstellpumpe. Der wesentliche Unterschied besteht darin,

dass nur der erforderliche Volumenstrom von der Pumpe bereitgestellt wird, in-

dem der Schwenkwinkel dem Bedarf angepasst wird. Der Bediener stellt an der

Messdrossel den Volumenstrombedarf ein. Der Lastdruck liegt am Förderstrom-

regler an und der Förderstromregler hält die Druckdifferenz über der Messdrossel

konstant. Der Verstellzylinder 4 verstellt entsprechend den Schwenkwinkel der

170 6 Pumpen und Motoren

Pumpe. Der Loadsensing Druck p

ist in gewissen Grenzen durch Veränderung

der Federkraft einstellbar ( ca. 10 bar – 30 bar). Die von der Pumpe abgegebene

Leistung

pu,ab

beträgt nur 9.2 kW (25 l/min * 220 bar). Bei geschlossener Mess-

drossel schwenkt die Pumpe zurück und baut den sogenannten „Stand-By-Druck“

auf.

Load-Sensing-Systeme können auch für mehrere Verbraucher eingesetzt wer-

den, allerdings sind dafür weitere Ventile erforderlich. Damit das gesamte System

bedarfsgerecht mit Volumenstrom versorgt werden kann, bestimmt der Ver-

braucher mit dem höchsten erforderlichen Druck den von der Pumpe bereitzu-

stellenden lastdruckunabhängigen Volumenstrom (s. Kap. 14).

Abb. 6.52 Load-Sensing-System mit Verstellpumpe. a Wirkschema b Schaltplan (Schema)

1 Druckbegrenzungsventil, 2 Messdrossel, 3 Druckwaage, 4 Pumpenverstellzylinder

Sekundärregelung

Der in Abb. 6.36 dargestellte hydrostatische Antrieb stellt ein konventionelles hy-

drostatisches Getriebe dar. Unter Umsetzung der Gl. (6.44) kann letztlich die Ab-

triebsdrehzahl des Hydraulikmotors

beeinflusst werden. Entsprechend der

Kennlinien der hydraulischen Komponenten stellt sich in Abhängigkeit vom äuße-

ren Drehmoment eine Druckdifferenz über den Hydraulikmotor ein. Auf eine Ver-

änderung des für den Hydraulikmotor erforderlichen Drehmomentes reagiert das

System mit einer Druckänderung.

Unter Anwendung der Sekundärregelung [6.25] wird dieser Nachteil aus-

geglichen, indem ein Drehzahlregelkreis mit den freien Größen Schwenkwinkel

oder Drehmoment realisiert wird. Unter Nutzung einer zentralen Druckquelle (s.

Kap. 3) wird der Schwenkwinkel der Sekundäreinheit (Hydraulikmotor) nicht

mehr einer definierten Abtriebsdrehzahl zugeordnet, sondern einem bestimmten

Drehmoment. Bei sich ändernder äußerer Last wird durch einen Regelvorgang der

Schwenkwinkel der Größe des anstehenden Drehmomentes nachgeführt, wobei

die Drehzahl konstant gehalten wird. Mit Hilfe der Sekundärregelung können –

6.6 Stelleinheiten von Hydromaschinen 171

analog zur Elektrotechnik – mehrere unabhängig voneinander arbeitende, hydrau-

lische Verbraucher gekoppelt werden. In Abb. 6.53 ist der Sachverhalt am Bei-

spiel eines hydraulischen Windenantriebes dargestellt. Die Versorgung mit Hyd-

raulikflüssigkeit erfolgt aus der zentralen Druckquelle 1, die durch den

integrierten Druckregler für die Versorgungsleitung einen konstanten Druck be-

reitstellt. Die eingezeichneten Druckspeicher 2 verhindern einen Druckabfall bei

plötzlichen bzw. übermäßigen Volumenstrombedarf. In zahlreichen Literatur-

stellen wird dafür der Begriff „eingeprägte Druck“ verwendet – hier ist das im

Begriff „Druckquelle“ inbegriffen. Der Hydraulikmotor 3, der auch als Pumpe

arbeiten kann, treibt den mechanischen Antrieb (Seilwinde) an. In der Mittel-

stellung des stetig veränderlichen Ventils 4 (Proportional- bzw. bei hoch

dynamischen Vorgängen Servoventil) ist die Drehzahl n

der Seilwinde 5 Null.

Mit dem Wegeventil 4 wird die Drehrichtung vorgewählt und dem Steuerkreislauf

ein definierter Steuerölvolumenstrom zugewiesen. Die so entstehende Drehzahl n

wird als Solldrehzahl für den Regelkreis verwendet. Es handelt sich damit um

einen Drehzahlregelkreis mit der freien Größe Schwenkwinkel. Bei Vorwahl einer

Drehzahl des mechanischen Systems wird das erforderliche Drehmoment ein-

geregelt, so dass bei dem jeweils vorhandenen Betriebsdruck die jeweils vor-

gewählte Drehzahl gehalten werden kann. Ein Vierquantenbetrieb kann so selbst

im offenen Kreislauf realisiert werden. Analog zum elektrischen Stromnetz mit

konstanter Spannung, können beliebig viele unabhängig voneinander arbeitende

Verbraucher beim Pumpen- und Motorbetrieb miteinander gekoppelt werden. Die

Sekundärregelung bietet die Möglichkeit der nahezu verlustfreien Wandlung von

mechanischer Energie in hydraulische Energie (Pumpenbetrieb) und ebenfalls bei

der Umkehrung als Motorbetrieb. Durch den Einsatz von Speichern sind energie-

sparende Antriebe auf Verbundbasis möglich.

Abb. 6.53 Sekundärregelung. 1 Versorgungseinheit, 2 Speicher, 3 Motor (Pumpe),

4 Wegeventil, 5 Seilwinde

172 6 Pumpen und Motoren

In der Praxis haben sich zahlreiche Varianten im stationären Betrieb von Prüf-

ständen und in der Mobilhydraulik durchgesetzt (s. Abschn. 14.2.2). Ein aktuelles

Beispiel eines Prüfstandes ist in Abb. 6.54 dargestellt. Der bei der Internationalen

Hydraulik Akademie IHA in Dresden befindliche Prüfstand [6.29] stellt eine ene-

gieoptimierte Lösung dar. Insbesondere kann der Schwenkwinkel bei Verstell-

pumpen durch Reduzierung der Drehzahl des Bremsmotors reduziert werden. Mit

der verwendeten Sekundärregelung kann u. a. auch eine Berg- und Talfahrt simu-

liert werden (negative Lasten). Zur Sicherheit der Anlage können Grenzwerte für

Drehzahlen und Momente vorgegeben werden.

Abb. 6.54 Prüfstand (Internationale Hydraulik Akademie GmbH Dresden)

6.7 Antriebseinheiten

In zahlreichen komplexen Anwendungsfällen mit hydraulischen Antriebseinheiten

werden Kreislaufkonzepte mit Volumenstromquellen oder Druckquellen ein-

gesetzt. Darüber hinaus gibt es zunehmend Aufgaben mit abgegrenzten Umfang

und vor allem auch im mobilen Bereich, die sehr flexibel veränderliche Volumen-

ströme bei variablen Drücken erfordern.

6.7.1 Aggregate 173

6.7.1 Aggregate

Der Einsatz von Hydraulikpumpen erfolgt bei speziellen Anforderungen und für

größere Leistungen oft als Einzelpumpe. Die mit einem Elektromotor versehene

Hydraulikpumpe wird gemeinsam mit dem Tank, den Filtern und den Ventilen als

Aggregat verbaut. Auf diese Art ist ein örtlich sehr flexibler Einsatz möglich. Der

hydraulische Anschluss wird mittels relativ frei konfigurierbar Anschlüsse sowohl

für die Druckleitung als auch für den Rücklauf ermöglicht. Zahlreiche Firmen-

bieten in eigener Herstellung entsprechende Aggregate an, die den Bedürfnissen

der Käufer angepasst werden. Die Hydraulikpumpen werden oft aus Kosten-

gründen als Konstantpumpen, gegebenenfalls mit 2- oder 3-Wege-Strom-Regel-

ventilen ergänzt, um variable Volumenströme bereitstellen zu können. Eine

weitere gängige Variante ist der Einsatz von Verstellpumpen. Die Möglichkeit

einer Drehzahlverstellung für die Antriebsdrehzahl der Hydraulikpumpe zur Ver-

änderung des Volumenstromes wird hingegen kaum genutzt. In Abb. 6.55 ist ein

Bsp. für ein handelsübliches Aggregat dargestellt, dass mit einen digitalen Regler

für eine Druck-, Volumenstrom und Leistungsregelung ausgestattet ist. Mittels

eines Rechners sind die Regler den Kundenwünschen anpassbar.

Eine Besonderheit stellen sehr kleine kompakte Aggregate dar, die sich unter

den Namen „Powerpack“ am Markt etabliert haben.

Abb. 6.55 Hydraulikaggregat (HANSA-FLEX AG Aggregatebau Dresden)

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6.7.2 Powerpacks

Eine andere Möglichkeit stellen Power Packs dar, die vor allem in der Fahrzeug-

technik zur Bereitstellung der hydraulischen Energie bei kleinerer Leistung zu-

nehmend eingesetzt werden. Als Beispiele können u. a. die Volumenstromver-

sorgung von Servolenkungen, Klappdächern und die Betätigung von

Kofferraumdeckeln genannt werden. Die elektrohydraulische Pumpeneinheit be-

steht im Wesentlichen aus Gleichstrommotor, Tank, Steuergerät und Hydraulik-

block. Im Letzteren sind die Hydraulikpumpe, die Wegeventile, das Druck-

begrenzungsventil und gegebenenfalls erforderliche spezielle Ventile

untergebracht. Neben den relativ einfach beherrschbaren hydraulischen Para-

metern, ist der Drehzahlabfall des Elektromotors nahe der Nennleistung zu be-

achten, da dann auch der Volumenstrom der Hydraulikpumpe sich vermindert.

Durch die kompakte Bauweise können im Fahrzeug vorhandene ungenutzte Frei-

räume zur Unterbringung verwendet werden. Durch Ansteuerung über das im

Kraftfahrzeug vorhandene Bußsystem, lassen sich einerseits Komfortfunktionen

und andererseits neue Sicherheitssysteme erreichen. In Abb. 6.56 ist ein Beispiel

für ein Power Pack der Firma Hörbiger dargestellt.

Vor allem bei Einsatz in Pkw ist die Lärmbelastung ein zentrales Problem, d. h.

die Powerpacks sind geräuschoptimiert [6.24] herzustellen.

Abb. 6.56 Power Pack (Hoerbiger Hydraulik GmbH)

6.8 Prüfung von Hydromaschinen 175

6.8 Prüfung von Hydromaschinen

Zur Gewährleistung von Funktionsparametern bei der Herstellung bzw. zur Er-

mittlung des technischen Zustandes von Pumpen und Motoren in Maschinen und

Anlagen, ist der Einsatz von Diagnoseverfahren unter Anwendung der in Kap. 8

dargestellten Messgeräte erforderlich. Die Hydraulikpumpen und -motoren wer-

den im offenen oder geschlossenen Kreislauf durch Drosselung oder Motor-

abbremsung innerhalb ihres Drehzahl-, Druck- und Volumenstrombereiches be-

lastet. Unter Anwendung der Grundschaltungen gemäß Abb. 6.57 wird aus den

Messwerten, die unter definitiven Betriebszuständen aufgenommen werden, das

Wirkungsgradkennfeld (s. Abschn. 6.2) für ausgewählte Betriebspunkte mit Vor-

gabewerten verglichen. Im Rahmen der Qualitätskontrolle bzw. Funktions-

bewertung in der Herstellungsphase der Komponenten kommen dafür spezielle

Prüfstände zum Einsatz, die einerseits einen optimalen Wechsel der Pumpen und

Motoren und andererseits reproduzierbare Messwerte ermöglichen, indem jeder-

zeit vergleichbare Messbedingungen realisierbar sind.

Bremse

a b

Abb. 6.57 Grundschaltungen für die Prüfung von Verdrängermaschinen. a Pumpenprüfung

mit Drosselung im offenen Kreislauf b Motorprüfung mit Abbremsung im offenen Kreis-

lauf

Zur Bewertung des technischen Zustandes in mobilen oder stationären Maschi-

nen oder Anlagen (s. Abschn. 9) werden in der Praxis häufig die für die hydrauli-

schen Komponenten typischen Parameter

Druck, Volumenstrom, Drehzahl und

Fluidtemperatur gemessen [6.28]. Dabei ist mit beträchtlichem Aufwand zu rech-

nen, da die Sensoren am bzw. im Hydraulikkreislauf anzubringen sind. Abbildung

6.58 verdeutlicht diesen Sachverhalt, wobei es sich hier um einen Prüfstand han-

176 6 Pumpen und Motoren

delt, wo schon beim Prüfstandsaufbau die Sensoren angebracht werden. In Ma-

schinen und Anlagen sind keinesfalls so günstige Voraussetzungen gegeben.

Um eine Vergleichbarkeit der Messergebnisse zu garantieren, ist die Fluid-

temperatur bei den Untersuchungen konstant zu halten. Außerdem kann die Be-

lastung oft nicht beliebig verändert werden. Die ermittelten Messwerte sind so zu

verarbeiten, dass eine eindeutige Bewertung der zu untersuchenden Komponenten

möglich wird (s. Abschn. 13.3). Wirkungsgradmessungen auf der Basis anderer

(indirekter) Messverfahren haben sich bisher kaum durchgesetzt.

Abb. 6.58 Hydraulikprüfstand mit Sensoren zur Pumpenprüfung. 1 Hydraulikmotor,

2 Stromteiler, 3 Messturbine, 4 Belastungsdrossel, 5 Hydraulikpumpe

2 3 4 5

7 Arbeitszylinder

Arbeitszylinder wandeln hydraulische in mechanische Leistung um. Die so ent-

stehende translatorische Bewegung führt dazu, dass man Hydraulikzylinder auch

als Linearmotoren bezeichnet. Der Arbeitsdruck im Hydrauliksystem ermöglicht,

große Kräfte zu überwinden, die durch Druckbegrenzungsventile (VD) variabel

begrenzbar sind. Die Arbeitsgeschwindigkeit wird vom Volumenstrom und von

der Kolbenfläche beeinflusst.

7.1 Bauarten

Hydraulikzylinder bestehen im Wesentlichen aus einem Zylinderkörper, der oft als

Rohr ausgebildet ist, und einer Kolbenstange mit Kolben. Der Zylinderkörper wird

in der Regel aus nahtlosem Stahlrohr hergestellt. In Abb. 7.1 ist eine der mög-

lichen Bauarten dargestellt, die für viele Anwendungsfälle eingesetzt wird.

Abb. 7.1 Doppeltwirkender Arbeitszylinder. 1 Kolbenstange, 2 Zylinderrohr,

3 Kolben, 4 Zylinderboden, 5 Stangendichtung, 6 Kolbendichtung, A, B hydrauli-

sche Anschlüsse

Im Zylinderkörper, der für den Maximaldruck des Kreislaufes ausgelegt ist, be-

wegt sich der Arbeitskolben mit der Kolbenstange. Die Bewegungsrichtung ergibt

sich je nach Zuführung des Fluides an dem stangenseitigen (Einfahren) oder bo-

denseitigen Anschluss (Ausfahren). Der verdrängte Volumenstrom von der jeweils

anderen Seite des Kolbens wird i. d. R. in den Vorratsbehälter zurückgeführt. Der

Kolben, der mit Dichtungen versehen ist, trennt die beiden Zylinderräume von-

einander und verhindert so weitestgehend innere Leckagen. Der Zylinderkörper

D. Will, N. Gebhardt (Hrsg.), Hydraulik,