Ölhydraulik

Frontmatter

Kapitel 1. Einführung

Zusammenfassung

Es werden zuerst Begriffe erklärt und die Ölhydraulik – besser Hydrostatik ge-nannt – in ihrer grundsätzlichen Wirkungsweise erläutert. Der Unterschied gegen-über der Hydrodynamik wird zur Abgrenzung hervorgehoben und die Geschichte der Ölhydraulik wird kurz erwähnt.

Darüber hinaus wird der grundsätzliche Aufbau eines Hydrauliksystems be-schrieben und auch die Vorteile der Schaltplandarstellung mit den genormten gra-fischen Symbolen nach DIN ISO 1219 beschrieben.

Eine Übersicht über die Vor- und die Nachteile der Ölhydraulik im Vergleich mit anderen Antriebssystemen schließt sich an, bevor zum Abschluss des Kapitels einige Hinweise zum S.I.-Maßsystem und zu praktischen Berechnungen gegeben werden.

Gerhard Bauer, Mathias Niebergall

Kapitel 2. Physikalische Grundlagen

Zusammenfassung

Zuerst werden die physikalischen Grundlagen für die Berechnung von Druck, Druckverlusten (Strömungsverlusten), Volumenstrom und Leistungsfluss in den Bauelementen hydraulischer Anlagen erläutert.

Um das Verständnis für im Betrieb von hydraulischen Anlagen auftretenden Er-scheinungen, wie z. B. Bewegungsungenauigkeiten, Schwingungen, Druckstößen oder Anlaufverzögerungen von Zylindern oder Hydromotoren, zu fördern, wird die Kompressibilität der Druckflüssigkeit und ihre Auswirkungen in einem eige-nen Abschnitt beschrieben.

An einem Düse-Prallplatten System wird die Kraftwirkung eines Flüssigkeits-stroms abgeleitet und anschließend gezeigt, wie die Kraftwirkung sich auf die Ver-stellkräfte an den rotationssymetrischen Kolben von Ventilen auswirkt.

Abschließend wird die Strömung in Spalten beschrieben, die die Grundlage für die Berechnung von Leckströmen in Bauelementen, der Kraftwirkung zwischen be-wegten Bauteilen der Bauelemente hydraulischer Anlagen, aber auch für die hyd-rostatischen Lager ist.

Gerhard Bauer, Mathias Niebergall

Kapitel 3. Druckflüssigkeiten

Zusammenfassung

Die wichtigste Aufgabe der Druckflüssigkeit (Hydraulikflüssigkeit) ist die Über-tragung von Kräften und Bewegungen. Außerdem muss aber die Druckflüssigkeit eine gute Schmierwirkung haben, d. h. sie soll den Verschleiß aufeinander gleiten-der Teile mindern, sie muss vor Korrosion schützen und die anfallende Wärme abführen. Dazu kommen manchmal Zusatzforderungen wie Schwerentflammbar-keit (in Heißarbeitsbereichen wegen der erhöhten Brandgefahr oder in der Büh-nentechnik und im Bergbau für einen erhöhten Personenschutz) oder hohe Um-weltverträglichkeit (Baumaschinen in Wasserschutzgebieten), die von den über-wiegend verwendeten Mineralölen nicht erfüllt werden können.

Die Druckflüssigkeit ist also eine äußerst wichtige Komponente in hydraulischen Systemen, und störungsfreier Betrieb hängt oft entscheidend von der richtigen Wahl der Druckflüssigkeit ab. Deshalb werden in diesem Kapitel die Eigenschaf-ten und die daraus folgenden Anwendungen der unterschiedlichen Druckflüssig-keiten erläutert.

Gerhard Bauer, Mathias Niebergall

Kapitel 4. Filter, Flüssigkeitsbehälter, Wärmeanfall und Kühlung

Zusammenfassung

Filter sind für den Betrieb einer hydraulischen Anlage fast immer unentbehrlich. Sie dienen dazu, feste Verunreinigungen aus der Druckflüssigkeit auszuscheiden.

Die für die Filterauswahl maßgebenden Faktoren, wie die Filterfeinheit (Filtrati-onsverhältnis βx), die Abscheideleistung, die Schmutzaufnahmekapazität, der Druckverlust (neu bis voll verschmutzt) und die Reinigungsmöglichkeit bzw. der einfache Austausch der Filterpatronen werden erläutert.

Die Aufgaben des Flüssigkeitsbehälters (meistens als Ölbehälter oder Öltank be-zeichnet) werden beschrieben und seine daraus folgende Konstruktionsweise er-läutert.

Wärmeanfall und Kühlung in einer hydraulischen Anlage werden auch an dieser Stelle behandelt, weil dabei der Flüssigkeitsbehälter häufig eine wichtige Funktion hat.

Gerhard Bauer, Mathias Niebergall

Kapitel 5. Hydropumpen

Zusammenfassung

Hydrostatische Pumpen, in DIN ISO 1219 Hydropumpen genannt, wandeln die bereitgestellte mechanische Energie in hydraulische Energie um. Wegen den in der Ölhydraulik üblichen hohen Betriebsdrücken (meist über 50 bar), und kleinen Förderströmen (meist unter 5 l/s) eignen sich die sonst so erfolgreichen hydrody-namischen Pumpen (Kreiselpumpen) nicht, sondern es werden Pumpen benutzt, die nach dem Verdrängerprinzip arbeiten. Diese Verdrängerpumpen - auch volu-metrische Pumpen genannt - arbeiten wie folgt: Ein Verdrängerraum, z. B. in ei-nem Zylinder mit bewegtem Kolben, ist während er sich vergrößert, mit der An-saugleitung verbunden und füllt sich auf. Wenn er sich wieder verkleinert, wird er auf die Ausstoßleitung umgeschaltet und verdrängt dann die Flüssigkeit. Die not-wendigen Umschaltungen werden je nach Bauart durch federbelastete Ventile (Rückschlagventile) oder häufiger durch Schlitze oder Kanäle in bewegten Wän-den gesteuert. Die wichtigsten Pumpenbauarten (Zahn-, Flügel-, Axialkolben-, Radialkolbenpumpen) und ihre Berechnung werden beschrieben. Außerdem wer-den für die Verstellpumpen (Förderstrom bei konstanter Antriebsdrehzahl varia-bel) die am häufigsten verwendeten Verstell- und Regeleinrichtungen erläutert.

Gerhard Bauer, Mathias Niebergall

Kapitel 6. Motoren

Zusammenfassung

Hydrostatische Motoren wandeln die ihnen zugeführte hydraulische Energie wie-der in mechanische Energie um. Je nach Bewegungsart muss man Motoren für geradlinige Bewegungen, in DIN ISO 1219 Zylinder genannt, und Motoren für Drehbewegungen, die in der Norm Hydromotoren genannt werden, unterscheiden.

In der Norm DIN ISO 1219 werden die Symbole und Wirkungsweise der ver-schiedenartigen Zylinderbauformen gezeigt. Die beiden wichtigsten Bauarten sind die einfachwirkenden und die doppeltwirkenden Zylinder. Für diese werden der Aufbau, die Befestigungsarten und die Berechnung beschrieben.

Bei den Hydromotoren werden Schnellläufer, Mittelläufer und Langsamläufer un-terschieden. Die unterschiedlichen Bauarten, wie Zahnrad-, Flügel-, Axialkolben-, Radialkolbenmotoren werden beschrieben und ihre Anwendung und Berechnung erläutert.

Ebenfalls erwähnt werden die Motoren für begrenzte Drehbewegungen die soge-nannten Schwenkmotoren.

Gerhard Bauer, Mathias Niebergall

Kapitel 7. Ventile als Steuergeräte und ihre Anwendungen

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden die Ventile, die in der Ölhydraulik im Leistungsbereich zur Steuerung des Leistungsflusses verwendet werden, und damit auch als Steu-ergeräte bezeichnet werden können, besprochen. Ihre Benennung, Erläuterung und Symbole nach der DIN ISO 1219 sind im Anhang ausführlich dargestellt.

Es werden der Aufbau, die Funktion sowie die Anwendung der wichtigsten „kon-ventionellen“ Hydraulikventile besprochen. Es wird dazu mit Hydraulik-Schaltplänen erläutert, wie man mit diesen Ventilen die geforderte Funktion einer Anlage erfüllen kann. Mit der Frage des Signalflusses, d. h. der Auswahl und An-ordnung der Signale, die den Ablauf steuern, befasst sich dann das Kap. 16 „Steuerungstechnik der Signalflüsse“.

Die Servo-, Proportional- und Regelventile werden im Kap. 8 gesondert be-handelt, da es sich bei ihnen um stetig verstellbare Ventile handelt, die sowohl in hydraulischen Steuerungen als auch in Regelkreisen eingesetzt werden können.

Die Ventile zur Steuerung im Leistungsbereich können nach ihren Aufgaben in vier Hauptgruppen, nämlich Druck-, Wege-, Sperr- und Stromventile eingeteilt werden. Ihr Aufbau, Wirkungsweise, Kennlinien und ihre Anwendungen werden besprochen.

Gerhard Bauer, Mathias Niebergall

Kapitel 8. Stetig verstellbare Ventile (Stetigventile)

Zusammenfassung

In konventionellen Hydrauliksystemen, die mit den in Kapitel 7 beschriebenen Ventilen aufgebaut sind, erfolgen Richtungsänderungen sowie Veränderungen des Druckes oder Volumenstromes meist sprunghaft, besonders wenn diese Änderun-gen - wie dies in konventionellen elektrohydraulischen Systemen der Fall ist - durch elektromagnetisch betätigte Schaltventile erreicht werden.

Wenn höhere Ansprüche an das Betriebsverhalten der Maschinen gestellt werden, ist eine Hydraulik erforderlich, die Volumenströme und damit Geschwindigkeiten oder Drehzahlen sowie Drücke (Kräfte bzw. Drehmomente) feinfühlig an die Er-fordernisse anpassen kann. Dies ist durch den Einsatz von den stetig verstellba-ren Ventilen - kurz Stetigventile genannt - möglich. Bei diesen Ventilen wird das Eingangssignal, das in der Regel elektrisch ist, stufenlos in ein proportionales hydraulisches Ausgangssignal (Volumenstrom oder Druck) umgewandelt.

Zu den Stetigventilen gehören sowohl die seit Jahrzehnten aus der Luft- und Raumfahrt bekannten Servoventile, als auch die in den letzten Jahren entwickel-ten Proportional- und Regelventile, die in der Stationär- und Mobilhydraulik verwendet werden. In diesem Kapitel werden die Konstruktion, die Funktion, die Auslegung und die Anwendung der Stetigventile beschrieben.

Gerhard Bauer, Mathias Niebergall

Kapitel 9. Hydrospeicher

Zusammenfassung

Hydrospeicher, auch Druckspeicher genannt, haben in ölhydraulischen Anlagen die Aufgabe, Druckflüssigkeit aus der Anlage unter Druck als hydrostatische Energie aufzunehmen, also zu speichern und sie bei Bedarf der Anlage wieder zu-zuführen. Hydrospeicher sollen also eine günstigere Energieverwertung oder eine gleichmäßigere Energieübertragung in Hydraulikanlagen ermöglichen.

In diesem Kapitel werden die Anwendungsmöglichkeiten der Hydrospeicher er-läutert, sowie die Bauarten der in der industriellen Anwendung gängigsten Hyd-rospeicher beschrieben. Für die in der Anwendung bevorzugten Gas-Hydrospeicher wird sowohl die rech-nerische Auslegung wie auch ihre Auswahl mit Hilfe von Druck-Volumen-Kennlinien gezeigt. Ein Abschnitt über die Sicherheitsanforderungen schließt das Kapitel ab.

Gerhard Bauer, Mathias Niebergall

Kapitel 10. Verbindungselemente und Ventilmontagesysteme

Zusammenfassung

Die Verbindung der Hydrogeräte muss wie im Schaltplan festgelegt erfolgen. Sie kann auf verschiedene Weise ausgeführt werden. In der Mobilhydraulik werden die Geräte weitgehend mit Rohrleitungen und Schläuchen verbunden, während in der Stationärhydraulik im Steuerungsteil rohrlose Ventilmontagesysteme bevor-zugt werden, sodass Rohrleitungsverbindungen nur noch mit Pumpen, Zylindern und Hydromotoren erfolgen.

In diesem Kapitel wird darauf hingewiesen, wie man Strömungsverluste klein hal-ten kann und wie die Auswahl von Rohrleitungen, Rohrverbindungen und Schlauchleitungen erfolgt. Außerdem werden die von den Herstellern angebotenen Ventilmontagesysteme (Anschlussplatten, Steuerplatten, Steuerblöcke und Ver-kettungssysteme) beschrieben.

Gerhard Bauer, Mathias Niebergall

Kapitel 11. Dichtungen

Zusammenfassung

Da in der Ölhydraulik die Kräfte mit Hilfe einer Druckflüssigkeit übertragen wer-den, erkennt man leicht, dass Dichtungsfragen eine besondere Rolle spielen. Die bei den physikalischen Grundlagen bereits beschriebene Spaltdichtung ist eine berührungslose Dichtung, bei der immer ein gewisser Leckverlust entsteht. Ihr Vorteil ist aber, dass bei richtiger Funktion eine berührungsfreie und daher ver-schleißfreie Dichtstelle entsteht, die keiner Wartung bedarf. Die Spaltdichtung fin-det man in Pumpen, Hydromotoren und Ventilen. Verlangt man von einer Dicht-stelle, dass sie vollständig, oder wenigstens weitgehendst dicht ist, so muss man einen Spalt vermeiden, also eine berührende Dichtung anwenden. Es werden deshalb in diesem Kapitel die statischen und dynamischen Dichtungen erläutert, die in der Ölhydraulik besonders wichtig sind. Dichtungen für rotierende Wellen, wie z. B. Radialdichtringe, die bei Pumpen und Hydromotoren als Wellenabdichtung verwendet werden, werden als bekannte Dichtelemente nicht weiter beschrieben.

Gerhard Bauer, Mathias Niebergall

Kapitel 12. Anwendung von Kennlinien bei der Berechnung von Hydrokreisläufen

Zusammenfassung

Wie bereits schon früher erwähnt, lassen sich die Kennlinien der Bauelemente ei-nes Hydrokreislaufes zu dessen Berechnung ausnützen. Die hydrostatischen Bau-elemente haben meist keine linearen Kennlinien, sodass ihre mathematische Be-schreibung und damit die rechnerische Ermittlung des Arbeitsverhaltens eines Hydrokreislaufes sehr schwierig ist. Eine leichte und gut überschaubare Methode erhält man durch die graphische Ermittlung mit den Kennlinien der Einzelelemen-te, die zudem den Vorteil hat, dass auch Änderungen des Betriebszustandes sofort überblickt werden können. Man kann zwar nur stationäre Betriebszustände dar-stellen, doch werden instationäre Vorgänge dadurch mindestens in ihrer Tendenz abschätzbar. Es werden die Kennlinien der wichtigsten Bauelemente nochmals gezeigt und als Anwendungsbeispiel das Zusammenwirken eines Pumpenaggre-gats mit einem Verbraucherkreis beschrieben.

Gerhard Bauer, Mathias Niebergall

Kapitel 13. Hydrostatische Getriebe

Zusammenfassung

Unter einem hydrostatischen Getriebe versteht man die Kombination einer Hyd-ropumpe (Primärteil) über Rohr- oder Schlauchleitungen mit einem oder mehre-ren Hydromotoren (Sekundärteil). Sind Pumpe und Motor in einem gemeinsamen Gehäuse eingebaut, so spricht man von einem Kompaktgetriebe, bei räumlich ge-trennter Anordnung von einem Ferngetriebe. Es werden Schaltpläne und Wirkungsweise des offenen und des geschlossenen Kreislaufes ausführlich beschrieben, Begriffe erläutert und die Berechnung darge-stellt. In einem Aufgabenbeispiel wird auch die Berechnung eines Summiergetrie-bes gezeigt. Auf leistungsverzweigte Getriebe wird hingewiesen.

Gerhard Bauer, Mathias Niebergall

Kapitel 14. Steuerung im Leistungsbereich

Zusammenfassung

In den vorhergehenden Kapiteln wurden die Bauelemente, mit denen hydraulische Anlagen aufgebaut werden, beschrieben und es wurde anhand von Schaltplänen gezeigt, wie eine geforderte Funktion, z.B. die Steuerung oder Regelung der Rich-tung und Größe einer Kolbengeschwindigkeit, erreicht werden kann.

Folgende drei grundsätzliche Möglichkeiten für die dazu notwendige Steuerung der hydraulischen Energie bzw. des Leistungsflusses gibt es:

• die Widerstands- oder Ventilsteuerung,
• die Verdrängersteuerung,
• den drehzahlvariablen Pumpenantrieb.

Ihre Funktion wird erläutert und ihre Vor- und Nachteile beschrieben, wobei auch die Möglichkeiten der Energieeinsparung betrachtet wird.

Gerhard Bauer, Mathias Niebergall

Kapitel 15. Prinzipbedingte Leistungsverluste bei konventionellen und neueren Hydrauliksystemen

Zusammenfassung

Die Steuerung der Geschwindigkeit von Zylindern bzw. der Drehzahl von Hyd-romotoren kann durch Ventilsteuerung oder Verdrängersteuerung erfolgen. Im folgenden werden die dabei entstehenden prinzipbedingten Leistungsverluste von konventionellen Steuerungen (Steuerung durch Pumpenverstellung, Steuerung mit Stromventilen oder stetig verstellbaren Wegeventilen) und neuere Schaltungstech-niken (Load-Sensing-Systeme, Sekundärregelung) aufgezeigt. Verluste im Lei-tungssystem und nicht zur Geschwindigkeitssteuerung benötigten Hydraulikele-menten werden nicht berücksichtigt. Die vereinfachten Schaltpläne zeigen deshalb auch nur die zur Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlsteuerung erforderlichen Hyd-raulikelemente. Diese Gegenüberstellung zeigt, wie in der Ölhydraulik Energie ge-spart werden kann.

Gerhard Bauer, Mathias Niebergall

Kapitel 16. Einführung in die Steuerung des Signalflusses

Zusammenfassung

In vorhergehenden Kapiteln wurde an Hydraulikschaltplänen gezeigt, wie mit Ventilen die Steuerung im Leistungsbereich einer hydraulischen Anlage erfolgt.

In diesem Kapitel wird nun die Auswahl, Anordnung und Verarbeitung der Signa-le, also kurz gesagt, der Signalfluss, der die Geräte des Leistungsbereichs im Sinne der gestellten Aufgabe steuert, besprochen. Wegen der anders gearteten Anforde-rungen an die Signalflüsse wird hier als Energieform meist die Elektrik/Elektronik der Hydraulik vorgezogen. Ob bei elektronischen Steuerungen die Signalübertra-gung, also die Kommunikation zwischen den Baugliedern (Komponenten) der Steuerung, konventionell durch parallele Verdrahtung oder über einen Feldbus (Datenbus) mit nur einer Leitung erfolgt, bestimmen die Anforderungen der Pra-xis.

Dieses Kapitel ist eine Einführung in die Steuerung des Signalflusses. In der DIN 19226 wird ein Ordnungsansatz für die Steuerungsarten vorgeschlagen. Dieser wird, obwohl die DIN 19226 inzwischen zurückgezogen wurde, vorgestellt, da er plausibel erscheint. Außerdem wird für einige Steuerungen aus der Ölhydraulik der Signalfluss beschrieben.

Gerhard Bauer, Mathias Niebergall

Kapitel 17. Anwendungsbeispiele der Ölhydraulik

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden folgende konventionelle und neuere Anwendungen der Ölhydraulik aus der Stationär- und der Mobilhydraulik beschrieben:

• Hydraulische Folgesteuerung einer Spann- und Produktionsvorrichtung
• Vorschubantrieb mit Primärsteuerung
• Antrieb einer kleineren Oberkolbenpresse
• Zentrifugenantrieb
• Antrieb der Spritzeinheit einer Spritzgießmaschine
• Geschwindigkeitsgeregelter Antrieb einer fliegenden Säge
• Hydropulsanlage (Servohydraulische Prüfanlage)
• Hubstaplerantrieb
• Antrieb eines vollhydraulischen Mobilbaggers
• Elektronisch geregelter Fahrantrieb eines Kommunalfahrzeuges
• Hydrostatische Lüfterantriebe für Verbrennungsmotoren

Gerhard Bauer, Mathias Niebergall

Kapitel 18. Grundlagen der Simulation hydraulischer Antriebssysteme

Zusammenfassung

Moderne hydraulische Leistungsantriebe werden über ihre klassischen Vorteile hinaus zunehmend energieeffizient, benutzerfreundlich sowie automatisierungs- und diagnosefähig ausgeführt. Voraussetzung hierfür ist die intelligente Vernetzung der Antriebskomponenten, welche von der Wechselwirkung hydromechanischer Kraftverstärkung mit elektronischen Steuerungen, Softwarealgorithmen und dem Internet profitieren.

Gerhard Bauer, Mathias Niebergall

Kapitel 19. Anhang

Zusammenfassung

Der Anhang besteht aus vier Abschnitten.

Im ersten Abschnitt „Benennung, Erklärung und Symbole der Ölhydraulik nach der DIN-ISO 1219“ werden die grafischen Symbole (auch Schaltzeichen oder Sinnbilder genannt), mit denen man die Schaltpläne erstellt, in Anlehnung an die „Richtlinien für die Anwendung der DIN ISO 1219“ des VDMA von 1978, unter Berücksichtigung der Fassung der DIN ISO 1219 von 2007, erläutert.

Der zweite Abschnitt „Normen und Richtlinien“ verweist beispielhaft auf einige DIN Normen und VDMA-Einheitsblätter, die für die Ölhydraulik wichtig sind.

Der dritte Abschnitt „Lösungen zu den Übungsbeispielen“ enthält die Ergebnisse der Beispiele, deren ausführliche Lösung nicht bereits in den entsprechenden Kapiteln gezeigt wurde.

Der vierte Abschnitt „Numerische Lösungen gewöhnliche Differentialgleichungen“ beschreibt die wichtigsten Verfahren, die für die Simulation hydraulischer Systeme geeignet sind.

Gerhard Bauer, Mathias Niebergall

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