Einführung in die Ölhydraulik

Der Begriff „Ölhydraulik“ wird erklärt. Er betrifft heute in der Technik die hydrostatische Signal- und Energieübertragung durch Fluide, meistens Mineralöle geeigneter Viskosität. Diese dienen im Gegensatz zur Hydrodynamik zum Verschieben einer Ölsäule unter hohem Druck, z. B. 320 bar. Daher spricht man auch von „Hydrostatik“. Deren Vor- und Nachteile werden systematisch besprochen. Physikalische Analogien zur Elektrik werden aufgezeigt – sie erleichtern das funktionelle Verstehen und Modellieren mechatronischer Systeme aus Mechanik, Elektrik, Hydraulik und Elektronik.

Die in diesem Buch besonders ausführlich dargestellte Historie reicht von Johannes Keppler bis in unsere Zeit mit auch kurzer Schilderung der industriellen und wissenschaftlichen Entwicklung. Diese hat zu einer technologischen Spitzenstellung Deutschlands auf diesem Gebiet geführt. Zu den wichtigsten Planungsinstrumenten und zum Verständnis des ganzen Buches gehören die grafischen Symbole nach DIN ISO 1219, die tabellarisch aufgeführt und erläutert werden.

Hier stehen Grundverständnis, Berechnungsgrundlagen und wichtige Parameter strömender Arbeitsflüssigkeiten im Mittelpunkt. Die von Druck und Temperatur abhängigen Fluideigenschaften werden für Mineralöle modelliert – als Besonderheit auch das Temperaturverhalten bei wärmedichter Druckänderung. Damit sind thermodynamische Diagnosen des „Gesundheitszustands“ von Verdrängermaschinen während des Betriebes möglich – besonders interessant für große Anlagen. Grundlagen zu den Druckverlusten typischer Leitungselemente beziehen sich je nach Reynolds-Zahl auf turbulente und laminare Strömung mit der Besonderheit, dass in diesem Buch auch die Berechnung nicht isothermer Strömungen enthalten ist. Das Kapitel schließt mit Hinweisen zu tragenden hydrostatischen und hydrodynamischen Ölfilmen mit deren Reibungsmechanik und den besonderen Vorteilen der Normierung von gemessenen Reibungskräften oder Reibungszahlen mit Hilfe der Gümbel-Hersey-Zahl.

Alle wichtigen Pumpen und Motoren werden zuerst in einer Übersicht, dann individuell beschrieben und bezüglich Verdrängungsvolumen modelliert.

Besonders hervorgehoben werden die Unterschiede zwischen den verbreiteten Schrägscheiben- und Schrägachsen-Axialkolbenmaschinen mit Behandlung der relativ neuen und besonders verlustarmen 45°-Großwinkelmaschinen. Die praktische Auswahl der „richtigen“ Pumpe oder des „richtigen“ Ölmotors wird an Hand von drei Seiten kompakter, tabellarischer Hinweise mit Kennwerten erleichtert. Ein größeres Kapitel vermittelt die Berechnungsrundlagen für den realen, verlustbehafteten Betrieb. Der wichtige Parameter „Wirkungsgrad“ wird dabei zumindest über dem Druck, teilweise auch mit ganzen Kennfeldern über Druck und Drehzahl (bzw. Volumenstrom) angeboten. Diese Unterlagen haben sich in eigenen Projekten bewährt. Kapitel 3 schließt mit ausführlichen Grundlagen zur Geräuschmechanik und Geräuschreduzierung – zeigt z. B. auf, welche Pumpen leise sind und bietet eine ausführliche Systematik, wie man hohe Druck- und Volumenstrompulsationen gezielt reduzieren kann.

Arbeitszylinder (einschließlich Teleskopzylinder) und Schwenkmotoren werden zuerst in einer Übersicht, dann im individuellen Aufbau (vereinfachte Schnittzeichnungen) beschrieben. Auf die sehr große Bedeutung der Rauhigkeiten von Zylinderrohr und Kolbenstange wird hingewiesen. Dargestellte Kombinationen von Standarddurchmessern für Kolben und Stangen nach DIN ISO 6020 (Tabelle) erleichtern sinnvolle Baukästen. Besprochene Endlagendämpfungen erklären das konstruktive Vermeiden von harten Stößen am Ende des Arbeitstaktes. Grundregeln gelten einem fachgerechten Einbau von Arbeitszylindern und werden durch Beispiele (falsch/richtig) veranschaulicht. Ein erstes Schaltungsbeispiel zeigt die klassische und sehr einfache Eilgangrealisierung bei Differenzialzylindern.

Alle gängigen Ventile (auch Einbauventile) und ihre Betätigungsarten werden zuerst in jeweils einer Übersicht, dann in ihrem individuellen Aufbau und ihrem Betriebsverhalten besprochen. Zum besseren Verständnis wurden Schnitt-Darstellungen auch hier bewusst nicht aus Quellen oder von Firmen übernommen, sondern für dieses Buch extra alle didaktisch vereinfacht selbst erstellt – wenngleich auch auf der Basis von Firmeninformationen. So wird die Funktion und die dahinter stehende Physik besonders deutlich erkennbar. Durch kleine Schaltungsbeispiele wird die Anwendung der Ventile veranschaulicht, bis zu Steuerketten und Regelkreisen. Deren zunehmende Bedeutung bei der Automatisierung hat in diesem Buch einen hohen Stellenwert. Steuer- und Regelkreise sollen schnell sein – das dabei oft bedeutsame Prinzip der hydraulischen Brückenschaltung wird daher immer wieder besonders herausgearbeitet.

Die sicherheitsrelevante Festigkeitsberechnung von Rohrleitungen wird für drei aktuelle Verfahren (nach DIN und ISO) vorgelegt (Formeln, Tabelle). Diese Besonderheit des Buches ermöglicht eine auf die Druckdynamik abgestimmte Dimensionierung. Nach Bauarten und Einbauregeln für Schläuche folgen Hydraulikarmaturen mit besonderer Betonung der Trennung von „Dichten“ und „Verbinden“. Für statische Dichtungen wird der konstruktive Einbau von O-Ringen besprochen, für dynamische die Bedeutung der Profile, der Reibungsmechanik und der Schleppdrücke. Das Grundwissen fachgerechter Filterung enthält auch statistische Grundlagen der Verschmutzung. Es folgen Filter-Bauarten (mit Kennlinien), Filter-Systeme und die Bewertung des Filtereffekts nach ISO (ß-Wert). Auf die sehr wirksame Filterung von Leckölströmen wird hingewiesen. Bei den Speichern wird als Besonderheit das Prinzip von Leichtbau-Konzepten mit hydrostatischer Gleitrohrentlastung gezeigt. Zu ihrem Betriebsverhalten dienen die Grundlagen der Stickstoff-Thermodynamik (mit Arbeitsdiagramm). Wärmetauscher, Messgeräte und Sensoren beschließen das Kapitel.

Es beginnt mit dem Beispiel einer kompletten Signalkette für die Steuerung oder Regelung eines Ölmotors vom digitalen BUS-Signal ausgehend in 9 Stufen bis zur Ausgangsdrehzahl. Hinweise für die Simulation schließen sich an. Beispiele für Steuerungen des Volumenstroms durch Drosselschaltungen werden wegen ihrer günstigen Kosten besprochen, die dazu modellierten Verluste weisen aus, dass solche Schaltungen nur für sehr kleine Leistungen oder Kurzzeitbetrieb zu empfehlen sind. Mit Verstellpumpen oder elektrisch variablen Antrieben erreicht man für den Dauerbetrieb energetisch günstigere Systeme, z. B. für die Regelgrößen Druck, Differenzdruck (=Load Sensing), Volumenstrom und Leistung – ebenso für deren Kombinationen. Verstellbare Ölmotoren eröffnen weitere Spielräume. Diese werden für den drosselfreien Betrieb am Konstantdrucknetz aufgezeigt, dem man weitere Zukunftschancen einräumt.

Die Hilfen für die Gestaltung konkreter Hydrauliksysteme beginnen mit Grund-schaltplänen sowie einer systematischen Ordnung wichtiger Kreislaufsysteme. Die derzeit drei wichtigsten Systeme arbeiten mit „eingeprägtem Volumenstrom“, „eingeprägtem Druck“ und „eingeprägter Druckdifferenz“ (Load Sensing). Diese werden verständlich erklärt und bezüglich ihres energetischen Verhaltens verglichen. Das Ergebnis unterstreicht die noch immer zunehmende Bedeutung der Load Sensing-Systeme. Weitere Grundschaltpläne betreffen hydrostatische Fahrantriebe und die Steuerung mehrerer Verbraucher, insbesondere Arbeitszylinder. Es folgen Unterlagen für den Entwicklungsprozess von Hydraulikanlagen mit Lastenheft, Konzept- und Entwurfsphase, Funktionsdiagrammen und Auslegungsbeispielen – u. a. mit der detaillierten Berechnung eines repräsentativen hydrostatischen Radlader-Fahrantriebs. Durch sorgsam eingesetzte Parameter ergeben sich aus diesem Beispiel typische Wirkungsgradaussagen, die z. B. gut als Referenz für geplante ähnliche Systeme dienen können. Bezüglich des Betriebsverhaltens enthalten weitere Abschnitte Grundlagen zur Thermodynamik kompletter Anlagen und zu deren sekundärer Geräuschsenkung.

Die Anwendungsbeispiele (mit Schaltplänen) betreffen wichtige Gebiete wie hydrostatische Fahrantriebe (auch mit Leistungsverzweigung), Hilfskraftlenkungen, mobile Maschinen, Straßenfahrzeuge, große Flugzeuge und stationäre Maschinen. Alle Grafiken wurden für dieses Buch in hoher didaktischer Qualität extra einheitlich gezeichnet – so z. B. auch der Schaltplan für die Konstantdruckhydraulik des Kampfflugzeugs „Tornado“. Diese steht für ein noch immer modernes Flugzeug-Hydrauliksystem mit Hinweisen auf weitere Fortschritte beim A 380. Der letzte, ganz neue Abschnitt konzentriert sich auf neueste Energieeinsparungen durch Hydraulik – wieder an Hand konkreter Beispiele. Im Werkzeugmaschinenbau konnte man z. B. bei Großpressen durch drosselfreie Steuerungen und Rekuperation (bei Kolbenabsenkung und Dekompression) beeindruckende Energieeinsparungen erreichen. Bagger und Hafenkrane konnten ihre Energieeffizienz durch Rekuperation potenzieller oder kinetischer Energie (Absenken, Verzögern) deutlich verbessern. Hydrostatische Hybridantriebe wurden für Stop-and-go-Fahrzeuge entwickelt und angewendet. Diese Erfolge beruhen u. a. darauf, dass in der Hydraulik besonders kostengünstige, bewährte Speicher zur Verfügung stehen.