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Hydraulik

Hydraulik in der Automobilproduktion

| Autor/ Redakteur: Wolfgang Altmann* / Dorothee Quitter

In zahlreichen Produktionsschritten eines Automobils spielt die Hydraulik ihre klassischen Stärken wie hohe Kraftdichte, geringen Wartungsaufwand und Robustheit aus. In modernen Automationskonzepten erreicht sie über feldbusfähige Motion Controls neue Dimensionen der Dynamik und Präzision. Anschlussfertige Achsen vereinfachen die Konstruktion, Montage und Inbetriebnahme für Maschinen- und Anlagenhersteller.

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Voll im Trend: Drehzahlvariable Pumpenantriebe sparen Energie und Flüsteraggregate reduzieren die Geräuschemission. Bilder: Bosch Rexroth
Voll im Trend: Drehzahlvariable Pumpenantriebe sparen Energie und Flüsteraggregate reduzieren die Geräuschemission. Bilder: Bosch Rexroth
( Archiv: Vogel Business Media )

Die hydraulische Antriebstechnik hat gerade in den vergangenen zehn Jahren ihre technischen Möglichkeiten erheblich erweitert und gleichzeitig die Handhabung für Maschinen- und Anlagenhersteller wesentlich vereinfacht. Im Zusammenspiel mit dezentral intelligenten Motion Controls und hochauflösender Sensorik erreicht sie neue Dimensionen in der Dynamik und eine Präzision, die nur die Auflösung des eingesetzten Messsystems begrenzt.

Das breite Spektrum der in vielen Serienanwendungen bewährten Motion Controls für die Elektrohydraulik bildet fein skaliert das gesamte Aufgabenspektrum hydraulischer Anwendungen in der Fabrikautomation ab. Für Werkzeugmaschinen eignen sich dabei häufig Schaltschrankelektroniken, die modular aufgebaut 1- 4 Achsen im Verbund regeln. Integrierte 1-Achsregler, besonders geeignet für große Anlagen, sparen über die direkt am Aktor angebrachte Elektronik wertvollen Platz im Schaltschrank und reduzieren den Verkabelungsaufwand. Für komplexe Anwendungen, beispielsweise Pressen, regeln High-end Motion Controls eine nahezu unbegrenzte Zahl von hydraulischen Achsen und realisieren hochproduktive Produktionslösungen wie die Ziehkissentechnologie.

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Regelelektronik ist auf die Hydraulik zugeschnitten

Bei den meisten aktuellen Motion Controls für die Elektrohydraulik arbeiten die integrierten NC-Programme ihre Aufgaben unabhängig von der Zykluszeit der übergeordneten Steuerung ab. Die Regelektronik ist dabei auf das spezifische physikalische Verhalten der Hydraulik durch leistungsfähige hydraulische Reglerstrukturen und speziell auf die Hydraulik zugeschnittene NC-Befehle optimiert. Die Feldbusanbindung bildet den wesentlichen Unterschied von elektrohydraulischen Lösungen zu konventionellen hydraulischen Systemen. Über standardisierte Schnittstellen hat der Anwender Zugang zu allen Parametern, kann sie per Mausklick abrufen und ändern. Damit verkürzt die Elektrohydraulik die Maschinenstillstandszeiten beim Umrüsten und vereinfacht die Diagnose. Die modernen modular aufgebauten Steuerungen kommunizieren über Profibus DP oder Ethernet sowie Fast Ethernet TCP/IP mit übergeordneten Steuerungen und über CANBus mit der Feldebene. Durch die Entkoppelung der Antriebsphysik von der Automatisierungsebene verhalten sich diese elektrohydraulischen Achsen wie elektromechanische Antriebe.

Inbetriebnahme ohne vertiefte Hydraulikkenntnisse

Systemlieferanten konfigurieren elektrohydraulische Achsen nach den Vorgaben des Maschinenherstellers zu kompletten mechatronischen Baugruppen, testen im Vorfeld mit speziellen Simulationsprogrammen die Funktion und Antriebsauslegung und liefern die Achsen anschlussfertig mit parametrisierten Motions Controls an die Montagelinie. Zur Inbetriebnahme und Bedienung braucht der Anwender keine vertieften Hydraulikkenntnisse. Diese Entkoppelung von Antriebsphysik und Funktionalität verkürzt die Time-to-Market für den Maschinenhersteller und erhöht die Reproduzierbarkeit bei Serienanwendungen.

Auch in der konventionellen Hydraulik vereinfachen modular aufgebaute Steuerblöcke und komplette Funktionsmodule die Integration in Maschinen. Moderne Auslegungsprogramme und eine intensive Beratung durch Systemhersteller führen hier ebenfalls ohne vertieftes hydraulisches Detailwissen zu optimierten Lösungen.

Verstellpumpen und drehzahlvariable Konstantpumpen erhöhen die Energieeffizienz

Der Energieverbrauch von Maschinen und Anlagen gewinnt bei den Endanwendern in der Industrie aktuell eine entscheidende Bedeutung bei der Betrachtung der Total Cost of Ownership. Auch hier hat die Hydraulik durch die Verbindung mit modernen Regelkonzepten erhebliche Fortschritte erzielt und kann entscheidend zu einer höheren Energieeffizienz der Gesamtmaschine beitragen. Neben Verstellpumpen, die bedarfsgerecht den aktuell benötigten Förderstrom erzeugen, sorgen neue, drehzahlvariable Pumpenantriebe für eine Reduzierung der Energiekosten und der Geräuschemission. In Zykluspausen und im Teillastbetrieb reduziert ein Frequenzumrichter die Drehzahl des Elektromotors und somit auch der Konstantpumpe. Sobald das Hydrauliksystem wieder mehr Leistung benötigt, verstellt der Umrichter bedarfsgerecht die Drehzahl.

Innovative Aggregate sparen bis zu 45 Prozent Energie

Dabei kann der Anwender unter verschiedenen Bauarten wählen: Das erste Prinzip setzt auf einen Standard-Asynchronmotor, der in Verbindung mit einem Umrichter die Antriebsfunktion übernimmt. Die zweite Antriebsvariante besteht aus einem hochdynamischen Servomotor mit intelligentem Umrichter. Hydraulikspezifische Reglerstrategien entlasten die Steuerung und vereinfachen die Einbindung in das jeweilige Maschinenkonzept.

Eine dritte Variante, verknüpft Verstellpumpen, Asynchronmotoren und im System integrierten Digitalregelungen zu innovativen elektrohydraulischen Hybridsystemen. Erste Untersuchungen an Spritzgießmaschinen zeigen dabei ein Energieeinsparpotenzial von bis zu 45 Prozent gegenüber aktuellen Systemlösungen. Bei allen drehzahlvariablen Pumpenantrieben gilt, dass die Energieeinsparung mit der Zyklusdauer steigt, weil sie die Verbesserung des Wirkungsgrads im Teillastbereich erreichen.

Gleichzeitig senkt die Hydraulik über ihre spezifischen Besonderheiten den Energieverbrauch bei allen Halte-, Spann- und Klemmfunktionen: Ein einmal geschlossenes Ventil hält die Kräfte ohne weitere Energiezufuhr. Über Druckspeicher kann der Anwender die notwendige Pumpenleistung darüber hinaus reduzieren und verfügt gleichzeitig über eine Sicherheitsreserve für Spannungsausfälle.

Geräuschoptimierung mit System

Die europäischen und amerikanischen Automobilhersteller haben in ihren Spezifikationen Grenzwerte für Geräuschemissionen festgeschrieben, die unterhalb der gesetzlich festgelegten Grenzwerte liegen. Für die moderne Hydraulik kein Problem, denn Flüsterpumpen und Flüsteraggregate setzen neue Maßstäbe bei der Geräuschdämmung. Neue Axialkolbenpumpen arbeiten wesentlich leiser als früher und erzeugen weniger Pulsation in den Leitungen. Damit schaffen sie eine wichtige Voraussetzung, um die Geräuschemission weiter zu verringern.

Auch bei Hydraulikaggregaten stehen verschiedene Optionen für geringere Geräuschemissionen zur Verfügung. Während die einfachen Varianten der nachträglichen Dämmung die Bedienung häufig erschweren und das Potenzial nur teilweise ausschöpfen, senken speziell auf Geräuschdämmung konstruierte Flüsteraggregate die Geräuschemission um bis zu 20 dB(A). Sie basieren auf Serienkomponenten und gewährleisten den einfachen Zugang zu allen Komponenten. Der Bediener kann jederzeit alle Anzeigeinstrumente ablesen und in die Steuerung des Aggregats im Betriebszustand eingreifen. Das erhöht die Verfügbarkeit der Gesamtanlage.

Gerade bei geräuschsensiblen Anwendungen sollten Konstrukteure das Know-how von Hydraulikherstellern mit Systemerfahrung nutzen, um schon in der Planungsphase die Verrohrung und Auslegung des Fluidsystems zu optimieren.

*Wolfgang Altmann, Geschäftsleiter Vertrieb Industriehydraulik

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