Rheinisch-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)