Will D., Gebhardt N. (Hrsg.) Hydraulik: Grundlagen, Komponenten, Schaltungen
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X Inhaltsverzeichnis
10.1 Flüssigkeitsbehälter (Tank) ........................................................ 311
10.2 Flüssigkeitskühler und Vorwärmer............................................. 316
10.3 Leitungen und Leitungsverbindungen ........................................ 317
10.3.1 Rohrleitungen ............................................................... 317
10.3.2 Rohrverschraubungen................................................... 319
10.3.3 Schlauchleitungen......................................................... 326
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 ............................... 333
11 Montage, Inbetriebnahme und Instandhaltung (D. Herschel) ......... 335
11.1 Montage...................................................................................... 335
11.2 Inbetriebnahme........................................................................... 338
11.3 Vorbeugende Instandhaltung (Wartung) .................................... 339
12 Messtechnik in der Hydraulik (N. Gebhardt)..................................... 343
12.1 Messgrößen................................................................................. 344
12.1.1 Allgemeines.................................................................. 345
12.1.2 Druck............................................................................ 350
12.1.3 Temperatur ................................................................... 358
12.1.4 Kombisensoren............................................................. 361
12.1.5 Volumenstrom.............................................................. 362
12.1.6 Drehzahl ....................................................................... 372
12.1.7 Schallpegel ................................................................... 373
12.2 Hydraulikmessgeräte .................................................................. 376
12.2.1 Digitalanzeigegeräte..................................................... 376
12.2.2 Hydrotester ................................................................... 377
12.2.3 Sensoren und Messgeräte zur Analyse des Fluids ........ 379
12.2.4 Der PC als Messgerät ................................................... 388
12.3 Software...................................................................................... 391
13 Diagnose und Zuverlässigkeit (N. Gebhardt)...................................... 393
13.1 Allgemeine Grundlagen.............................................................. 393
13.2 Hydraulikdiagnose...................................................................... 397
13.3 Anwendung der Hydraulikdiagnose ........................................... 401
14 Projektierung und Gestaltung von Kreisläufen (R. Nollau) ............. 405
14.1 Projektierungsgrundlagen........................................................... 405
14.2 Kreislaufkonzepte....................................................................... 407
14.3 Kreisläufe mit Druckquellen konstanten Drucksollwertes ......... 412
14.3.1 Kreislaufstrukturen, Teilsysteme.................................. 412
14.3.2 Antriebsschaltungen ..................................................... 414
14.3.3 Druckquellen ................................................................ 426
Inhaltsverzeichnis XI
14.3.4 Leitungssystem ............................................................. 433
14.3.5 Dynamisches Verhalten................................................ 434
14.4 Kreisläufe mit Load-Sensing-System ......................................... 451
14.4.1 Grundstruktur des Kreislaufes ...................................... 451
14.4.2 Strukturmodifikationen................................................. 453
14.4.3 Dynamisches Verhalten................................................ 456
14.5 Kreisläufe mit Volumenstromquellen......................................... 459
14.5.1 Kreislaufstrukturen, Steuerungsprinzipien ................... 459
14.5.2 Kreislaufvarianten ........................................................ 459
14.5.3 Dynamisches Verhalten................................................ 470
14.6 Vergleich der Kreislaufkonzepte ................................................ 475
14.6.1 Aufwand an Komponenten, Verlustleistungen............. 475
14.6.2 Dynamisches Verhalten................................................ 478
14.7 Der Projektierungsprozess .......................................................... 479
14.7.1 Zuordnung der Antriebe zu Kreislaufstrukturen........... 481
14.7.2 Druckniveaufestlegung................................................. 483
14.7.3 Projektierung eines Kreislaufes mit Druckquelle ......... 483
14.7.4 Projektierung eines Kreislaufes mit Volumenstrom-
quelle ............................................................................ 489
14.7.5 Projektierung weiterer Komponenten........................... 489
Literatur................................................................................................ 491
Sachverzeichnis .................................................................................... 505
1 Einleitung
Das Fachgebiet Hydraulik ist ein Teilgebiet der Hydromechanik, welche die Hyd-
rostatik und die Hydrodynamik umfasst.
Ursprünglich wurden in der Technik unter dem Begriff „Hydraulik“ alle hydro-
statischen und hydrodynamischen Kraft-, Bewegungs- und Strömungsvorgänge
sowie die zugehörigen Geräte und Anlagen verstanden, die mit dem Über-
tragungsmedium Wasser arbeiten (griechisch: hydor = das Wasser). Die ersten hy-
draulischen Einrichtungen wurden folglich ausschließlich mit Wasser betrieben.
Erst im Laufe der Entwicklung kamen zunehmend andere, überwiegend selbst-
schmierende, Flüssigkeiten als Übertragungsmedien zum Einsatz. Dadurch ist
heute die Wasserhydraulik nur ein Teilgebiet der Hydraulik.
Die Hydraulik ist der Antriebstechnik zuzuordnen. Aufgabe der Antriebs-
technik 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.
M
e
,
Z
e
Getriebe
(Wandler)
Motor
M
a
,
Z
a
; F
a
,v
a
anzutreibende
Einrichtung
(Maschine)
Abb. 1.1 Prinzipdarstellung eines Antriebes
Den grundsätzlichen Aufbau eines Antriebes zeigt Abb. 1.1. Die Antriebs-
leistung wird von einem Elektromotor oder einem Verbrennungsmotor zur Ver-
fügung gestellt. Die Ausgangsgrößen M
e
und
Z
e
des Motors müssen durch einen
Wandler in die von der Maschine geforderten Eingangsgrößen M
a
und
Z
a
bei rota-
torischen 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:
D. Will, N. Gebhardt (Hrsg.), Hydraulik,
DOI 10.1007/978-3-642-17243-4_1, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011
2 1 Einleitung
Mechanische Getriebe. Die Übertragungselemente sind Zahnräder, Riemen,
Koppelgetriebe u. a. Eine stufenlose Veränderung des Übersetzungsverhält-
nisses 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 er-
füllt. 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 elekt-
rischen 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, unterscheidet man zwischen hydrostatischen und hydro-
dynamischen 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 hervor-
ruft. Auf Grund der Belastung am Motorteil entsteht ein Druck, der mit dem
Volumenstrom die übertragene Leistung bildet, die als mechanische Abtriebs-
leistung an die anzutreibende Maschine abgegeben wird. Das hydrostatische
Getriebe zeigt in seiner Kennlinie Nebenschlussverhalten, d. h., die Abtriebs-
drehzahl 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 An-
triebsmotor und anzutreibender Einrichtung nicht erforderlich. Eine stufenlose
Veränderung des Übersetzungsverhältnisses ist in einem großen Bereich mög-
lich. Als Übertragungsmedium werden heute Mineralöle, schwerentflammbare
Flüssigkeiten auf wasserhaltiger oder synthetischer Basis oder Öle auf natür-
licher Basis verwendet
Hydrodynamische Getriebe bestehen aus einem Pumpenteil und einem Motor-
teil (Turbine). Die Drehzahl- und Drehmomentwandlung erfolgt mittels kineti-
scher 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 Ver-
bindung der Vorteile der jeweiligen Systemkomponenten.
1 Einleitung 3
In diesem Buch werden physikalische und fachspezifische Grundlagen, Kom-
ponenten und Geräte sowie Schaltungen behandelt, in denen das hydrostatische
Übertragungsprinzip angewendet wird. Dynamische Vorgänge treten auch beim
hydrostatischen Antrieb, insbesondere bei kritischen Strömungszuständen, An-
lauf- oder Bremsvorgängen auf. Sie bilden im Leistungsbereich keine dominie-
rende Rolle. Ihre Kenntnis und Behandlung ist jedoch eine wichtige Voraus-
setzung zur Optimierung des dynamischen Verhaltens hydraulischer Anlagen.
Der Begriff Ölhydraulik wurde seit langem in der Technik geprägt und ist we-
gen 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, Steue-
rungen 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 Hyd-
raulik 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 An-
wendungsfälle 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 Ge-
schwindigkeiten ausschließlich hydraulisch ausgeführt. Das gilt z. B. für be-
stimmte 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 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 pneumati-
sche, 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 digita-
len Regelungen hat durch den Einsatz von elektrohydraulischen Proportional-
ventilen 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 zu-
nehmend integraler Bestandteil der Mechatronik.
In vielen Anwendungsfällen ist es erforderlich, aus vorhandenen Lösungs-
möglichkeiten, auch verschiedener Energieformen, in einem Variantenvergleich
die geeignetste Lösung zu ermitteln. Dazu ist die Kenntnis der Vor- und Nachteile
4 1 Einleitung
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 Be-
wegungsrichtung, Anfahren aus dem Stillstand unter Vollast,
geringe Zeitkonstante durch niedrige Trägheitswiderstände der Hydraulik-
motoren 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 (Schmutzempfind-
lichkeit),
Abhängigkeit der Viskosität und der Kompressibilität von Druck und Tempera-
tur beeinflussen das Betriebsverhalten,
durch Leckagen und Druckverluste vergleichsweise schlechter Wirkungsgrad
(Drosselsteuerung),
infolge hoher Leistungsdichte und geringer Dämpfung relativ hohe Schwin-
gungsneigung (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 Hydrau-
likantriebe 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 Wir-
kungsweise 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
1
2
4
5
6
7
8
9
2
3
2
6
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 Volu-
menstrom aus dem Behälter 8 und fördert ihn über die Leitungen 2 und die Steu-
ereinrichtung 3 auf die rechte Seite des Kolbens des als Linearmotor wirkenden
D. Will, N. Gebhardt (Hrsg.), Hydraulik,
DOI 10.1007/978-3-642-17243-4_2, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011
6 2 Aufbau und Darstellung hydraulischer Anlagen
Zylinders 4. Der Volumenstrom verdrängt den Kolben und schiebt mit der Kol-
benstange die Last nach links. Der dabei auf der linken Seite des Kolbens ver-
drängte Volumenstrom fließt über die Leitungen 6, die Steuereinrichtung 3 und
den Filter 7 zurück in den Behälter 8. Die durch das Verschieben der Last ent-
stehende 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 Hyd-
raulikanlage 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 je-
weilige Bewegungsrichtung erforderlichen Zylinderanschlüsse mit der Pumpe 1
bzw. dem Behälter 8 verbunden. In der in Abb. 2.1 gezeigten Position des Stell-
elementes fließt der von der Pumpe geförderte Volumenstrom zum Behälter zu-
rück 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, Ver-
unreinigungen (z. B. Verschleißpartikel) aus dem Hydraulikfluid zu entfernen.
Aus der dargestellten Funktions- und Wirkungsweise der hydraulischen Trans-
portanlage folgt, dass Hydraulikanlagen Antriebssysteme sind, in welchen die
vom Antriebsmotor abgegebene mechanische Leistung durch die Pumpe in hyd-
raulische Leistung transformiert wird, welche der Hydromotor (Arbeitszylinder)
wieder in mechanische Leistung zurücktransformiert.
Aufbau der Hydraulikanlage
Die für Hydraulikanlagen charakteristische Leistungswandlung mechanisch – hyd-
raulisch – mechanisch führt zu dem in Abb. 2.2 dargestellten grundsätzlichen
Aufbau einer Hydraulikanlage. Sie besteht aus den Hauptelementen:
Hydraulik-
anlage
Steuer- und
Regeleinrich-
tung
(Ventile)
Antriebs-
Motor
anzutreibende
Einrichtung
Flüssig-
keitsstrom-
erzeuger
(Pumpe)
Flüssig-
keitsstrom-
verbraucher
(Motor)
Schalt- und
Steuersignale
Behälter
P
an
P
ab
Q
P
,p
P
Q
0
, p
0
Q
m
,p
m
Q
R1
, p
0
Q
R2
, p
0
Abb. 2.2 Grundsätzlicher Aufbau hydraulischer Anlagen
2 Aufbau und Darstellung hydraulischer Anlagen 7
x Flüssigkeitsstromerzeuger (Pumpe),
x Flüssigkeitsstromverbraucher (Hydromotor),
x Steuer- und Regeleinrichtung und
x Zubehör.
Flüssigkeitsstromerzeuger wandeln die mechanische Leistung P
an
des Antriebs-
motors (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 Vo-
lumenstrom Q
m
und den vom Verbraucher erzeugten Druck p
m
bestimmte hydrau-
lische 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 über-
tragende hydraulische Leistung P
y
bestimmen, zu beeinflussen. Die dazu erforder-
lichen Schalt-, Steuer- und Regelinformationen können von außen aufgegeben
werden oder aus der hydraulischen Anlage selbst kommen. Steuer- und
Regeleinrich-tungen 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 An-
lagen zu erfüllen haben, wird unterschieden in Druckventile, Stromventile, Wege-
ventile 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 her-
stellen oder trennen bzw. eine stetige Verstellung ermöglichen. Mit ihnen können
Bewegungszustände von Hydromotoren z. B. Vorlauf, Rücklauf oder Halt ge-
steuert oder geregelt werden.
Sperrventile öffnen oder verschließen richtungsabhängig den Durchflussquer-
schnitt 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 hydrauli-
schen Anlage dient der Funktionsschaltplan. Dieser enthält alle Komponenten und