Kupplungen

Energieeffizienz in der Servohydraulik

Zu den aktuellen Trends in der Hydraulik gehört der zunehmende Einsatz von servohydraulischen Antrieben. Die Verbindung von Servo-Elektromotoren und regelbaren Pumpen schafft die Voraussetzung von gut regelbaren, hochpräzisen Prozessen – zum Beispiel in Kunststoff-Spritzgieß- maschinen. Da die Antriebe deutlich kompakter und dynamischer sind, kommen hier auch andere Pumpenträger zum Einsatz. Hersteller KTR hat eigens für servohydraulische Antriebe eine neue Baureihe entwickelt.
Im Zuge einer höheren Energieeffizienz kommen owohl bei Pressen als auch bei Spritzgießmaschinen im High-End-Marktsegment zunehmend servohydraulische Antriebe zum Einsatz. Sie ermöglichen eine höhere Präzision und sparen bei typischen Lastzyklen rund 30 Prozent der Energie.

Wenn bei den typischen Prozessen der Kunststoffverarbeitung wie Spritzgießen oder Pressen hohe Kräfte erforderlich sind, ist die Hydraulik in ihrem Element. Allerdings werden immer höhere Anforderungen an die Präzision und Regelbarkeit gestellt - zum Beispiel wenn man extrem dünnwandige Kunststoffteile produziert oder Komponenten für die Kfz-Außenhaut mit "Class A"-Oberflächen. Traditionell verwendet der Kunststoffmaschinenbau für den Antrieb der Schließeinheiten von Spritzgießmaschinen klassische elektrohydraulischen Antriebe, bei denen die ungeregelte Pumpe von einem Drehstrommotor angetrieben wird. Bei dieser Lösung sind der Präzision, die beim Spritzgießen zu erzielen ist, jedoch Grenzen gesetzt. Zudem ist der Energieverbrauch dieser Antriebe relativ hoch. Im Zuge des allgemeinen Trends zu größerer Präzision und höherer Energieeffizienz kommen seit etwa anderthalb Jahren sowohl bei Pressen als auch bei Spritzgießmaschinen im High-End-Marktsegment zunehmend servohydraulische Antriebe zum Einsatz. Bei diesem Konzept lassen sich Durchfluss und Druck der Hydraulikflüssigkeit dynamisch und mit hoher Genauigkeit regeln. Servohydraulische Antriebe ermöglichen eine höhere Präzision und sie verbrauchen zugleich weniger Energie. So werden bei typischen Lastzyklen rund 30 % der Energie eingespart, da die Antriebe die Energie nur dann abfordern, wenn sie tatsächlich benötigt wird. Sein die Antriebe hingegen bei Prozessen im Einsatz, in denen es lange Phasen mit geringem Leistungsbedarf gibt, kann man nach Angaben eines führenden Herstellers von Servomotoren sogar Einsparungen von bis zu 80 % erreichen. Die höheren Investitionen in die Antriebstechnik werden also sowohl durch eine verbesserte Produktqualität als auch durch geringere Energiekosten gerechtfertigt. Außerdem wird die Geräuschemission der Maschine reduziert. Bei der Gestaltung der Antriebe und vor allem bei der Auswahl der Verbindungselemente muss der Konstrukteur jedoch berücksichtigen, dass man die vorhandenen Konzepte nicht 1:1 übertragen kann. Das gilt in erster Linie für die Wellenkupplung zwischen Motor und Pumpe sowie für den Pumpenträger. Denn die vorhandenen Baureihen für IEC-Normmotoren wurden für Lastprofile entwickelt, die kein häufiges und erst recht kein hochdynamisches Hochlaufen und Abbremsen vorsehen. Die Vorteile der Servohydraulik mit ihrem drehzahlvariablen Elektroantrieb liegen aber eben darin, ein häufiges und schnelles Anfahren von Null auf Betriebsdrehzahl und Arbeitsmoment und wieder zurück bis zum Stillstand der Maschine zu ermöglichen. Allein dieser Aspekt zeigt, dass man Kupplung und Pumpenträger in der Servohydraulik anders auslegen muss als Hydraulikantriebe mit Drehstrommotoren. Es kommt aber noch ein zweiter Grund hinzu: Ein weiterer Vorteil der Servohydraulik ist die kompakte Bauform. Servomotoren bauen deutlich kompakter als Standardmotoren.

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Pumpenträger für höhere Belastungen

Im konkreten Fall kann das beispielsweise bedeuten, dass Kupplungen und Pumpenträger, die ursprünglich für eine kontinuierliche Antriebsleistung von 4 kW konstruiert wurden, eine dynamische Leistung von bis zu 22 kW und die Belastung einer entsprechenden Pumpe aufnehmen müssen. Bei Wellenkupplungen kann der Konstrukteur mit dieser Tatsache sehr einfach umgehen, da entsprechende (Servo-)Kupplungen zur Verfügung stehen. Bei den Pumpenträgern war die konstruktive Forderung nach höherer Belastbarkeit bislang nicht so einfach umzusetzen, da sich die entsprechenden Werte der vorhandenen Trägerbaureihen, die zumeist aus Aluminium gefertigt werden, an den Beanspruchungen konventioneller Drehstrommotoren orientierten. Aus diesem Grund hat KTR eine ganz neue Pumpenträgerbaureihe speziell für servohydraulische Antriebe entwickelt. Diese Pumpenträger sind aus Grauguss GG gefertigt, um den höheren Kräften und Belastungen standzuhalten. Ein zweiter Grund für diese Werkstoffwahl ist die Tatsache, dass Aluminium bei Schraubverbindungen nur geringe Anzugsmomente zulässt. Das kann bei hochdynamischen Antrieben dazu führen, dass sich diese Verbindungen im Betrieb lösen. Die kleineren Baugrößen der neuen PSG-Baureihe haben an der Pumpenseite einen vergrößerten Flanschdurchmesser, um die der jeweiligen Motorleistung entsprechenden Pumpen noch aufnehmen zu können. Außerdem ist der Motorflansch der quadratischen Form der Servomotorenflansche angepasst. Was für den Pumpenträger gilt, trifft ebenso auf die dazugehörigen Fußflansche zu. Sie sind in der Regel aus Aluminium und für die leichteren Drehstrommotoren entwickelt worden. Um den Anforderungen der Servohydraulik gerecht zu werden, hat KTR die Fußflansche in den Größen PTFS250 und PTFS350 in einer GGG-Variante aufgelegt. Bei der FEM-gestützten Entwicklung und Konstruktion der neuen PSG-Pumpenträger hat KTR Erfahrungen aus einem anderen Geschäftsbereich genutzt: Für die hydraulischen Haupt- und Nebenantriebe mobiler Arbeitsmaschinen bietet KTR Kupplungen, die häufig als "package" mit Pumpenanbauflanschen geliefert werden. Diese Flansche sind deutlich höheren Kräften ausgesetzt als die PSG-Pumpenträger für die Industriehydraulik. Deshalb kann der Anwender sicher sein, dass die neuen Pumpenträger auch extremen Belastungen standhalten. Christoph Bettmer/KTR, st

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