Pneumatik Hydraulik Maschinenbau - TOPMOTORS · 2019. 4. 8. · Energiesparende Hydrau likantriebe...

Energiesparende Hydraulikantriebe 06.12.2013

Dr.-Ing. Johann Lodewyks 1

Energiesparende Hydraulikantriebe

Wirtschaftliche Bedeutung der Fluidtechnik

VDMA Zahlen für die deutsche Wirtschaft

Pneumatik

Hydraulik

Maschinenbau



KriteriumFluidtechnik

Elektrotechnik MechanikHydraulik Pneumatik

Leistungs-

bereichBeispiel Motor

[ W ] 103 – 2 * 106 10 – 103 10 – 8 * 10510 – 8 * 106

Getriebe

Leistungs-

gewicht [ W / kg ] 200 - 104 70 - 300 20 - 250 100 – 104

Übertragungs-reichweite [ m ] 100 103 30 * 106 10

Investitions-kosten gering

Antriebstechnik im Vergleich

Ölhydraulik

Hohe Kraftdichte Langlebigkeit Zuverlässigkeit Einfacher Überlastschutz Gute Steuerbarkeit Einfache Linearbewegung Einfache Getriebefunktion

Vorteile der Stationärhydraulik



Ölhydraulik

Geringes Gewicht Geringer Bauraum Aufgelöste Bauform Zuverlässigkeit Einfacher Überlastschutz Gute Steuerbarkeit Einfache Linearbewegung Einfache Getriebefunktion

Vorteile der Mobilhydraulik

Aufbau eines klassischen Hydraulikantriebes

F

v

s

AZ

p0

M

VM

Hydromotor

oder

Zylinder als leichte und robuste Antriebe

Vierkanten – Widerstandssteuerungdirekt am Zylinder für gutes Folge- und Störverhalten im Regelkreis

Konstantpumpe mit DBVfür stabilen Versorgungsdruck p0



Gesamtwirkungsgrad Hydromotor

Gesamtwirkungsgrad eines Axialkolben-Schrägachsen Motors

0 25 50 75 100

420

280

140

0

Dru

ck

[ bar ]

[ % ]

Drehzahl / Nenndrehzahl

94 %

93 %

90 %

84 %

74 %

Wirkungsgrad

Gesamtwirkungsgrad Asynchronmotor

http://www.energie.ch/antriebsvergleich

Gesamtwirkungsgrad eines Asynchron-

motors

WEG



Reibkraftverluste am Zylinder

Winkel = +/- 6°

Gelenkkopf

Lastkräfte

x – RichtungReibung bei Knickung

y – RichtungReibung durch Reaktionsmoment

z – RichtungReibung durch Reaktionsmoment

Vermeidung durchFührung der Lastoder Gelenkkopf

x y

z

0

Last

volu

men

stro

m

Ap

Im Arbeitspunkt Ap linearisierter Lastvolumenstrom

Linearisiertes Kennlinienfeld

Kennlinienfeld

Durchflussverstärkung

hydraulischer Leitwert

Druckverstärkung

LQpQyL pVyVQ

0

0 1p

p

y

Q

y

QV L

ppyy

LQy

pL

p

max

0

0

021

1pp

yy

p

Q

p

QV

Lyypp

L

LQp

p

pL

max

y

pp

y

pV L

QQyy

Lpy

pL

p

02

0Q

QL

1

0

0p

pL

maxy

y

1

01



Energiebilanz der Drosselsteuerung

Nutzleistung

Ventil Drosselverluste

Pumpenleistung und

Wirkungsgrad

Konstantpumpe

normierter Lastvolumenstrom Wirkungsgrad100

706050403020100

[ % ]

p am Ventil1/3 p0

pL Lastdruck2/3 p00 p0Druck

200

14012010080604020

[ % ]

0

opt

L

Q

Q

LLL pQP

pQP LV

Volumenstrom im optimalen Arbeitspunkt

Qopt [ l/min ]

Versorgungsdruck p0 [ bar ]

000 pQPK

32

3

LLV QppQP ~~

0000 pQ

pQ

P

P LL

K

LK

Lppp 0

BAL ppp

00 Tpp

LLL pQP

s

0KP

0DP

Vierquadranten Arbeitsbereichzwei richtungsabhängige Grössen (F, v)

Hydraulische GrössenLastdruck und Lastvolumenstrom

Energiebilanz des Servoantriebes

Zugkraft Druckkraft

einf

ahre

n

aus

fahr

en

Geschwindigkeit v

Lastkraft F

Lastdruck pL

Lastvolumenstrom QL

Fv

pL (-)

Fv

F

Fv

BAL ppp

00 Tpp

0Q

BA

L

QQ

Qssign

)(

QL (+)

pL (-)QL (-) QL (-)

pL (+)

pL (+)QL (+)

Nutzleistung Verlustleistung

Energiebilanz

s

v

ProblemDrosselung treibender Lasten



Aufbau eines Hydraulikantriebes

F

v

s

AZ

p0

Wirkungsgrade

hydraulisch-mechanisch 94 %volumetrisch 95 %




M

VM

Leistungsbedarf von Maschinen

http://www.energie.ch/themen/industrie/masch/index.htm

Leis

tung

P

[ k

W ]

Zeit t [ s ]

Netzleistung einer Bearbeitungsvorganges

AnfahrenEilgang

Maximalleistung der Druckversorgung

Hilfsantriebe

Prozessleistung

Hauptantriebe

BearbeitungLastgang

RückzugEilgang

Verlustleistung



Zusammenfassung

Drosselverluste der Steuerkanten

Konstante Hydraulikleistung

F

v

s

AZ

p0

M

VM

Probleme

Drosselung treibender Lasten1> Energierückgewinnung

Lösungen

2> Drosselfreie Steuerung

3> Bedarfsgerechte Leistung

Regenerative Energiespeichermedien

- elektrische Ladung

- Masse

- Gas

Idealer Energiespeicher

- hohe Energiedichte

- hohe Leistungsdichte

Vergleichswerte

- nutzbare Energiedichte des Dieselkraftstoffs

- Leistungsgewicht desDieselmotors

1> Vergleich Energiespeicherkomponenten

kurz

< E

nerg

iedi

chte

[ W

h/kg

] >

la

ng Diesel

schwer < Leistungsdichte [ W/kg ] > leicht

Diesel-motor

Blei-batterie

Li - IonenBatterie

Schwungrad

Super Cap

Blasenspeicher

Elektrolyt Kondensator

1’000

100

10

1

0,1

0,0110 100 1’000 10’000



1> Hydrostatisches Bremsen

Quelle: DANA

Niederdruckspeicher

Hochdruckspeicher

Ste

uerv

entil

e

Spicer Power Boost Hub

Hydrostatischer FahrantriebPumpe und Motor verstellbar

Regeneration 70% der kinetischen Energie

M


n

nsoll

psoll

Konstant-drucknetz

Sekundär-regelung

Hydrostatisches Getriebe Verstellmotor am Konstantdrucknetz

ein symmetrischerVerbraucher

je Pumpe

Primär-regelung

MQP

vsoll

v

HydrostatischerFahrantrieb

Verstellpumpe mit zwei

Verstellmotoren

Quelle: Bosch Rexroth



2> drosselfreier Differentialzylinderantrieb

1

A

T

V

V

Verhältnis der Schluckvolumina

2

1 fürAT VV

M

pA

pC

pB

VAVT

A A Kraft

Geschwin-digkeit


Digitalhydraulik

Schnellschaltventil

Quelle: LCM

• Schaltzeit 1.5 ms• Dauerfrequenz 100 Hz

kurzzeitig 200 Hz• Nennvolumenstrom 10 l/min @ 5bar• integrierte Elektronik

Wirkungsgradverbesserung imTeillastbereich ohne Drosselverluste

Kennlinienfeld

M

0pKonstant-druck



Elektroreologische Flüssigkeiten


Quelle: IFAS

Viskositätsänderung durch elektromagnetische Kräfte

proportional steuerbare Ventileohne beweglichen Teile

Vp

Q

pmax

pDBV

QL

pB

pL

p

Schaltungsbeispiele

druckloser Umlauf

Speicherladeschaltung

Load Sensing Steuerung

druck- und förderstrom-geregelte Verstellpumpe

3> Bedarfsgerechte Leistung

M

pLQ



3> Bedarfsgerechte Druckversorgung

Vp

Q

pmax

Hydraulik-steuerung

pDBV

QL

pB

pL

p

Verstellpumpe mit Druck- und Förderstromregelung

Verlustleistung

Druckeinstellung pDBV

Eck-leistungpmax Qmax

Druckregelung

Betriebs-punkt

(pL+pB) Q

Leerlaufleistung

pB

QL

p

Strom-regelung

QVerlustPumpen-leistung

LastpL Q

Druck p [ bar ]

Nutzleistung

Vol

umen

stro

m

Q

[ l/m

in ]

För

derv

olum

en

Vp

[ c

m3/U

]

)Q(Q)pp(P LDBVBLV1

für pL< p0 ist QDBV = 0

Verluste der Druckversorgung

QpP BV2 Verluste der Steuerung

2+3> bedarfsgerechte, drosselfreie Steuerung

Quelle: Weber Hydraulik

Drehzahlgeregelter E-Motor

Konstantpumpe

dezentrale Druckversorgung

elektro-hydraulische Lenkung- Leistung 2 kW

Einsatz in Gabelstaplernvon Jungheinrich

Konstantpumpe mit DC Motor



axial und radial kompensierte Innenzahnrad- Konstantpumpen

AC Servomotorsteuerung

Lage- oder Druckregelung des Zylinders

Kontrollierte Kompression und Dekompression

Energierückgewinnung

Energielose Lasthaltung

Quelle: Voith Turbo H+L Hydraulic

2+3> Servomotor Pressensteuerung

KraftGeschwindigkeit

Weg

Nachsaug-ventil

AC Servo-motor

Bussystem

Tank

Dreh-geber

Dreh-geberZylinder

Positionssensor

AC Servo-motor

Lasthalteventil

Servomotor Pressensteuerung

2+3> Kosten drehzahlgeregelter Antriebe

frequenzgeregelterE-Motor

Energiekosten

Hydromotor mit Prop.-ventil

Kos

ten

Date post:	13-Mar-2021
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