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

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Trotz der vielfach genutzten Vorteile hat die Mehrventilblockbauweise auch

Nachteile. Ein Auswechseln eines Ventils ist bei der Sandwichbauweise nur mit

entsprechend hohem Aufwand möglich, weil die gesamte Batterie demontiert

werden muss. Die Anzahl der geflanschten Ventile wird durch Dehnung der Zug-

anker (Dichtheit), insbesondere bei hohen Drücken begrenzt, reicht aber in vielen

Anwendungsfällen aus. Um den letzteren Nachteil zu vermeiden, sind für höhere

Drücke und serienmäßigen Einsatz die Dichtstellen zwischen den Ventilen aus-

geschaltet und die Montageoperationen durch einen gemeinsamen Gehäuseblock

extrem verringert worden. Ein solcher Block wird als Monoblock bezeichnet.

Durch die Einführung von 3D-CAD-Programmen und die Möglichkeit der

rechnergestützten mechanischen Bearbeitung ergeben sich sehr viele Möglich-

keiten auch für Sonderanwendungen mit geringen Stückzahlen.

8.6.3 Anschlussplattenverkettung

Beim Einsatz der Hydraulik in hochproduktiven Maschinen und Anlagen ist die

Möglichkeit eines schnellen und problemlosen Ventilwechsels zu sichern. Da die-

se Forderung von Ventilen im Rohrleitungseinbau und mit der Mehrven-

tilblockbauweise nicht erfüllt werden kann, sind Anschlussplattenventile ent-

wickelt worden. Plattenventile besitzen selbst keine Rohrverschraubungen. Alle

Anschlusskanäle werden nach einer Seite, an der Montagefläche des Ventils,

herausgeführt. An dieser Montagefläche wird das Ventil an einer Anschlussplatte

angeflanscht und mit Rundringdichtungen abgedichtet. Die Anschlussplatte hat

ein genormtes Bohrbild nach DIN 24340, das mit dem Bohrbild des Ventils

übereinstimmt, und besitzt die notwendigen Anschlüsse für die Rohrleitungen. Für

verschiedene Ventilfunktionen gibt es auch verschiedene Bohrbilder. Damit ist die

Austauschbarkeit der Ventile auch verschiedener Hersteller mit wenigen Hand-

griffen und ohne Demontage von Rohrleitungen problemlos möglich.

Bei der Gestaltung der Anschlussplatten sind unter Einhaltung der genormten

Anschlussmaße je nach Anwendung verschiedene Formen zu unterscheiden:

 Einzelanschlussplatten,

 Verkettungsplatten,

 Sonderanschlussplatten.

Die Einzelanschlussplatte ist für die Aufnahme von einem Ventil vorgesehen

und besitzt dafür die entsprechenden Rohrleitungsanschlüsse für die Leitungen,

die entweder nach unten oder seitlich angeordnet sind. Da für die Abgangsver-

schraubungen viel Platz benötigt wird, ist die Anschlussplatte oft größer als die

Montagefläche der Ventile. Die Kanäle werden dann durch Schrägbohrungen zu

den Abgangsgewinden geführt. Da bei Einzelanschlussplatten alle Leitungen für

Druck- und Behälteranschluss, für Verbraucheranschlüsse und ggf. für Steuer- und

Leckageanschlüsse gesondert zu installieren sind, ist der Montageaufwand be-

achtlich. Deshalb wird die Einzelanschlussplattenverkettung nur für Kreisläufe mit

wenigen Ventilen verwendet. Abb. 8.78 a zeigt die Verkettung der Einzel-

anschlussplatte, Abb. 8.78 b Lochbilder für Wegeventile.

8.6 Verkettungstechnik und Montageformen für Ventile 289

Für vorgesteuerte Wegeventile wird oft eine Höhenverkettung angewandt, bei

der auf dem Hauptventil das Vorsteuerventil wie auf einer Anschlussplatte mon-

tiert ist. Zwischen Hauptventil und Vorsteuerventil werden häufig Zwischenplat-

ten eingesetzt, die Druck-, Strom- oder Sperrventilfunktionen enthalten. Damit

und durch die innerhalb der höhenverketteten Ventile geführten Steuerleitungen

werden Leitungen eingespart. In Abb. 8.79 ist eine ausgeführte Verkettung dar-

gestellt.

Abb. 8.78 Anschlussplattenverkettung (Bosch AT-didactic). a Ventil mit Einzelanschluss-

platte 1 Wegeventil, 2 Anschlussplatte, 3 Rohrverschraubung, 4 Rundringdichtung, b An-

schlussplattenbohrbilder für Wegeventile nach DIN 24340 für verschiedene Nenngrößen

mit 4-Kanal-System, NG 10 mit 5-Kanal-System (maßstäblich verkleinert)

Abb. 8.79 Ventilverkettung (Bosch Rexroth)

Verkettungsplatten sind batteriemäßig verkettete Anschlussplatten. Durch alle

Verkettungsplatten verläuft ein für die Längsverkettung notwendiges Kanalsy-

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stem. Das Kanalsystem besteht i. Allg. aus fünf Hauptbohrungen entsprechend

dem Fünfkanalsystem bei Wegeventilen und kann mit weiteren Bohrungen für ge-

sonderte Steueröl- bzw. Leckageleitungen ausgerüstet sein. Die Verket-

tungsplatten werden aneinander verschraubt und abgedichtet. Sie sind jeweils am

Anfang und am Ende mit einer Befestigungsplatte ausgerüstet. Die Ventilverket-

tungssäule wird entsprechend dem Hydraulikbauschaltplan mit Umlenk- und

Trennplatten ergänzt und für Nenngrößenreduzierung mit Reduzierplatten erwei-

tert. Die eigentlichen Verkettungsplatten sind für den Anschluss der verschiedenen

Ventile auf der einen Seite mit einer Montagefläche mit Lochbild nach DIN 24340

wie die Einzelanschlussplatten ausgerüstet und besitzen auf der Gegenseite ledig-

lich Einschraubverschraubungen für die Leitungen zu den Verbrauchern.

Die Vorteile der Anwendung der Verkettungsunterplatten sind vor allem in der

Einsparung von Rohrleitungen, der komplett montierten und geprüften Ventilver-

kettungssäule durch den Hersteller, der Veränderungsmöglichkeit des Kreislaufs

und der schnellen Austauschmöglichkeit der Ventile zu sehen.

Abb. 8.80 Steuerblock und Geräteträger (HANSA-FLEX AG Aggregatebau Dresden).

a Steuerblock Schnitt b mit Ventilen bestückter Geräteträger

8.6 Verkettungstechnik und Montageformen für Ventile 291

Sonderanschlussplatten werden aus einem Stück aufgebaut und als Anschluss-

block oder als Reihenplatte bezeichnet. Sie sind kreislaufgebundene Sammelan-

schlussplatten zur Aufnahme von Anschlussplattenventilen, Anschlussplatten-

ventilen in Höhenverkettung sowie Einschraub- bzw. Einbauventilen. Die Ventile

können z. B. an mehreren Flächen des Anschlussblockes unter Beibehaltung der

Zugänglichkeit raumsparend angeflanscht werden (Abb. 8.80). Die Sonder-

anschlussplatte besitzt alle notwendigen Verbindungskanäle ähnlich einer Ver-

kettungsplatte, hat i. d. R. nur eine Zu- und eine Ablaufleitung sowie die An-

schlussleitungen zu den Verbrauchern. Der Vorteil der Anwendung von

Sonderanschlussplatten besteht darin, dass Rohrleitungen, Platz und Dichtstellen

eingespart werden. Allerdings ist aus wirtschaftlichen Gründen eine Mindest-

stückzahl erforderlich.

Sonderanschlussplatten oder Verkettungsplatten mit den erforderlichen

Ventilen werden häufig bei Hydraulikaggregaten eingesetzt und an einer Ventil-

montagewand befestigt. Die Ventile sind übersichtlich angeordnet. Die not-

wendigen Rohrleitungen werden hinter der Montagewand montiert (Abb. 8.81).

Abb. 8.81 Kleinaggregat mit Ventilen (HANSA-FLEX AG Aggregatebau Dresden)

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8.6.4 Einschraub- bzw. Einsteckverkettung

Bei allen vorgenannten Verkettungs- und Montageformen der Ventile werden die

gleichen Ventilfunktionen benötigt. Es liegt nahe, unabhängig von der Montage-

form, die Ventile einheitlich als Einschraubventile für verschiedene Gehäuse zu

verwirklichen. Diese Einschraubventile bestehen aus einer zylindrischen, meist

gestuften, mit Gewinde versehenen Büchse, die die Ventilfunktionselemente, wie

z. B. Kolben und Feder aufnimmt. Bei magnetbetätigten Wegeventilen kleiner

Nenngröße ist der Magnet an der Ventilbüchse befestigt. Die Ventile werden in

eine entsprechende Gehäuseaufnahmebohrung eingeschraubt. Dabei ist durch

Dichtungen die eindeutige Trennung der Anschlusskanäle gesichert. Einschraub-

ventile sind besonders kompakt aufgebaut. Sie lassen sich schnell und problemlos

auswechseln. Abb. 8.82 zeigt als Einschraubventile Druckbegrenzungsventile mit

verschiedenen Druckeinstellvarianten.

Abb. 8.82 Einschraubventil als Druckbegrenzungsventil (Voith)

Für Wegeventile, die als 2/2-Wegeventile aufgebaut sind (s. Abschn. 8.4.2), hat

sich die Einsteck- bzw. Einbauausführung herausgebildet. Dabei wird die Ven-

tilelemente tragende Büchse in eine entsprechende Bohrung eingesteckt und mit

einem Deckel positioniert. Der Deckel dient häufig zur Einleitung von Steuersi-

gnalen oder trägt dann selbst ein Vorsteuerventil. Die Einsteckventilverkettung hat

sich vor allem für Ventile für große Volumenströme, kurze Schaltzeiten und hohe

Packungsdichte in der Praxis bewährt.

9 Druckflüssigkeitsspeicher

Druckflüssigkeitsspeicher (auch Hydrospeicher, hydropneumatische Speicher,

Druckspeicher) haben die Aufgabe, ein Flüssigkeitsvolumen unter Druck, also hy-

drostatische Energie, aufzunehmen und bei Bedarf wieder abzugeben. Passende

Analogievergleiche sind Akkumulatoren und Kondensatoren (Kapazitäten, s.

Abschn. 4.5) in elektrischen Systemen oder Schwungräder als Speicher mechani-

scher Energie.

Eine herausragende Eigenschaft der Druckflüssigkeitspeicher ist die Möglich-

keit, Energie über lange Zeiträume nahezu verlustfrei zu speichern.

9.1 Anwendungen

Die zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten (s. Abb 9.1 bis 9.4) lassen sich in drei

Hauptaufgaben einordnen:

1. Deckung des Volumenstrombedarfs bei schwankenden Anforderungen, bei Ha-

variesituationen oder als Leckageausgleich,

2. Abbau von Druckspitzen und Dämpfung von Druck- und Volumenstrom-

schwankungen (Pulsationen),

3. Einsatz als hydropneumatisches Federelement.

In Verbindung mit dem ersten Anwendungsprinzip ergeben sich Möglichkeiten

für beträchtliche Leistungseinsparungen über eine Energierückgewinnung. In der

Mobiltechnik kann bei sekundärgeregelten Antrieben die kinetische Energie des

bewegten Fahrzeuges über die Bremsenergie in Druckflüssigkeitsspeichern ge-

speichert und bei Bedarf dem Antriebssystem wieder zur Verfügung gestellt

werden. Bei Autobussen („Hydrobus“) sind Kraftstoffeinsparungen von 25%

nachgewiesen.

Weitere hochinteressante Anwendungen gibt es bei der Erzeugung von Be-

wegungen mit sehr hohen Beschleunigungen und Endgeschwindigkeiten, wie sie

bei Beschleunigungsanlagen für die sog. Invers-Crash-Tests in der Kfz-Industrie

(Beschleunigungen bzw. Verzögerungen ! 60 g, Beschleunigungsgradient ! 10

g/ms), bei speziellen hochdynamischen Prüfmaschinen oder für die Schiffchen-

bewegung („Schuss“) in großformatigen Webmaschinen benötigt werden. Die

dafür in kürzester Zeit, oft bis in den Millisekunden-Bereich, notwendigen

riesigen Volumenströme in Größenordnungen von bis zu mehreren Millionen

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

DOI 10.1007/978-3-642-17243-4_9, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

294 9 Druckflüssigkeitsspeicher

Litern pro Minute können wirtschaftlich nur aus Hydrospeichern zur Verfügung

gestellt werden.

Bei der Funktion „Deckung des Volumenstrombedarfs bei schwankenden An-

forderungen“ wird von der Pumpe der durchschnittliche Grundbedarf sicher-

gestellt, während der Speicher die Spitzenlasten übernimmt. Diese Anwendung

dominiert bei kurzen Zykluszeiten und bei ölhydraulischen Anlagen. Extrem

kleine Pumpenparameter sind möglich, wenn der Speicher so dimensioniert wird,

dass er das gesamte für ein Arbeitsspiel erforderliche Volumen aufnehmen kann.

Diese Lösung ist für die Wasserhydraulik oder für Arbeitszyklen mit zwischen-

zeitlichen Stillstandsperioden charakteristisch. Generell muss die Pumpe mit

Sicherheit so dimensioniert werden, dass der Speicher vor dem Start eines neuen

Arbeitsspiels wieder den notwendigen Ladezustand aufweist. Deshalb sollte die

Pumpe besser eine Sicherheitsreserve aufweisen als im Grenzbereich

dimensioniert zu sein.

Abb. 9.1 Speicheranwendung: Deckung unterschiedlichen Volumenstrombedarfs (s. Abb.

9.2)

1 Arbeitstakt

Zeit

Erforderlicher Flüssigkeitsstrom

Pumpen-

förderstrom

Strom-

mehrbedarf

Überschüssiger

Flüssigkeitsstrom

III

Abb. 9.2 Q– t –Diagramm zu Beispiel Abb. 9.1

9.2 Wirkungsprinzip 295

Hydrospeicher können auch eingesetzt werden, um Drücke konstant aufrecht-

zuerhalten, ohne dass Bewegungen und damit Volumenströme notwendig sind,

zum Beispiel für Spannsysteme in der Seilbahntechnik. Dafür genügen relativ

kleine Speicher, die Hochdruckpumpen, welche gegen das Druckbegrenzungs-

ventil arbeiten müssen, ersetzen. Die mögliche Funktion als Dämpfungselement

für Schwingungen (Pulsationen) und Stöße (Federung) beruht auf der elastischen

Federwirkung des Gasvolumens.

Abb. 9.3 Speicheranwendungen. a Notbetätigung b Pulsationsdämpfung

Abb. 9.4 Speicheranwendung: unterschiedlicher Volumenstrombedarf einzelner Takte

9.2 Wirkungsprinzip

Das Wirkungsprinzip der Speicherung hydrostatischer Energie beruht auf dem

Verdichten vorgespannter Gasvolumina. Flüssigkeiten sind auf Grund der äußerst

geringen Kompressibilität als Speichermedium ungeeignet. Während die Druck-

erzeugung mittels Gewichts- oder Federbelastung keine praktische Bedeutung be-

sitzt, ist Gas (in der Praxis meist Stickstoff) sehr gut geeignet: hohe Kompressibi-

lität, hohe Druckbelastbarkeit, vernachlässigbar kleine Masse. Gas und Flüssigkeit

dürfen wegen der druckabhängigen Absorption keinen Kontakt bekommen

296 9 Druckflüssigkeitsspeicher

(s. Abschn. 3.3.3). Die Trennung erfolgt durch elastische Trennwände (Membran,

Gummiblase) oder durch mit Dichtungen versehenen Kolben. Diese konstruktiven

Unterschiede bilden auch das Einteilungskriterium für die Bauarten, s. Abschn.

9.3.

Besonders für großvolumige Speicher (Gesamtvolumen bis ! 5  10

) sind

bei relativ kleinen Drücken bis ca. 80 bar auch Ausführungen ohne Trennmedium

im Einsatz. Das Füllgas Stickstoff belastet das Hydrauliköl direkt. Das physika-

lisch bedingt in die Flüssigkeit diffundierte Gas wird im vorgespannten Tank wie-

der abgegeben, von dort mit einem Kompressor abgesaugt und über einen Zwi-

schenspeicher dem Hauptspeicher bedarfsgerecht wieder zugeführt >9.1@.

Ein Druckflüssigkeitsspeicher ist eine hydraulische Kapazität, die auch kurz-

zeitig als Druckquelle arbeiten kann (s. Abschn. 5.1.2). Der an das Hydraulik-

system abgebbare Flüssigkeitsstrom ist vom Widerstand der dem Speicher nach-

geschalteten Elemente abhängig (Grenzwerte: Q = 0, wenn R of, Q of, wenn

R = 0). Eine definierte Volumenstromabgabe ist nur in Verbindung mit Strom-

ventilen oder anderen Dosierelementen möglich. Die Zustandsänderungen des

Gases beim Laden und Entladen eines Druckflüssigkeitsspeichers können polytrop

bis adiabat verlaufen; Grundlage für Auslegungsberechnungen sind die Gesetze

der Thermodynamik (s. Abschn. 9.4).

Das Hauptproblem bei Speicheranwendungen ist die Festlegung und Einhal-

tung des richtigen, von der Funktion bestimmten, Gasfülldruckes. Ein zu hoher

Gasfülldruck oder eine Absenkung des minimalen Betriebsdruckes, ohne die

gleichzeitige Anpassung des Gasfülldruckes, kann zu Funktionsstörungen oder

auch zu Schäden an Kolben- und Blasenspeichern führen. Gleiches gilt für den

umgekehrten Fall (zu niedriger Gasfülldruck, Erhöhung des Betriebsdruckes ohne

Anpassung).

Die Spezifik hochkomprimierter Gase mit der Möglichkeit, in sehr kurzer Zeit

Energie freizusetzen, beinhaltet ein Gefahrenpotential, weshalb die Speicher

strengen Sicherheitsvorschriften und der Prüfpflicht laut Europäischer Druck-

geräterichtlinie >9.2@ und nationaler Betriebssicherheitsverordnung >9.3@ unter-

liegen (s. Abschn. 9.5).

9.3 Bauarten

Die in der Praxis dominierenden Bauarten von Druckflüssigkeitsspeichern zeigt

Abb. 9.5.

Dem Wirkungsprinzip nach gehören alle zu den Gasdruckspeichern. Außer bei

Wasserhydrauliksystemen wird überwiegend Stickstoff als Füllgas verwendet. Ne-

ben der funktionsbedingten Forderung nach einem inerten Gas sprechen auch die

Verfügbarkeit und der Preis für Stickstoff. Für spezielle Anwendungen werden je-

doch auch andere Gase (z. B. He, CO

) eingesetzt. Die Eigenschaften von Koh-

lendioxid würden eine quasi isobare Zustandsänderung und damit die Speicherung

hoher Energiebeträge in kleinen Volumina erlauben. Die zu Grunde liegenden Ge-

setzmäßigkeiten spielen sich allerdings in einem äußerst engen Temperatur-

9.3 Bauarten 297

Druck-Fenster ab, weshalb eine Temperierung der Speicher notwendig wird und

der steuerungstechnische Aufwand einem breiten Einsatz entgegensteht.

Eine interessante Lösung bei Speichern in der Funktion als Pulsationsdämpfer

stellt die Füllung der Gasseite mit Silikonpartikeln dar. Die Kompressibilität ent-

steht durch das Ausfüllen der Hohlräume in und zwischen den Partikeln unter

Druckbeaufschlagung.

a b c

Abb. 9.5 Bauarten von Druckflüssigkeitsspeichern. a Blasenspeicher b Membranspeicher

(Schweißausführung) c Kolbenspeicher (OLAER)

Unterschiedliche konstruktive Lösungen gibt es für die räumliche Trennung

von Flüssigkeit und Gas. Bei den Blasen-

und Membranspeichern kann durch die

Verwendung eines Elastomerelementes eine hermetische Abdichtung erreicht

werden, während die bewegten Dichtflächen der Kolbenspeicher prinzipbedingt

eine gewisse Undichtheit – sowohl für die Flüssigkeit als auch für das Gas – und

damit Leckverluste aufweisen. Eine tiefergehende Analyse zeigt, dass auch der

Begriff „hermetisch“ zu relativieren ist, weil das Gas infolge der Permeabilität der

Trennwand durch die Blasen oder Membranen diffundieren kann. Dieser Vorgang,

die sogenannte Permeation, ist vom Gas (Molekülgröße), von Druckdifferenz,

Temperatur, Einwirkungszeit sowie den Abmessungen (Fläche, Dicke) des Trenn-

elementes abhängig; als Anhalt für die Größenordnung seien 1 bis 10% Verlust an

Gasvolumen pro Jahr genannt. Die Besonderheiten der Bauarten stellen Ent-

scheidungskriterien für die anwendungsgerechte Speicherauswahl dar, s. a. Tabel-

le 9.1.

Zu den wesentlichen Speicherkenngrößen gehören

-dasmaximale Druckverhältnis p

, also das Verhältnis von maximalem

Lastdruck p

und Vorfülldruck (Gasdruck) p

sowie