Wie eine intelligentere Konstruktion von Hydraulikbehältern die Systemleistung verbessern kann

Gleichzeitig sind die Hersteller bestrebt, das Maschinengewicht zu reduzieren, den Ressourcenverbrauch zu senken und die Wartung zu vereinfachen, ohne dabei die Produktivität zu beeinträchtigen.

Der Hydraulikbehälter ist ein naheliegendes Ziel, aber sein Volumen zu reduzieren ist keine leichte Aufgabe – es geht nicht nur darum, ein kleineres Tankdesign zu entwickeln.

Das Reservoir hat in der Vergangenheit verschiedene Aufgaben erfüllt, und die Entnahme von Ölvolumen ohne Kenntnis dieser Funktionen kann eine Reihe von Problemen mit sich bringen.

Warum Stauseen so groß wurden

Konventionelle Richtlinien zur Dimensionierung von Speicherbecken berücksichtigen drei Hauptbedürfnisse: Wärmemanagement, Absetzen von Verunreinigungen und natürliche Entlüftung.

Mehrere Faktoren beeinflussen die Qualität von Hydrauliköl.

Vor diesem Hintergrund gilt traditionell die Faustregel, ein Ölvolumen vorzuhalten, das dem Zwei- bis Dreifachen der Pumpenfördermenge entspricht, um Wärme, Partikeln und Luft Zeit zum Entweichen aus dem zirkulierenden Fluid zu geben.

Diese Gleichung ändert sich, denn neue Optionen für das Öltemperaturmanagement und die hocheffiziente Filtration gehen die Verunreinigungen direkter an.

Damit bleibt die Belüftung einer der wichtigsten Faktoren, die eine weitere Verkleinerung einschränken.

Jared Flanigan, Senior Hydraulic Product Manager bei Donaldson, sagt: „Die meisten modernen Hydrauliksysteme verwenden Ölkühler zur Regulierung der Öltemperatur, wodurch die Notwendigkeit entfällt, dass der Ölbehälter diese Aufgabe übernimmt.“

„Durch Filtrations- und Belüftungsmanagement können OEMs die Behältergröße optimal an die tatsächlichen Systembedürfnisse anpassen.“

Die versteckten Kosten der Luft

Luft kann beim Befüllen und Warten von Hydrauliköl durch Leckagen oder Verschleiß von Dichtungen eindringen und lässt sich bei kurzen Verweilzeiten im Behälter nur schwer abtrennen. Ein Teil der Luft ist als Schaum oder Blasen sichtbar; ein anderer Teil bleibt gelöst oder im Öl eingeschlossen und ist somit mit bloßem Auge nicht erkennbar, aber dennoch vorhanden.

Die Implosion von Blasen unter hohem Druck verursacht Kavitationsschäden an hydraulischen Bauteilen.

Wenn diese Luft in Gebiete mit niedrigem Druck gelangt, können sich Blasen bilden, die dann beim Übertritt in Gebiete mit höherem Druck wieder zusammenfallen.

Die entstehende Kavitation kann Pumpen beschädigen und die Funktion von Ventilen und anderen Bauteilen beeinträchtigen.

Schon bevor es zu einem Ausfall kommt, kann mit Luft angereichertes Öl die Pumpeneffizienz verringern, Geräusche und Vibrationen verstärken und die von modernen Maschinen erwartete präzise und stabile Bewegung beeinträchtigen.

Die konstruktive Herausforderung besteht daher nicht nur darin, sichtbare Blasen zu entfernen, sondern auch darin, die Luft während ihres gesamten Durchflusses durch das System zu kontrollieren und zu verhindern, dass sie zu kritischen Bauteilen zurückfließt.

Von gelöster Luft zu abnehmbaren Blasen

Flanigan beschreibt Donaldsons STREAMTEQ-Technologie, die durch umfangreiche Forschung darüber entwickelt wurde, wie Luft mit Hydraulikölen interagiert, sich unter Druck verhält und beim Durchströmen poröser Filtermedien reagiert.

Er sagt: „Die Technologie lässt sich in drei verschiedene Phasen unterteilen: Nukleation, Koaleszenz und Wachstum sowie Einfang.“

„Dabei geht es um die Luft, die man nicht sehen kann. Die Nukleation ist also der erste Schritt, um Luft aus der Lösung zu lösen – im Wesentlichen geht es darum, ihren Zustand von gebunden zu frei zu ändern.“

STREAMTEQ™ zweistufiges Luftentfernungsverfahren

„Kleine Bläschen vereinigen sich dann zu größeren Blasen. Sobald diese größer sind, ist es wichtig, sie aufzufangen und aus dem Öl herauszuleiten, damit sie nicht dorthin gelangen, wo sie nicht hingehören – nämlich in die Pumpe.“

Diese Aufgabe wird durch einen zweistufigen Filter bewältigt. Die erste Stufe nutzt mehrlagige synthetische Filtermedien, um Verunreinigungen hocheffizient zu entfernen und die Nukleationsphase einzuleiten, während das Luft-Öl-Gemisch von einer Hochdruck- in eine Niederdruckzone strömt.

In der zweiten Stufe wird die Luft reguliert, indem Blasen aufgefangen und zum Flüssigkeitsspiegel des Reservoirs geleitet werden, wo die freie Luft entweichen kann.

Auf diese Weise werden Filtration und Entgasung zu koordinierten Systemfunktionen anstatt zu getrennten Reaktionen auf getrennte Probleme.

Schutz für komplexere Schaltungen

Die Optimierung von Stauseen ist nur ein Teil des Potenzials. Mobile Hydraulikkreisläufe haben sich von vorwiegend mechanischen Systemen hin zu elektrohydraulischen Systemen entwickelt, die mit höheren Drücken und engeren Spaltmaßen arbeiten.

Ventile, Pumpen und Motoren reagieren heutzutage empfindlicher auf Verunreinigungen, wodurch die Bedeutung einer hocheffizienten Filtration steigt, um den effizienten Betrieb dieser Komponenten über die Zeit zu gewährleisten.

Die Lösungen von Donaldson unterstützen komplexe Hydraulikkreisläufe. Bild: Shutterstock

Wenn eine Pumpe oder ein Motor aufgrund von Verschleiß oder Verunreinigungen einen internen Schaden erleidet, können die dabei entstehenden Ablagerungen über die Gehäuseablaufleitung zurückgeführt werden; schädliche Verunreinigungen gelangen so zurück in den Behälter und wieder in das System.

Dies macht die Gehäuseablaufleitungen zu einem besonderen Problem im Hinblick auf Verunreinigungen, dennoch werden sie oft nicht gefiltert, da sie empfindlich auf Gegendruck reagieren und die Gefahr besteht, dass Dichtungen an der Pumpe oder am Motor beschädigt werden.

Ein zweistufiger In-Tank-Filter, wie er beispielsweise in Donaldsons STREAMTEQ-Technologie verwendet wird, kann eingesetzt werden, um einen zusätzlichen Schutz für das System zu bieten, indem der Hauptrücklauf des Anbaugeräts und der Gehäuseablauf kombiniert werden und gleichzeitig ein Schutz für die Neuölbefüllung, den Bypass und die Entlüftung integriert wird.

Weniger eigenständige Komponenten bedeuten eine intelligentere, einfachere Behälterkonstruktion, weniger potenzielle Leckstellen und einen weniger komplizierten Herstellungs- und Wartungsprozess.

Der Filter ist nicht länger ein Zubehörteil, das erst nach der Konstruktion des Reservoirs ausgewählt wird, sondern vielmehr ein entscheidendes Konstruktionsmerkmal, das die Größe, Form und Leistung des Reservoirs beeinflusst.

Fallstudie: Ein kleinerer Tank für kompakte Geräte

Kürzlich stand ein führender Baumaschinenhersteller vor einer Herausforderung im Bereich der Verpackung für eine Kompakt- und Skid-Steer-Laderplattform.

Für die neu gestaltete Fahrerkabine wurde mehr Platz benötigt, während der Hydraulikbehälter wertvolles Volumen beanspruchte.

Der Hersteller wollte den Platzbedarf des Reservoirs verringern und den Schutz des Hydrauliksystems durch einen zusätzlichen Rücklauffilter im Tank erhöhen.

Labortests ergaben, dass das Reservoirvolumen durch den Einsatz der STEAMTEQ-Entgasungstechnologie potenziell um bis zu 44 % reduziert werden könnte.

Das Produktionsdesignteam entschied sich für einen etwas vorsichtigeren, aber dennoch ambitionierten Ansatz. Sie führten einen Donaldson HKK Multifunktions-Innenfilter mit STREAMTEQ- Entlüftungstechnologie ein, wodurch der ursprüngliche 36-Liter-Tank um 10 Liter bzw. 28 % reduziert werden konnte.

Das Ergebnis war ein besserer Systemschutz, mehr Gestaltungsfreiheit und 10 Liter weniger Hydrauliköl pro Maschine.

Durch die Ergänzung der Rücklauffiltration im Tank konnte das bisherige Wartungsintervall des Ladefilters von 500 auf 1000 Stunden verdoppelt werden, wodurch sich die Wartungsperiode verlängerte und das Benutzererlebnis verbessert wurde.

Tatsächlich erwies sich der zusätzliche Schutz bereits in der Entwicklungsphase als wertvoll. Ablagerungen einer defekten Pumpe oder eines Motors gelangten zwar durch die Gehäuseablaufleitungen zurück, wurden aber von der zweiten Filterstufe aufgefangen, bevor sie zirkulieren und weiteren Schaden anrichten konnten.

„Die Gehäuseablauffunktion trug dazu bei, einen potenziell katastrophalen Ausfall des Hydrauliksystems zu verhindern“, sagt Jared Flanigan von Donaldson. „Die vorherige Filterlösung umfasste keine Gehäuseablauffiltration, daher hat dies den Wert des verbesserten Schutzes deutlich unterstrichen.“

Bei der Serienproduktion summieren sich selbst bescheidene Einsparungen pro Maschine zu erheblichen Einsparungen. Daten aus dem Projekt deuten auf jährliche Öleinsparungen umgerechnet etwa 1.400 Fässer hin, während Donaldson die Emissionsersparnis über den gesamten Lebenszyklus auf rund 10.000 Tonnen CO₂-Äquivalent über zehn Produktionsjahre berechnete. *

Diese Zahlen hängen von Produktionsmengen und Betriebsannahmen ab, veranschaulichen aber den kumulativen Effekt der Reduzierung sowohl der anfänglichen Füllmenge als auch des Verbrauchs im Service.

Sie suchen einen schnellen Überblick?

Die zusammengefasste Fallstudie finden Sie auf dieser Seite.

Niedrigere Lebenszykluskosten, nicht nur ein geringeres Ölvolumen

Hydrauliköl ist eine wichtige Ressource im Maschinenbau, verursacht aber auch wiederkehrende Betriebskosten.

Ein Mechaniker wartet das Hydrauliksystem einer Maschine. Bild: Shutterstock

Eine geringere Anfangsfüllmenge reduziert den Materialbedarf bei der Herstellung, das Gewicht der Maschine und das Volumen, das bei der Wartung letztendlich gehandhabt werden muss.

Längere Filterintervalle können auch Serviceeinsätze und damit verbundene Ausfallzeiten reduzieren.

„Der regelmäßige Austausch des Hydrauliköls ist ein wesentlicher Kostenfaktor bei der Instandhaltung“, so Flanigan. „Kosten sollten nicht der Grund dafür sein, dass Endanwender die Wartung hinauszögern. Durch die Einsparung von Öl im System lassen sich die gesamten Instandhaltungskosten senken und die Benutzerfreundlichkeit verbessern.“

Die Vorteile müssen dennoch auf Systemebene bewertet werden. Der Nutzen einer Verkleinerung des Speichers sollte anhand realer Betriebszyklen, Durchflussbedingungen, Entlüftungseigenschaften, Kontaminationsziele, Kühlleistung und Betriebsanforderungen gemessen werden.

Das Endziel ist nicht, den kleinstmöglichen Wasserspeicher zu erreichen, sondern den kleinsten Wasserspeicher, der eine zuverlässige Maschine bietet, ohne die Produktivität zu beeinträchtigen und mit einem überschaubareren Wartungsaufwand.

Filtration von Anfang an einplanen

Die Entwicklungsteams der OEMs stehen vor der Aufgabe, viele Entscheidungen zu treffen, die sich auf die Konstruktion der Maschinen auswirken, von der Leistung über die Verpackung bis hin zur Produktionsmontage; die Filtration ist jedoch nach wie vor ein wichtiger Faktor in diesem Entscheidungsprozess.

Der Donaldson HKK Multifunktions-Einbaufilter

Für sie schafft die Betrachtung von Reservoir, Filter, Entlüftungsstrategie und Hydraulikkreislauf als integriertes Konstruktionsproblem Optionen, die bei einer komponentenweisen Entwicklung übersehen werden können.

„Der Filter sollte bei der Konstruktion von Wasserreservoirs niemals erst im Nachhinein bedacht werden“, sagt Flanigan.

„Ein im Tank integrierter Filter ist ein wichtiger Bestandteil des Hydrauliksystems. Er schützt kritische Komponenten und ermöglicht eine Optimierung des Reservoirs, während er gleichzeitig die Funktionalität und den Systemschutz erweitert.“

„Durch die Berücksichtigung des Filters bei der Gestaltung lassen sich Ergebnisse erzielen, die man vorher nicht für möglich gehalten hätte.“

Da die Geräteplattformen immer kompakter und technisch anspruchsvoller werden, dürfte dieser Systemansatz an Bedeutung gewinnen.

Es ist nun klar, dass ein effektives Luft- und Schadstoffmanagement eine größere Designflexibilität und einen besseren Systemschutz ermöglicht.

Ein effektives Luft- und Schadstoffmanagement ermöglicht nicht nur eine größere Gestaltungsfreiheit und einen besseren Systemschutz, sondern kann auch dazu beitragen, die Effizienz-, Zuverlässigkeits- und Nachhaltigkeitsziele der nächsten Generation von Baumaschinen zu erreichen.

Bild: Shutterstock

*Basierend auf Referenzemissionsfaktoren, der erwarteten Projektgröße und den Empfehlungen des Herstellers.

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Dieser Artikel wurde von KHL Content Studio in Zusammenarbeit mit Experten von Donaldson erstellt.

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Alle nicht gekennzeichneten Bilder mit freundlicher Genehmigung von Donaldson.

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