Symbolbild Variantenauswahl, Bild: blobbotronic, Fotolia

Konstrukteure haben heute die Wahl zwischen verschiedenen Antriebsarchitekturen. Bild: blobbotronic, Fotolia

Drehzahlvariabler Antrieb ja oder nein? Und wenn ja, welches der Systeme? Diese Entscheidung hat großen Einfluss auf das Design einer Maschine. Welche Variante in einem konkreten Fall am besten passt, hängt stark von der Anwendung ab und den Zielen, die ein Konstrukteur erreichen will. Daher laufen hier mehrere Entwicklungstrends gleichzeitig ab. „Beim Thema Werkzeugmaschinen fragen die Anwender häufig nach der Kompaktheit der Antriebe und nach Integration der Antriebe in die Werkzeugmaschinen, um Platz zu sparen“, erklärt Axel Grigoleit, Anwendungsspezialist bei Hawe Hydraulik. „Man spricht nicht primär über Anschaffungskosten, sondern über das Schlagwort Total Cost of Ownership. Es werden also auch die Betriebskosten des Aggregates betrachtet und des Systems.“ Hier punkten kompakte Systeme, führt der Ingenieur aus. So spare die Maschinenintegration Kosten für Platz, der Abschaltbetrieb reduziere den Energiebedarf und auch ein kleinerer Ölbehälter mache sich ressourcenschonend bemerkbar.

Der Kostendruck sei überall in Europa angekommen, stimmt Michael Fabianek, CTO und technischer Leiter bei ATP Hydraulik zu. „Gleichzeitig sucht man aber nach technologisch innovativen Lösungen bei hoher Qualität. Die sollten verfügbar sein und schön ist es natürlich auch noch, wenn eine Anbindung an die übergeordnete Steuerung besteht.“

Axel Grigoleit, Anwendungsspezialist für Hydraulik in Werkzeugmaschinen und Hochdruckhydraulik bei Hawe Hydraulik. Bild: fluid/ssc
„Wir sehen bei Hawe ein bisschen die Gefahr, dass drehzahlgeregelte Antriebe als Allheilmittel gesehen werden. Das sind sie definitiv nicht“, sagt Axel Grigoleit, Anwendungsspezialist für Hydraulik in Werkzeugmaschinen und Hochdruckhydraulik bei Hawe Hydraulik. Bild: fluid/ssc

Letztlich gehe es um Produktivität, erklärt Achim Richartz von Rexroth. In der Stationärhydraulik konkurrieren verschiedene Konzepte für die Volumenstromerzeugung miteinander. Die verschiedenen Pumpentypen hätten nach wie vor ihre Berechtigung, stellt der Ingenieur fest. Denn je nach Anwendungen stünden andere Themen im Vordergrund, bei einer Presse eher hohe Drücke und Volumina, bei einer Kunststoffmaschine Dynamik und Geräuschemission. Dennoch gibt es auch übergreifende Strömungen. So sieht Richartz einen großen Wechsel im Trend von der Widerstandssteuerung über Ventile zu der Steuerung direkt aus der Pumpe heraus sowie der allgemeinen Drehzahlanhebung und variablem Drehzahlbetrieb.

Fabianek von ATP fügt hinzu: „Momentan ist der Marktanteil der klassischen Hydraulik immer noch sehr hoch, aber wir sehen, dass die drehzahlveränderlichen Antriebe stark im Wachsen sind im europäischen Markt.“ Im Anlagenbau jedoch, gerade bei den größeren Leistungen, sei in der Regel die klassische Hydraulik mit Konstantpumpe oder Regelpumpe das Mittel der Wahl. Er sieht außerdem Potenzial in der Digitalhydraulik: „Erste Konzepte sind bei verschiedenen Herstellern da. Das wird uns alle in den nächsten Jahren auch noch beschäftigen.“

Den Trend zu drehzahlgeregelten Antrieben bestätigt Axel Grigoleit von Hawe Hydraulik. Allerdings würde der Markt die bereits vorhandenen Lösungen noch gar nicht so sehr annehmen, berichtet er.

Vor- und Nachteile der verschiedenen Systeme

Michael Fabianek, ATP Hydraulik, Bild: fluid/ssc
"Drehzahlvariable Pumpen gehören zu den Schlüsseltechnologien der Gegenwart und Zukunft, sie schlagen eine Brücke zu anderen etablierten Antriebstechnologien und bieten die Möglichkeit Marktanteile zu gewinnen", stellt Michael Fabianek fest, CTO und technischer Leiter bei ATP Hydraulik. Bild: fluid/ssc

Die Experten raten dazu, das Thema differenziert zu betrachten. „Wir sehen bei Hawe ein bisschen die Gefahr, dass drehzahlgeregelte Antriebe als Allheilmittel gesehen werden. Das sind sie definitiv nicht“, warnt Grigoleit. „Bei einem System, das Nebenverbraucher in der Werkzeugmaschine ansteuert, sind wir in aller Regel mit den bewährten Systemen den drehzahlgeregelten Antrieben weit voraus. Auch was die Energieeffizienz angeht“, betont er. Wichtig sei, das Aggregat den Anforderungen gerecht auszulegen, nicht nur nach Druck und Volumenstrom, betont der Ingenieur.

Achim Richartz von Rexroth gibt zu bedenken, dass die Proportionalhydraulik auch einige prinzipbedingte Vorteile habe, wie die Einspannung des Systems, was die Steifigkeit erhöht und die dynamischen Eigenschaften verbessert. Die Kombination aus Konstantpumpe und drehzahlvariablem Motor, einer Innenzahnradpumpe beispielsweise, sei von den Investitionskosten her relativ günstig. Auch mit diesem System sei ein energiesparender Betrieb möglich, wenn der Zyklus gut bekannt ist.

Bei hochdynamischen Vorgängen gebe es grundsätzlich zwei Wege: Entweder einen sehr dynamischen Synchronmotor mit Konstantpumpe oder die Kombination von drehzahlvariablem Motor inklusive Umrichter und Verstellpumpe. Richartz schränkt ein, dass bei der Version mit Konstantpumpe und hohen Eckleistungsbedarfen im Zyklus Motor und Umrichter schnell sehr groß werden können. „Wenn ich stattdessen eine variable Pumpe verwende, senke ich tendenziell die Investitionskosten“, erklärt er.

Grigoleit sieht dies etwas anders: „Je genauer ich den Zyklus kenne, desto besser kann ich ihn meiner Erfahrung nach mit einer Konstantpumpe oder einem geeigneten Speichersystem auslegen. Und das Konstantpumpensystem, mit einer Pumpe, die abschaltet oder unter Umständen sogar durchläuft, und einem Speicher, den ich entsprechend des bekannten Zyklus‘ auflade, bringt die beste Effizienz.“ Um Volumen aus einem Speicher entnehmen zu können, müsse dieser zwar auf ein höheres als das Betriebsdruckniveau aufgeladen werden, schränkt er ein. Das bedeute Verluste, die aber in etwa den Verlusten entsprächen, die auch in dem Regler eines geregelten Antriebs auftreten. „Darüber hinaus habe ich den Riesenvorteil, dass ich mein System nicht nach maximalem Druck und Volumenstrom auslegen muss. Denn den hole ich aus dem Speicher“, fügt er an.

Die Stärken des drehzahlgeregelten Antriebs lägen hingegen dort, wo der Zyklus nicht ganz genau bekannt ist, sowie in der Möglichkeit, Kraft- oder Wegregelung zu realisieren.

Achim Richartz, Bosch Rexroth, Bild: fluid/ssc
"Um gleichermaßen produktiv wie kostengünstig zu sein, werden drehzahlvariable Pumpenantriebe in Verbindung mit intelligenter Steuerungstechnik mehr und mehr an Bedeutung gewinnen", so Achim Richartz, Leiter Produktmanagement industriehydraulische Steuerung bei Bosch Rexroth. Bild: fluid/ssc

Fabianek von ATP Hydraulik gibt zu bedenken, dass ein Konstrukteur beim Wechsel auf drehzahlvariable Antriebe die Anzahl der Verbraucher in Betracht ziehen muss. Und er sieht einen weiteren Nachteil: „Wenn wir eine große räumliche Ausdehnung der Anlage haben, sind wir mit unserem Stellglied weit weg. Und damit kriegen wir eine sehr tiefe Eigenfrequenz, sehr weiche Systeme. Irgendwann ist die Regelbarkeit nicht mehr gegeben“, erklärt er. Hingegen lässt sich ein Stetigventil direkt beim Verbraucher platzieren.

Zu den Vorteilen zählt für ihn das kleinere Behältervolumen, wodurch das Hydrauliksystem insgesamt kompakter wird. ATP Hydraulik habe bereits eine Speicherladeschaltung durch drehzahlveränderliche Antriebe ersetzt. Man könne auch eine große und eine kleine Innenzahnradpumpe hintereinander flanschen und somit die Axialkolbenpumpe ersetzen, erklärt er. „Der große Vorteil, den ich außerdem sehe, ist die Robustheit des Systems“, so Fabianek. Es werde nicht die hohe Ölreinheit oder Filtersystemgüte wie bei der klassische Stetigventil-Technik benötigt. Der relativ einfache Filter mache diese Systeme besser wartbar, robust und weniger anfällig.

Dazu kommt: „In der klassischen Hydraulik wandeln wir die überflüssige Energie in Wärme um. Bei der drehzahlveränderlichen Technik fördern wir nur so viel Öl, wie tatsächlich benötigt wird. Das heißt, der Kühlbedarf sinkt erheblich.“ Der geringere mechanische Verschleiß der Systeme verlängere die Lebensdauer des Öls und der Komponenten. „Die Ölwechselintervalle werden viel länger bei kleinerer Ölmenge, was wieder bei den Total Cost of Ownership einfließt“, schließt Fabianek.

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