Kompakte Designs wie beim Mobilbagger Liebherr A-911-Compact haben unmittelbare Auswirkungen auf die Maschinenelemente und verwendete Werkstoffe.(Bild: Liebherr)
Leichtbau hat sich in der Mobilhydraulik als Schlüsselstrategie etabliert. Mit Blick auf neue Abgasnormen und den Wunsch nach mehr Effizienz rücken kompakte, gewichtsoptimierte Lösungen in den Fokus – nicht nur aus ökologischen Gründen.
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Neue EU-Abgasnormen haben auch Einfluss auf die Mobilhydraulik. Ein Bericht über Leichtbau und kompaktes Maschinendesign.
Der Leichtbau ist im Bereich der Mobilhydraulik schon lange ein Thema. Und es wird vor dem Hintergrund verschärfter Abgasnormen für Lkw (Euro VI) und Baufahrzeuge (Stage V) bedeutsamer denn je, Fahrzeuge und Maschinen leichter zu bauen. Schließlich steigen mit zunehmendem Fahrzeuggewicht proportional der Kraftstoffverbrauch und der Ausstoß schädlicher Emissionen. Darüber hinaus sind auch von der Kundenseite her Maschinen gefragt, die dank ihres schlanken Designs selbst in nicht selten beengten Bausituationen problemlos eingesetzt und ohne viel Aufwand zur nächsten Baustelle bewegt werden können.
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Leichtbau – eine Begriffsdefinition
Aber was ist Leichtbau überhaupt? Der Fachautor Johannes Wiedemann (‚Leichtbau – Elemente und Konstruktion‘) hat Leichtbau als Absichtserklärung definiert, „aus funktionalen oder ökonomischen Gründen das Gewicht zu reduzieren oder zu minimieren, ohne dabei die Tragfähigkeit, die Steifigkeit oder andere elementare Funktionen der Konstruktion zu schmälern“.
Leichtbau – zwischen Stiefkind und Hoffnungsträger
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Wie eine Umfrage des Fraunhofer Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) unter Inhabern und Führungskräften mittelständischer Unternehmen ergab, gibt es beim Thema ‚Leichtbau‘ ein Für und Wider. So sehen 75 Prozent der befragten Unternehmen einen potenziellen Markt für Leichtbaumaschinen.
Jedoch hat der Leichtbau nach wie vor mit Vorurteilen zu kämpfen. Dazu zählen unter anderem der Nimbus des Minderwertigen, angeblich geringere Leistungsfähigkeit und mechanische Belastbarkeit im Vergleich zu metallischen Grundstoffen. Größtenteils zu Unrecht, wie das Beispiel Liebherr zeigt. Der Baumaschinenhersteller setzt seit 2015 Projekte mit dem Einsatz von CFK-Hybridzylindern um.
CFK steht für carbonfaserverstärkten Kunststoff. Der Werkstoffhybrid besteht aus einem metallischen Grundkörper, der mit einer Bandage aus Faserverbund umwickelt wird. Seit 2020 produziert Liebherr CFK-gewickelte Hydraulikzylinder sowie andere Faserverbund-Komponenten mit einer hohen Fertigungstiefe selbst: Von der Konstruktion über die Herstellung mit einer eigenen Wickelmaschine und dem Temperofen zum Aushärten des Materials bis hin zur Qualitätsprüfung nach Liebherr-Standards und der Montage des Hybridzylinders verlaufen alle Prozessschritte unter einem Dach.
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Bei CFK-Hybridzylindern von Liebherr kann die Hälfte der Wandstärke des Stahlrohres durch Kohlefaser ersetzt werden. Daraus ergibt sich am Zylinderrohr eine Gewichtsreduzierung von bis zu 60 Prozent und am Hydraulikzylinder von bis zu 25 Prozent.(Bild: Liebherr)
Das Kirchdorfer Unternehmen realisiert CFK-Hybridzylinder nach genauer Prüfung der jeweiligen Kundenanforderungen und entscheidet erst dann über den CFK-Einsatz, wenn sowohl der Mehrwert vorhanden ist als auch der Einsatz sinnvoll erscheint. Die Entscheidung findet in der ersten internen Analyse im Anfrageprozess statt.
Laut Dominic Gottwald, Teamleiter Faserverbundtechnologie bei Liebherr, bieten Hydraulikzylinder mit einer Wickelung aus CFK zahlreiche Vorteile: Faserverbundwerkstoffe besitzen eine geringere Dichte und haben damit im Vergleich zu Stahl bei gleichem Volumen nur 20Prozent des Gewichtes. Je nach Anwendung wählt der Liebherr-Konstrukteur zwischen Verbundfasern mit sehr hoher Festigkeit (HT/UHT), hoher Steifigkeit (HM/UHM) oder einer Faser, die einen Kompromiss aus beiden Eigenschaften bietet (IM), und stimmt so das Bauteil auf die gegebene Belastungssituation passend ab. Im Idealfall ist ein Körper realisierbar, der eine geringere Dichte und ein geringeres Volumen als der ‚Klassiker‘ Stahl aufweist. Selbst bei extrem häufig wechselnden Belastungssituationen behalten Carbonfasern ihre hohe Festigkeit und eignen sich daher gut für hochdynamische und zyklische Belastungen.
„Wir begeistern uns dafür, neue Lösungen zu entwickeln und Innovationen im Bereich der Faserverbundtechnologie voranzutreiben. Dafür ist allerdings mehr erforderlich, als das bestehende Material durch ein anderes zu substituieren.”Dominic Gottwald, Teamleitung Faserverbundtechnologie, Liebherr
Im Vergleich zu Stahlmaterialien zeichnen sich CFK-Stoffe durch eine deutliche verringerte Abnahme der Anfangsfestigkeit aus. Auch das Wärmeausdehnungsverhalten von CFK-Komponenten lässt sich auf die konkrete Anwendung abstimmen. Im Vergleich zu Leichtmetallen wie Titan, Aluminium oder Magnesium hat kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff die besseren Ermüdungseigenschaften, halten also auch einer höheren Zyklenanzahl im Hochdruckbereich stand. Der Wermutstropfen dabei sind die höheren Kosten im Vergleich zum herkömmlichen Stahlzylinder. Denn die Fertigung erfordert neben aufwendigeren Materialien auch zusätzliche Prozessschritte. Dennoch rechtfertige sich der höhere Preis durch die Leistungsfähigkeit und Effizienz der CFK-Hybridzylinder, heißt es bei Liebherr.
Die Zukunft der Baumaschinen ist mit dem Thema Nachhaltigkeit eng verbunden. Moderne Werkstoffe wie Aluminium oder CFK spielen hier eine zentrale Rolle. Denn im Vergleich zu herkömmlichem Stahl ist CFK deutlich widerstandsfähiger gegenüber Korrosion – ein Vorteil, der die Lebensdauer von Bauteilen erheblich verlängern kann. Zudem lassen sich durch das deutlich geringere Gewicht der CFK-Komponenten die Betriebskosten senken und CO₂-Emissionen spürbar reduzieren. Weniger Gewicht bedeutet weniger Energieverbrauch. Zudem könne, so Dominic Gottwald, etwa die Grab- beziehungsweise Umschlagsleistung eines Gerätes erhöht werden. Der Einsatz von CFK-Hybridzylindern steigert somit die Effizienz der Maschinen und schont gleichzeitig die Umwelt.
Über die Zylinder hinaus werden bei Liebherr bereits andere Komponenten wie Motorkomponenten, Wellen und Walzen oder Maschinenbauteile mit dem Einsatz von Faserverbundwerkstoffen hergestellt. Neben CFK kommen hier je nach Einsatzgebiet der Komponenten auch andere Hochleistungsfasern wie Glas-, Aramid- oder Basaltfasern zur Verarbeitung.
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Anhaltender Trend zu ‚rank und schlank‘
Augenscheinlich werden Baufahrzeuge und -maschinen immer kompakter. So weisen die neuen Liebherr-Bagger vom Typ ‚A 909 Compact‘ und ‚A 911 Compact‘ einen geringen Heckschwenkradius (1,50 beziehungsweise 1,60m) und Frontschwenkradius (2,00 beziehungsweise 2,10m) auf. Auch mit dem sehr schlanken Wendekreis von nur 3,86m sind diese beiden Mobilbagger – hier stellvertretend für vergleichbare Bagger anderer Hersteller – sicher und flexibel selbst bei beengten Platzverhältnissen einsetzbar. Die Entwickler von Hydraulikkomponenten beantworten diesen Trend zu kompakten Maschinendesigns mit adäquaten Lösungen, wie die folgenden Beispiele zeigen.
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Stecken statt zu schrauben erleichtert die Montage erheblich
Der ‚UPTC Double Lock‘ besteht aus dem Sicherungsring gegen Ausreißen (siehe Grafik) und dem spiel- und verschleißfreien Druckverschluss. Bei der Montage wird der Verbinder in die Systemmutter gesteckt, so dass der Edelstahlring einrastet. Damit entsteht eine feste Verbindung. Das gelbe Dichtelement dichtet weich zum Verbinder ab und bietet optimale Dichtheit ohne Leckage. Gleichzeitig verriegelt der schwarze Klemmring die Verbindung unter Systemdruck spiel- und verschleißfrei. Damit ist eine Drucksicherung gegeben. Die rote Staubdichtung dient auch als optische Montageanzeige und funktioniert ganz einfach: Ist diese rote Staubdichtung nicht mehr sichtbar, weiß der Monteur, dass er alles richtig gemacht hat.
Im Detail: Das Stecksystem ‚Universal-Push-to-Connect‘ (UPTC) von Parker Hannifin erleichtert und beschleunigt gerade in beengten Einbausituationen das Verbinden von Rohr- und Schlauchelementen.(Bild: Parker Hannifin)
Apropos Monteur: Gerade bei der schwierigen Über-Kopf-Montage in engen Einbauräumen, die aus den kompakten Maschinendesigns resultieren, erweist sich das wartungsfreie UPTC-System als spürbare Arbeitserleichterung im Vergleich zum klassischen Schrauben. Hinzu kommt das zeitsparende Stecken – ein Vorteil, der sich laut Parker Hannifin besonders in der Serienfertigung bemerkbar macht. Ein weiteres Plus kommt noch hinzu: Die fertig montierte ‚UPTC‘-Verbindung lässt sich ganz ohne Spezialwerkzeug sehr einfach und schnell wieder lösen, so versichert der Hersteller.
‚Universal-Push-to-Connect‘ (UPTC) von Parker Hannifin ist ein weichdichtendes Stecksystem für Rohr- und Schlauchverbindungen.(Bild: Parker Hannifin)
Einheitliche Flanschfläche spart Bauraum
Bosch Rexroth bietet mit ‚RM Global‘ eine Ventilplattform an, die sich laut Hersteller einfach an Kundenbedürfnisse anpassen lässt und gleichzeitig die Energieeffizienz der Hydraulik erhöhen soll. Statt der Verwendung leichter Werkstoffe trägt die kompakte Bauweise der Plattform zur Reduzierung des Gesamtgewichtes bei. Stichwort ‚kompakt‘: Die RM10 und RM15-Ventilmodule haben eine einheitliche Flanschfläche und sind damit flexibel miteinander kombinierbar.
So lässt sich über diesen Weg wertvoller Bauraum einsparen, heißt es von den Ingenieuren aus Lohr. Sie konnten zudem die interne Leckage gegenüber der Vorgängerversion ‚M4‘ um bis zu 20Prozent verringern. Die Senkung des Energieverbrauches wird laut Bosch Rexroth über den Maximaldruck von 420bar und verringerte Druckverluste erreicht. Somit sei ein Downsizen von Zylindern und Ausrüstungsteilen möglich.
Last but not least ermöglicht die strömungsoptimierte Kanalführung und die Nutzung der Ventilplattform zusammen mit der elektronischen Pumpenregelung ‚eOC‘ (electronic Open Circuit) eine höhere Energieeffizienz sowie mehr Präzision bei der Ventilsteuerung.
Mit der modularen Ventilplattform RM Global von Bosch Rexroth sind Load-Sensing-Wegeventile für mittelschwere Off-Highway-Maschinen flexibel sowie energie- und kosteneffizient realisierbar.(Bild: Bosch Rexroth)
Engere Biegeradien erweitern die konstruktiven Möglichkeiten
Andreas Laubsch, Vertriebsleiter bei Rauh Hydraulik, beobachtet, dass einige Hersteller den Druck Ihrer Hydrauliksysteme inzwischen auf 500bar hochschrauben, um aus identischen Außenabmessungen mehr Leistung herauszuholen. Natürlich werden dann Schlauchleitungen benötigt, die dieser Druckstufe standhalten.
Rauh-Hydraulik empfiehlt dazu den ‚EC850 Dynamax‘. Dieser Schlauchtyp weise neben der extrem hohen Belastbarkeit einen um 19Prozent besseren Biegeradius auf, als es der SAE J517 100R15 Standard vorgebe. Gerade bei beengten Einbauverhältnissen könne dies entscheidend sein, erklärt der Fachmann.
Enger Biegeradius und sehr geringe Gegenkraft beim Verlegen – der Saug- und Druckschlauch ‚Oelflex 10‘ von Rauh Hydraulik.(Bild: Rauh Hydraulik)
Für die Saugseite der Pumpe gibt es im Rauh Hydraulik-Sortiment einige Optionen extrem flexibler Saugschläuche wie den R4X nach SAE J517 Typ: SAE 100/R4: 2017. Oder der Saug- & Druckschlauch Rauh-Oelflex 10, zusätzlich außen kordelgerippt für einen kleinen Biegeradius und sehr geringer Gegenkraft beim Verlegen. Als Arbeitsleitungen kämen in der Regel die inzwischen bekannten Kompaktschläuche wie ‚2SC‘, ‚1SC‘, ‚2SC+‘ (Kompakt mit höherer Druckstufe) zum Einsatz. Im Vorsteuerbereich würden leichte und sehr flexible Pilotschläuche eingesetzt, so Laubsch.
Er beobachtet zudem, dass noch nicht alle Hersteller jede Leitung auf diese modernen Schläuche umstellen können. Denn in vielen Stücklisten oder Normen seien noch die aus den 80er-Jahren bekannten ‚1SN‘- und ‚2SN‘- Schläuche festgelegt und eine Änderung sehr aufwendig. Hier sieht Andreas Laubsch für viele Anwender noch viel Potenzial bei der Aufgabe, beengten Einbauverhältnissen entgegenzuwirken.
In der Gesamtbetrachtung bietet der Leichtbau eine Reihe teils neuer konstruktiver Möglichkeiten. So lassen sich zum Beispiel Sensoren und vergleichbare Diagnoseelemente in Faserverbundwerkstoffe integrieren und machen damit den Einzug von ‚Industrie 4.0‘ auch bei hochbelasteten Maschinenelementen möglich.
Ob der Einsatz von Leichtbauelementen sinnvoll erscheint, hängt immer noch von der jeweiligen Anwendung ab. Unternehmen wie Bosch Rexroth bieten hier eine technische Kundenberatung über deren Branchenmitarbeiter an, die mit dem Kunden die auf die jeweilige Anwendung beste technische Lösung diskutieren.
FAQ zu Leichtbau in der Mobilhydraulik
Warum ist Leichtbau in der Mobilhydraulik so wichtig? Leichtbau reduziert das Fahrzeuggewicht und senkt dadurch Kraftstoffverbrauch und Emissionen. Gleichzeitig verbessern sich Dynamik, Wendigkeit und Transportfähigkeit von Baumaschinen – ein klarer Vorteil unter den strengen EU-Abgasnormen.
Welche Werkstoffe kommen beim Leichtbau zum Einsatz? Vor allem carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK), aber auch Aluminium, Titan und Hochleistungsfasern wie Glas-, Aramid- oder Basaltfasern. Diese Materialien vereinen geringes Gewicht mit hoher mechanischer Belastbarkeit.
Was sind CFK-Hybridzylinder und welche Vorteile bieten sie? CFK-Hybridzylinder bestehen aus einem Metallkern, der mit CFK umwickelt wird. Sie sind bis zu 80 % leichter als Stahlzylinder, korrosionsresistenter und haben bessere Ermüdungseigenschaften – ideal für hochdynamische Anwendungen in der Mobilhydraulik.
Wie wirkt sich Leichtbau auf die Nachhaltigkeit aus? Weniger Gewicht bedeutet weniger Energieverbrauch – sowohl beim Betrieb als auch beim Transport. Gleichzeitig verlängert die Korrosionsbeständigkeit moderner Leichtbauwerkstoffe die Lebensdauer der Maschinen. Das macht sie nachhaltiger und wirtschaftlicher.
Gibt es Nachteile beim Leichtbau? Ja, insbesondere die höheren Material- und Fertigungskosten sowie technische Hürden bei der Integration in bestehende Systeme. Dennoch überwiegen die Vorteile in vielen Anwendungen, wie zahlreiche Herstellerbeispiele zeigen.
Wie verändert Leichtbau das Maschinendesign? Leichtbau fördert kompakte, modulare und energieeffiziente Designs. Das zeigt sich etwa an neuen Ventilplattformen (z. B. Bosch Rexroth RM Global) oder Stecksystemen wie UPTC, die Einbauraum sparen und die Montage vereinfachen.
Welche Rolle spielt Industrie 4.0 im Leichtbau? Sensorik und Datenübertragung können direkt in CFK-Bauteile integriert werden. So werden selbst stark belastete Komponenten „smart“ und ermöglichen vorausschauende Wartung, Prozessüberwachung und eine höhere Maschinenverfügbarkeit.
