Table Of ContentRheinisch-Westfalische Akaclemie cler Wissenschaften
Natur-, Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften Vortdige . N 299
Herausgegeben von der
Rheinisch-Westfalischen Akademie der Wissenschaften
,
WOLFGANG BACKE
Die Rolle der Fluidtechnik bei der
Entwicklung neuartiger Maschinenkonzepte
ROLF STAUFENBIEL
Entwicklung des zivilen Luftverkehrs
unter den Aspekten der Umweltbelastung und
dem Z wang von Energieersparnis
Westdeutscher Verlag
277. Sitzung am S. Marz 1980 in Diisseldorf
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Back', Wolfgang
Die Rolle der F1uidtechnik bei der Entwicklung neuartiger Maschinen
konzepte , WoUgang Backe. Entwicklung des zivilen Luftverkehrs unter
den Aspekten der U mweltbelastung und dem Zwang von Energieer
spami., Rolf Staufenbiel. - Opladen: Westdeutscher Verlag, 1981.
(Vortrage , Rheinisch-Westliilische Akademie der Wissenschaften:
Natur-, Ingenieur-und Wirtschaftswissenschaften; N 299)
ISBN-13: 978-3-53\-08299-8 e-ISBN-13: 978-3-322-85323-3
DOl: 10.\ 007/978-3-322-85323-3
NE: Staufenbiel, Rolf: Entwicklung des zivilen Lultverkehrs unter den
Aspekten der Umweltbelastung und dem Zwang von Energieerspar
nis; Rheinisch-Westliilische Akademie der Wissenschalten <DUsseldorf,:
Vortrage I Natur-, Ingenieur-und Wirtschaltswissenschalten
© 1981 by Westdeutsmer Verlag GmbH Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutsmer Verlag GmbH
ISSN 0066-5754
ISBN-13: 978-3-531-08299-8
Inhalt
Wolfgang Backe, Aachen
Die Rolle der Fluidtechnik bei der Entwicklung
neuartiger Maschinenkonzepte
1. Einleitung........................................... 7
2. Grundlagen.......................................... 8
2.1 Steuerung hydraulischer Energie ......................... 8
2.2 Bauelemente ......................................... 9
2.3 Vorteile der Fluidtechnik ............................... 11
3. Beispiele neuartiger Maschinenkonzepte ................... 13
3.1 Schwermaschinenbau .................................. 14
3.2 Priifmaschinenbau .................................... 17
3.3 Anwendungen im Mobilbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.4 Bauwesen ........................................... 20
3.5 Biomedizinische Technik ............................... 22
4. SchluBbetrachtung .................................... 23
Abbildungen ............................................ 25
Diskussionsbei trage
Professor Dr. phil. Maximilian Steiner; Professor Dr.-Ing. Wolf
gang Backe; Professor Dr.-Ing. Karl Friedrich Knoche; Professor
Dr.-Ing. Alfred Heyser; Professor Dr.-Ing. Wolfgang Maftberg;
Professor Dr. sc. techno Alfred Fettweis; Professor Dr. rer. nat. Wer
ner Schreyer; Professor Dr.-Ing. Helmut Domke; Professor Dr. med.
Franz Grosse-Brockhoff; Professor Dr. phil., Dr. med. h. c. Alexan-
der Naumann; Professor Dr. rer. nat. Rudolf Schulten. . . . . . . . . . . 41
Rolf Staufenbiel, Aachen
Entwicklung des zivilen Luftverkehrs unter den Aspekten der
Umweltbelastung und dem Zwang von Energieersparnis
1. Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2. Entwicklung und Risiken des Luftverkehrs . . . . . . . . . . . . . . . 49
6 Inhalt
3. FlugHirm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.1 BeHistigung durch Fluglarm .........................•. 50
3.2 LarmmaBe. .... .. . .... ..... . . ..... ... .............. 51
3.3 Larmquellen und MaBnahmen zur Larmreduzierung ....... 52
3.4 Ergebnisse einiger Arbeiten des Instituts fur Luft-und Raum-
fahrt .............................................. 54
4. Schadstoffemissionen . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.1 Einleitung ......................................... 56
4.2 Rauchentwic:klung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3 Emissionen in der Stratosphare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . 57
4.4 Gasformige Emissionen bei Start und Landung . . . . . . . . . . .. 58
5. Energieverbrauch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.1 Kosten und Verfiigbarkeit ............................ 59
5.2 Wichtige Definitionen und Begriffe ..................... 60
5.3 Zusammenhange zwischen aT und Flugzeugcharakteristiken. . . 61
5.4 Erhohung der Gleitzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.4.1 Induzierter Wide.rstand . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.4.2 Reibungswiderstand ................................. 64
5.5 Steigerung des Nutzlastfaktors ........................ 65
5.5.1 Bauweisen und Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.5.2 Neuartige Konfigurationen . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 66
5.5.3 "Active Control"-Technologie ......................... 68
5.6 Erhohung der Triebwerks-Wirkungsgrade . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.6.1 Einleitung ......................................... 69
5.6.2 Verbesserung von Komponenten derzeitiger Triebwerke . . . . 70
5.6.3 Das "ES"-Projekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.6.4 Fortschrittliche Propellerturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6. SchluB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Literatur ............................................... 75
Abbildungen ............................................ 77
Diskussionsbeitrage
Professor Dr. rer. nat. Rudolf Schulten; Professor Dr.-Ing. Rolf
Staufenbiel; Professor Dr.-Ing. Alfred Heyser; Professor Dr.-Ing.
Bernhard Goethert; Professor Dr.-Ing. Wilhelm Dettmering; Pro
fessor Dr. agr. Hermann Kick; Professor Dr.-Ing. Helmut Domke;
Professor Dr. sc. techno Alfred Fettweis; Professor Dr. rer. nat. Gun
ther Otto Schenck; Professor Dr. phil., Dr. med. h. C. Alexander
Naumann. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 101
Die Rolle der Fluidtechnik bei der Entwiddung
neuartiger Maschinenkonzepte
von Wolfgang Backe, Aachen
1. Einleitung
Die Hydraulik und Pneumatik - zusammenfassend als Fluidtechnik be
zeichnet - haben sich erst in den Jahrzehnten nach dem zweiten Weltkrieg
zu einer gesonderten Sparte des Maschinenbaus entwickelt. In Anwendungen,
wo ihre speziellen Vorziige - namlich hohe Kraftdichte und gute Steuer- und
Regelbarkeit - voll genutzt werden konnten, hat sie bald aIle anderen Mittel
der Steuerungs-und Antriebstechnik stark zuriickgedrangt.
Ein anschauliches Beispiel ist der Hydraulikbagger. 1m Jahre 1954 wurde
der erste Prototyp vorgestellt. 1968 waren schon 80% aller ausgefiihrten
Gerate Hydraulikbagger. Damit war die konventionelle Bauart, namlich der
Seilbagger, weit ins Hintertreffen geraten. Heute findet man ihn nur noch
vereinzelt fiir spezielle Anwendungen. Ahnliche Beispiele kannte man aus
anderen Bereichen, z. B. der Umformmaschinen oder Priifmaschinen, an
fiihren.
Die Fluidtechnik hat in den Nachkriegsjahren iiber eine langere Periode
hahere Zuwachsraten verzeichnet als konventionelle Maschinenbau-Sparten.
Bild 1 zeigt die Umsatzentwicklung von 1961 bis 1978. Zum Vergleich ist der
Umsatzverlauf des Werkzeugmaschinenbaus - der graBten Sparte des Maschi
nenbaus - mit aufgezeichnet. Die angegebenen Bezugswerte weisen die Fluid
technik mit ca. 2,3 Milliarden Umsatz in 1978 als eine mittlere Branche des
Maschinenbaus aus.
In meinen heutigen Ausfuhrungen machte ich mich auf neue Maschinen
konzepte beschranken, die Mittel der Elektronik im Signalkreis und die
Fluidtechnik im Energiekreis aufweisen.
Die Elektronik hat in den letzten Jahren hinsichtlich Miniaturisierung und
Senkung von Fertigungskosten rasante Fortschritte gemacht. Aufgrund dieser
Entwicklung ist sie dabei, sich viele neue Anwendungen im Signalkreis von
Maschinen und Anlagen zu erobern. Gerade hierin ist die Chance der Fluid
technik zu sehen, die den Obergang yom niedrigen Leistungsniveau des Signal
zweiges zu den hohen Leistungen im Energieteil in eleganter Weise ermag
licht. 1m folgenden solI aufgezeigt werden, welche Merkmale vor allem die
Hydraulik fur diese Aufgabe pradestiniert.
8 Wolfgang Ba<:k~
2. Grundlagen
Ein hydraulisches System - wie in Bild 2 gezeigt - besteht normalerweise
aus einem generatorischen Teil, der Pumpe, durch die mechanische Energie
in hydraulische umgeformt wird. Durch die Verdrangerpumpe werden die
mechanischen BetriebsgraBen, Drehzahl und Drehmoment, in die hydrau
lischen GraBen, Volumenstrom und Dru<k, umgeformt.
Ais Verdrangerpumpen werden heute Gerate nach den verschiedensten
Prinzipien eingesetzt. Die wichtigsten sind: Die Zahnradpumpe, die Fltigel
zellenpumpe, die Kolbenpumpe in radialer und axialer Bauart. Die erzeugte
hydraulische Leistung wird durch Leitungen im konduktiven Teil tiber mitt
lere Entfernungen (ca. 10° bis 102 m) tibertragen. In bezug auf Ubertragbar
keit der Leistung ordnet sich die Hydraulik zwischen de.r Mechanik und der
Elektrik ein.
Mit der Mechanik ist eine Ubertragung von Energie tiber graBere Entfer
nungen schwierig und an bestimmte geometrische Anordnungen gebunden,
wenn man z. B. an die Transmissionswelle oder den Treibriemen denkt. Ohne
Probleme laBt sich hingegen elektrische Energie tiber graBere Entfernungen
tibertragen.
Durch die Steuerelemente wird die Richtung des hydraulischen Energie
stromes bestimmt, d. h. in welcher Richtung der angeschlossene Motor dreht
bzw. Kolben ausfahrt. Durch weitere Steuer- und Regelelemente werden
Volumenstrom und Dru<k in der Weise beeinfluBt, wie sie fUr den ProzeB
erforderlich sind.
In dem motorischen Teil wird die hydraulische wieder in mechanische Ener
gie einer translatorischen oder rotatorischen Bewegung umgeformt. Die hier
verwendeten rotatorischen Verdrangereinheiten sind im Prinzip die gleichen
wie bei den Pumpen.
2.1 Steuerung hydraulischer Energie
Zum Dosieren hydraulischer Energie gibt es nun zwei grundsatzlich unter
schiedliche Methoden. Man karin die hydraulischen GraBen Druck und Volu
menstrom durch hydraulische Widerstande in den Steuerelementen bzw. Ven
tilen beeinflussen - also im konduktiven Teil-, oder aber die Dosierung der
hydraulischen Energie erfolgt durch Veranderung des Verdrangervolumens
in den Pumpen oder Motoren, also im generatorischen oder motorischen Teil
des Systems.
Bild 3 zeigt schematisch die beiden Steuerungsarten. Die erste Dosierungs
art beruht auf dem Prinzip der bewuBt herbeigefUhrten Drosselverluste, so
Fluidtedmik und neuartige Mascllinenkonzepte 9
daB der Wirkungsgrad solcher Systeme von Hause aus niedrig ist. Der Vorteil
der Widerstandssteuerung liegt vor allem darin, daB in den Ventilen relativ
kleine Massen (im Bereich 10-1 kg) uber relativ kurze Wege (ea. 10-2 bis
10-1 em) bewegt werden mussen. Das kann mit sehr gutem Zeitverhalten,
d. h. sehr schnell geschehen. Auch sind die Steuerelemente so klein, daB sie
direkt an den Motor oder Zylinder herangebracht oder direkt dar an ange
flanscht werden konnen, so daB das zwischen Ventil und Motor unter Druck
stehende Flussigkeitsvolumen gering ist. Das fuhrt zu sehr steifen Antrieben,
die gutes dynamisches Verhalten aufweisen.
Die zweite Dosierungsart im generatorischen oder motorischen Teil eines
Hydrauliksystems setzt Verdrangereinheiten mit verstellbarem Verdranger
volumen pro Umdrehung voraus. Hierbei treten auBer den in jedem Fall ge
gebenen Verlusten, die durch den Wirkungsgrad der Verdrangereinheit be
schrieben werden, und die Leistung fur den Verstellantrieb keine durch den
Dosiervorgang bedingten Verluste auf. Die Energienutzung ist somit ent
sprechend besser. Allerdings handelt man sich Nachteile hinsichtlich des dyna
mischen Verhaltens ein. In den Verdrangereinheiten mussen namlich groBere
Massen - z. B. Schwenktrommeln oder Schwenkscheiben (ea. 101 bis 102 kg)
uber langere Wege (100 bis 101 em) bewegt werden. Entsprechend langsamer
wird der Vorgang zur Energiedosierung. 1m gleichen Sinne wirkt sich ein
groBeres unter Druck stehendes Flussigkeitsvolumen zwischen einer Verstell
pumpe und dem Motor oder Zylinder aus.
Wegen der besseren Energieausnutzung wird diese Art der Energiesteue
rung vor all em bei groBeren zu ubertragenden Leistungen eingesetzt, also
etwa ab Leistungen groBer als 25 kW. Bei niedrigen zu steuernden Leistun
gen und vor all em, wenn hohe Stellgeschwindigkeiten und -genauigkeiten
verlangt werden, findet die Ventilsteuerung Anwendung.
2.2 Bauelemente
Fur beide Arten der Energiesteuerung ist unter Voraussetzung eines elek
trischen Signalkreises die Nahtstelle zwischen Elektrik und Hydraulik von
groBer Bedeutung. Leider lassen sich elektrische Signale nicht direkt in
hydraulische umformen, sondern es muB der Umweg uber die Mechanik ge
macht werden. Mit den geringen Leistungen des Signalkreises erzeugt man
zunachst Wege oder Krafte, mit denen hydraulische Widerstande verstellt
werden. Elektrisch ansteuerbare hydraulische Widerstande ohne bewegte
Teile - ein Gegenstuck zum Transistor in der Elektronik - stehen fur die tech
nische Nutzung leider noch nicht zur Verfugung. Hier sind Forschungsarbei
ten im Gange, deren Erfolgsaussichten bisher nicht sehr hoch sind.
10 Wolfgang Badt~
In Bild 4 sind die wichtigsten Bauformen von elektromechanischen Um
formem, wie sie in stetigen Ventilen Verwendung finden, von links nach
rechts in der Reihenfolge ihrer Entwicklung aufgetragen. EingangsgroBe ist
jeweils ein elektrisches Signal geringer Leistung (P = 10-2-;'-102 W), Ausgangs
groBe eine Langs-oder Drehhewegung hzw. eine Kraft oder ein Drehmoment.
In welcher Weise ein Torque-Motor als elektromechanischer Umformer in
ein stetiges elektrohydraulisches Ventil - ein zweistufiges Servoventil - inte
griert wird, zeigt Bild 5:
Das elektrische Signal erzeugt ein Moment, das die als Rohr ausgehildete
Prallplatte auslenkt. Durch unterschiedliche Offnung der Diisen wird eine
hyraulische Briickenschaltung aus den heiden Konstantdrosseln und den hei
den Steuerdiisen verstimmt. Es hildet sich eine Druckdifferenz auf den Stim
flachen des Steuerschiehers. Dadurch wird dieser soweit verschohen, his er
iiher die Riickfiihrfeder ein Moment auf den Torquemotor ausiiht, das gleidl
dem elektrisch erzeugten Moment des Eingangssignals ist und diesem ent
gegenwirkt. Daher ist die Auslenkung des Steuerkolhens proportional dem
elektrischen Eingangssignal. Der elektromechanische Umformer wirkt also
nicht direkt auf das Hauptventil, sondem iiher eine hydraulische Vorsteuer
stu fe, die das elektrische Signal weiter verstarkt. Auf diese Weise ist die
hydraulische Hauptstufe in der Lage, mit gutem Zeitverhalten dem elektri
schen Eingangssignal zu folgen. Das Ventil stellt einen gerateintemen Lage
rege1kreis mit Momentenahgleich dar.
An der Hauptstufe hefinden sich nun fiir jeden Verdrangerraum eine Ein
stromsteuerkante und eine Ausstromsteuerkante, mit denen Druck und Volu
menstrom heeinfluBt werden.
Die Weiterentwicklung der magnetischen Materialien macht es heute
auch moglich, stetige hydraulische Ventile fiir kleinere Volumenstrome (his
201lmin) direkt durch den e1ektromechanischen Umformer - also ohne
hydraulische Vorstufe - anzusteuern.
Wird nun ein solches Servoventil direkt auf einen Zylinder oder Motor
hefestigt - wie Bild 6 zeigt -, so ergiht sich, wie hereits erwahnt, ein dyna
misch hochwertiges System.
Zur Beurteilung des dynamischen Verhaltens eines Systems fiihrt man eine
Frequenzgangmessung durch. Dahei wird das Eingangssignal sinusfOrmig
hei konstanter Amplitude ve.randert und gemessen, wie sich fiir unterschied
liche Frequenzen des Eingangssignals die Amplitude der AusgangsgroBe Xa
sowie die Phasenverschiehung qJ zwischen Eingangs-und AusgangsgroBe ver
andem. 1m Bodediagramm werden - wie in Bild 7 dargestellt - das Ampli
x.
(jw)
tudenverhaltnis
X. (jw)
