Indra-Motion MLC Motion-Logic-Control für hydraulische Antriebe von Bosch Rexroth

Verlangt werden mehr Flexibilität, Geschwindigkeit, Dynamik, Präzision und Reproduzierbarkeit, aber auch Kompaktheit und Robustheit. Hier die Indra-Motion MLC Motion-Logic-Control für hydraulische Antriebe von Bosch Rexroth. Bild: Bosch Rexroth

Klassische hydraulische Systeme versorgen seit jeher von einem Zentralaggregat aus verschiedenste Antriebe und Maschinen. Diese, in der Regel stationären Strukturen, bieten sehr hohe Leistungen und Dynamiken. Gekühlt wird über große Aggregate, sodass durch eine gute Wärmeableitung auch optimale Betriebszustände erreicht werden. Mit dem Einzug von elektronischen Steuergeräten und zugehöriger Software wurden immer komplexere Regelungs- und Steuerungsaufgaben in die Antriebe integriert. „Durch intelligente Integration sind wir in der Lage, individuelle und dezentrale Hydrauliksysteme zu erschaffen. Damit überwinden wir Herausforderungen, mit denen Anwender klassischer Hydrauliksysteme häufig konfrontiert waren“, sagt Prof. Dr.-Ing. Jürgen Weber, Leiter des Instituts für Fluidtechnik an der Technischen Universität Dresden.

Diese Herausforderungen entstehen etwa aus den Nichtlinearitäten der hydraulischen Widerstände oder der Positionsabhängigkeit der Eigenfrequenz von Hydraulikzylindern. Hier bieten elektromechanische Antriebe auf den ersten Blick Vorteile, weil sie für den Anwender ein weitgehend vorkonfektioniertes Antriebssystem darstellen. Diese Vorteile weisen auch hydraulische Antriebe zunehmend auf. „Vorkonfektionierung und geschickte Gestaltung der Schnittstellen erlauben dem Anwender eine einfache Inbetriebnahme und Integration der hydraulischen Achse in die Maschine“, erklärt Weber.

Im Zuge der Individualisierung industrieller Antriebsaufgaben stellen sich immer höhere Anforderungen an Dynamik und Kompaktheit. Auch dieser Herausforderung stellen sich moderne fluidtechnische Systeme durch dezentrale, intelligente Antriebskonzepte. Elektrohydraulische Kompaktantriebe beispielsweise ermöglichen es, die klassischen Alleinstellungsmerkmale der Hydraulik mit anwenderfreundlichen Schnittstellen und Kompaktheit zu kombinieren. Hierbei handelt es sich um die Integration eines elektrischen Antriebes mit Verdrängereinheit, Zylinder und Speicher zu einer autarken Einheit.

Im Gegensatz zu klassischen Hydrauliksystemen erzeugen die dezentralen Antriebssysteme die Antriebsenergie dort, wo sie benötigt wird. „Mit einem solchen Antriebssystem können die Stärken der Hydraulik ausgespielt werden. Es bietet nicht nur große Reserven hinsichtlich Leistungserhöhung, sondern auch in Richtung Downsizing und Leichtbau. So können mit einer intelligenten Verstellung oder Verschaltung von Pumpen umschaltbare Übersetzungsverhältnisse realisiert werden, die dazu führen, dass elektrische Antriebsmotoren in einem deutlich kleineren Drehmomentregime agieren. Auf diese Weise kann man beispielsweise eine Eigenbewegung mit geringer Last schnell und hochdynamisch fahren oder einen kleinen Hubbereich mit hoher Kraft realisieren – mit einem deutlich kleineren Elektromotor. Umschaltbare Kompaktantriebe werden weiterhin im Fokus unserer Forschungsarbeiten liegen“, so Weber.

Hydraulik bleibt auch künftig attraktiv

Hydraulische Antriebe werden sich in den nächsten Jahren zwar weiterhin dem Wettbewerb zu elektrischen Antrieben stellen müssen, jedoch sollte die Entscheidung für die eine oder andere Technologie immer zu einer für den Anwender optimalen Lösung führen. „Ausschlaggebend sind vor allem gewisse Leistungsmerkmale“, erklärt Dr.-Ing. Steffen Haack, Mitglied des Vorstands mit Zuständigkeit für die Business Unit Industrial Applications und Koordination Vertrieb von Bosch Rexroth, und erläutert seine Sicht: „Gilt es eine Linearbewegung auszuführen und mittlere bis höchste Kräfte aufzubringen, so gibt es nichts Einfacheres, Robusteres, Kompakteres, als einen hydraulischen Zylinderantrieb. Es ist grob zu unterscheiden: Kleinere Drehmomente sollten vorwiegend elektrisch, größere eher hydraulisch erzeugt werden.“

Eine große Leistungsdichte bei gleichzeitig hohen dynamischen Anforderungen wird bei vielen Applikationen weiterhin das entscheidende Argument zugunsten der klassischen Hydraulik bleiben. Typische Beispiele sind große Pressen, Kunststoff- oder Druckgussmaschinen. Hydraulische Kompaktachsen hingegen machen die Vorteile der Fluidtechik auch für Antriebe kleiner und mittlerer Leistung zugänglich, die insbesondere Zyklen mit einer geringeren Hubzahl bedienen. Am Forschungsinstitut von Prof. Weber wurde vor acht Jahren ein Projekt zum Thema elektrohydraulische Kompaktachsen gestartet.

Ziel war es, eine dezentrale, hydraulische Antriebslösung für kleine Leistungen zu erforschen und industrietauglicher zu machen. „Denn gerade im Bereich von fünf bis zehn Kilowatt Antriebsleistung sind zentrale Hydraulikaggregate eigentlich nicht wettbewerbsfähig. Allerdings könnten hier die Kompaktachsen eine Nische besetzen“, sagt Prof. Weber. Derzeit sieht er beim Thema Kühlen von dezentralen hydraulischen Antrieben weiteren Forschungsbedarf: „In modernen, hochintegrierten Maschinen und Anlagen ist die Möglichkeit einer Kühlung allein schon durch den Bauraum sehr begrenzt. Deshalb sollte man bei Kompaktantrieben auf eine aktive Kühlung möglichst gänzlich verzichten und Antriebe so gestalten, dass eine passive Kühlung für den Dauerbetrieb ausreicht. Die Möglichkeiten und Grenzen erforschen wir derzeit intensiv.“

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Weber, Leiter des Instituts für Fluidtechnik an der Technischen Universität Dresden
„Durch intelligente Integration sind wir in der Lage, individuelle und dezentrale Hydrauliksysteme zu erschaffen. Damit überwinden wir Herausforderungen, mit denen Anwender klassischer Hydrauliksysteme häufig konfrontiert waren.“ - Prof. Dr.-Ing. Jürgen Weber, Leiter des Instituts für Fluidtechnik an der Technischen Universität Dresden. Bild: 2016, André Wirsig

Anwender argumentieren oftmals, dass die erforderliche Kühlleistung mit der Leistungsfähigkeit der Maschine steige. Bei hydraulischen Antrieben trifft diese Aussage nur für bestimmte Methoden der Steuerung und Energieverteilung zu. Und hier kann sie ein ganz wesentlicher Faktor für die Erzeugung der entstehenden Verlustleistung sein. Sie unterscheiden sich in Drossel- und Verdrängersteuerung. Dr. Haack erläutert: „Die Verdrängersteuerung bietet erhebliche Vorteile, weil Drosselverluste nicht oder nur durch weitere Elemente wie zum Beispiel Kanalführung im Steuerblock entstehen. So können beispielsweise intelligent ausgelegte autarke Achsen das bisher notwendige Ölvolumen um ein Vielfaches reduzieren. Wir reden hier von Faktor Zehn und mehr. Wer also Energieverluste reduzieren oder weniger in Kühlleistung investieren möchte, sollte über eine Verdrängersteuerung nachdenken. Servohydraulische Achsen oder elektrohydraulische Pumpenregelungen von Bosch Rexroth wären zum Beispiel gute Lösungsansätze.“