Hydrostatischer Antrieb

Hallo EP200,

leider habe ich erst heute Deinen Beitrag gelesen. Ich glaube dass ich zum Thema schon aus beruflichen Gründen einen ganz guten Zugang habe, deshalb scheint es mir sinnvoll an dieser Stelle auf gewisse Besonderheiten eines hydrostatischen Antriebes hinzuweisen.

Ich möchte zwar hier meinen Vorrednern nur ungern widersprechen, aber die technische Auslegung eines Hydromotors sollte prinzipiell nicht nach der benötigten Antriebsleistung erfolgen. Das ist eigentlich der größte Kardinalfehler der auch von erfahrenen Maschinen- und Anlagenbauern immer wieder gemacht wird.

Hydromotoren werden i.a.R. nach dem erforderlichen Bremsmoment ausgelegt, weil dort die größten Momente auftreten. Während die Antriebsleitung durch das Produkt aus Druck und Volumen begrenzt ist, können beim Bremsen ganz beträchtliche Lastspitzen auftreten die einen nach der Antriebsleistung ausgelegten Motor schon beim ersten Bremsen zerlegen. Ebenfalls eine sehr wichtige Größe bei der Dimensionierung eines Hydromotors ist das Schluckvolumen, welches zusammen mit dem Druck die Leistungsklasse des Motors bestimmt.

Generell wäre jedoch wichtig zu wissen, ob Du einen Direktantrieb oder einen Antrieb mit Untersetzungsgetriebe realisieren willst.

Hydraulische Antriebe werden vorzugsweise dort eingesetzt, wo eine sehr hohe Leistungsdichte erforderlich ist und das benötigte Antriebsmoment über den gesamten Drehzahlbereich nahezu konstant sein soll. Für sehr niedrige Drehzahlen, wie bei Direktantrieben lassen sich nur Kolbenmotoren sinnvoll einsetzen. Zahnradmotoren laufen erst bei Drehzahlen ab ca. 300 1/min rund. Kolbenmotoren sind jedoch in der Leistungsklasse nur als sehr teure Spezialanwendungen erhältlich. Flügelzellenmotoren sind ebenfalls nur für hohe Drehzahlen geeignet. Gerotormotoren sind zwar generell für niedrige Drehzahlen geeignet, aber aufgrund der Konstruktion nur bedingt tauglich über einen längeren Zeitraum mit kleinen Drehzahlen betrieben zu werden.

Die erforderlichen Pumpe sollten immer nach den vorhandenen Motoren dimensioniert werden, dabei wird man i.a.R. für die Anwendung auf großvolumige Niederdruckpumpen zurückgreifen. Anstatt einer teuren Verstellpumpe gibt es entsprechend günstige Lösungen, z.B. mit laufruhigen Innenzahnradpumpen (http://www.haldexbarnes.com/).

Prinzipiell sollte eine Ablaufregelung eingesetzt werden, denn nur so lässt sich die für Hydromotoren tödliche Kavitation im Schiebebetrieb vermeiden, entweder manuell mit einem Dreiwege-Stromregler oder einem Proportional ? Wegeventil mit den Steuerkanten am Auslass, zusammen mit einer Druckwaage und den sog. Schockventilen (eine Kombination aus Druckventil und Rückschlagventil).
Wie schon angedeutet sind die kleinsten Kolbenmotoren auf dem Markt Maschinen die ab einer Leistung von 2,5 kW eingesetzt werden können und dementsprechend teuer. Ein Direktantrieb wäre also stark überdimensioniert und würde aufgrund der fehlenden Leistungsforderung nur sehr unrund laufen.

Indirekte Antriebe können mit Elektromotoren wesentlich günstiger mit wesentlich besseren Laufeigenschaften realisiert werden. Während ein elektr. Fahrregler nicht mehr als 50? kosten muss, sind die benötigten Hydraulikventile um ein Vielfaches teurer. Allein ein einziger Dreiwege ? Stromregler kostet als Leitungsventil schon locker das Doppelte. Das liegt ganz einfach auch daran, dass hydraulische Antriebe erst dort eingesetzt werden wo es um höchste Leistungen auf geringstem Raum geht und die allerkleinsten Komponenten auf dem Markt für die Anwendung Gartenbahn weit überdimensioniert sind. Falls Du jedoch z.B. eine Standseilbahn für große Lasten bauen möchtest, bist Du mit einem hydraulischen Antrieb sehr gut bedient.

So löblich Dein Vorhaben ist einen hydrostatischen Antrieb für eine Gartenbahn zu realisieren, so wenig Aussicht auf Erfolg hat er leider, außer Du bis bereit einen eigenen Hydromotor zu konstruieren und zu bauen, der in der benötigten Leistungsklasse betreiben werden kann. Falls dieses Dir gelingen sollte stehe ich gerne mit meiner ganzen Erfahrung zur Seite und würde Dir dann auch den restlichen Antrieb mit Schaltplan und fertiger Stückliste projektieren. Das ist versprochen, und über PN kannst Du Dich jederzeit gerne an mich wenden.

Falls Interesse an einer Erläuterung hydrostatischer Antriebe besteht, könnte ich gerne einmal einen entsprechenden Beitrag erstellen und im Forum zur Verfügung stellen. Allerdings wäre dies erst ab Leistungen von ca. 5kW interessant.

Mit freundlichen Gruß vom Dampfpfeifer

P.S. Das Hintereinanderschalten von Hydromotoren ist leider nicht möglich. Motoren mit einer Nenndrehzahl von 600 1/min lassen sich nicht bei sehr viel kleinerer Drehzahl betreiben.

Hallo Stepan_A,

die hydraulische Leistung ist beim Bremsen deshalb weitaus größer als beim Beschleunigen, weil dort die angetriebenen Massen mit abgebremst werden müssen. Während bei der Beschleunigung maximal die Pumpenleistung genutzt werden kann findet beim Bremsen durch die Massen eine Potenzierung der Kräfte statt, die Bremsleistung wird nicht durch die Pumpe, sondern durch die beschleunigte Masse der Last bestimmt.

Stell Dir einfach mal vor dass man zum Beschleunigen eines Zuges nur noch recht geringe Kräfte braucht, wenn die Haftreibung überwunden ist. Bei einer Dampflok z.B. kann die Beschleunigung beim Anfahren nur so groß werden, wie die injizierte Leistung in den Zylinder groß ist. Beim Bremsen wirkt die anhängende Masse mit, d.h. die als Bewegungsenergie des gesamten Zuges gespeicherte physikalische Arbeit der Lok muss innerhalb kurzer Zeit abgebaut werden. Das hat nichts mit langsamlaufenden oder schnellaufenden Hydromotoren zu tun, sondern damit dass innerhalb des Motors die Druckdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen zu groß wird.

Alle Motoren vertagen nur ein bestimmtes Delta p zwischen den Anschlüssen, dies ist der nutzbare Bereich. So kann ein Motor durchaus für einen Betribsdruck von z.B. 210 bar ausgelegt sein, aber tatsächlich nur eine Druckdifferenz von 70 bar vertragen. Beim Bremsen kann diese mögliche Leistung zu gering sein um den Antrieb mit der Last zum Stillstand zu bringen.

Es ist nicht die Kunst eine Masse zu beschleunigen, sondern diese auch wieder zum Stillstand zu bringen, auch ohne dass die Steuerplatte des Motors reißt.

Mit den besten Grüßen vom Dampfpfeifer

Hallo Stephan_A,

vielleicht sollten wir nicht ständig zwei verschiedene Dinge miteinander vermischen. Hier geht es doch wohl um einen Lösungsansatz für Gartenbahnen und nicht um das Vorbild. Der Unterschied ist ganz einfach, da beim Vorbild entsprechend modifizierte Motoren verwendet werden, wir beim Modell jedoch auf Komponenten angewiesen sind die auf dem Markt erhältlich sind. Verstellmotoren oder Verstellpumpen, wie beim Vorbild, dürften schon allein aus preislichen Gründen uninteressant sein und sind generell erst bei großen Schluckvolumen realisierbar. Im Modell kann man einen hydraulischen Antrieb wohl nur im offenen Kreis betreiben, während beim Vorbild der Antrieb fast ausschließlich im geschlossenen Kreis betrieben wird, dies erklärt auch warum beim Vorbild nur relativ kleine Öltanks vorhanden sind. Allerdings setzt dies eine entsprechend ausgerüstete Pumpe voraus, meist eine Verstellpumpe mit zusätzlicher Füllpumpe. Geschlossene Kreise sind nur für hohe Leistungen sinnvoll und realisierbar. Es dürfte wohl keine Probleme bereiten auf dem Markt einen Antrieb mit 500 kW zu finden, einen Antrieb mit ca. 0,5 kW wird man wohl vergeblich suchen.

Verstellpumpen und Motoren mit veränderlichem Schluckvolumen sind meist als Kolbenmaschinen ausgeführt. Schon allein aus fertigungstechnischen Gründen sind z.B. bei Axialkolbenpumpen und Motoren kleine Kolbendurchmesser uninteressant, weil sich der volumetrische Wirkungsgrad mit kleinen Kolbendurchmessern rapide verschlechtert und sich das Anlaufmoment des Motors überproportional zum Lastmoment vergrößert. Da mindestens sieben Kolben notwendig sind um eine homogene Bewegung zu erzeugen, ergibt sich unter Berücksichtigung des Hubvolumens des Motors oder der Pumpe eine volumetrische Mindestgröße eines Antriebs, der weit außerhalb der Größenordnungen für Gartenbahnen liegt. Ähnlich ist es bei Radialkolbenmaschinen, die als Verstellmotoren sehr aufwändig und entsprechend teuer sind. Kolbenmaschinen gibt es auch mit konstantem Schluckvolumen, allerdings gelten auch dort dieselben Proportionen für die Antriebsgruppe (z.B. Trommel und Kolben beim Axialkolbenmotor).

Gerotormotoren, Zahnradmotoren und Flügelzellenmotoren sind sog. schnellaufende Motoren, die erst ab einer für den Gartenbahner zu hohen Nenndrehzahl eingesetzt werden können.

Generell liegen die Anforderungen für den Antrieb von Schienenfahrzeugen anders als z.B. Antriebe für eine Straßenwalze. Die im Vergleich zu anderen Fahrzeugen geringe Reibung zwischen Rad und Schiene macht Motoren notwendig, die schon ab einer sehr geringen Drehzahl das Drehmoment linear übertragen können, ebenso beim Bremsen. Die Steifigkeit hydraulischer Antriebe und die geringe Radreibung erfordern sehr homogen laufende Antriebe mit entsprechend niedrigen Anlaufmomenten. Selbst bei Kolbenmotoren kommen hierfür nur aufwändige Konstruktionen, z.B. mit entlasteten Kolbenschuhen in Betracht, die entsprechend teuer sind. Hydromotoren haben alle ein sog. Anlaufmoment, das je nach Qualität des Motors beträchtlich über dem Betriebsmoment liegt. Bei Schienenfahrzeugen ist eine natürliche Reibgrenze vorhanden, d.h. unterhalb der Reibgrenze ist ein kraft- und reibungsschlüssiger Kontakt zwischen Schiene und Rad vorhanden. Oberhalb der Reibgrenze schleudern die Räder auf der Schiene und der Reibwert sinkt drastisch ab. Beim Einsatz eines Hydromotors ist deshalb auf geringstes Anlaufmoment zu achten, weil hohe Anlaufmomente von Motoren schnell zum Schleudern führen können. Beim Einsatz von geregelten Pumpen oder Schlauchleitungen schaukeln sich die Antriebe sehr schnell und heftig zu einem aus der Eigendynamik schwingenden System auf.

So ist z.B. die Reibung beim Anfahren mit einer Lok recht groß, solange die Haftreibung noch wirken kann, also noch keine Bewegung stattfindet. Bewegt sich das Rad zur Schiene ist die Reibung augenblicklich verringert. Im Hydromotor ist jedoch zum Überwinden der Haftreibung ein wesentlich höherer Druck als im Betrieb notwendig, der sich nach der anfänglichen Bewegung unmittelbar auf das Rad und die Schiene überträgt, wo die anfängliche Haftreibung nicht mehr vorhanden ist. Die Gefahr des Schleuderns ist entsprechend hoch, weshalb gerade bei Schienenfahrzeugen die Wahl des eingesetzten Hydromotors außerordentlich wichtig ist. Die Fa. Linde hat z.B. lange Jahre ein entsprechendes Patent gehalten, mit dem das Anfahrmoment an Axialkolbeneinheiten wirksam reduziert werden konnte, allerdings war hierfür ein Hilfssteuerkreis mit eigener Pumpe erforderlich.

Beim Bremsen gelten dieselben Regeln. Ein steifer hydraulischer Antrieb überfordert sehr schnell die vorhandene Reibgrenze, was zum Blockieren der Räder führen kann und die Reibung zwischen Rad und Schiene weiter absenkt. Der Antrieb kann nur gefangen werden, wenn dieser kurzzeitig beschleunigt wird um die Reibgrenze wieder unterschreiten zu können. Da bei Schienenfahrzeugen nur sehr selten die gesamte Masse auf den angetriebenen Achsen verteilt ist, wird dieser negative Effekt noch weiter verstärkt, da das Verhältnis zwischen Lastmoment und möglichem Bremsmoment noch vergrößert wird. Ein Bremsen liegt auch schon vor, wenn die Geschewindigkeit auch nur reduziert werden soll. Ein steifer hydraulischer Antrieb würde augenblicklich die Drehzahl verändern und dabei negativ schleudern, d.h. die Räder langsamer drehen als der gesamte Zug schnell ist.

Ich will mit einem kleinen Beispiel aus dem Leben versuchen auch den weniger technisch versierten Mitlesern die Problematik zu verdeutlichen. Wenn z.B. Heinzchen sein Auto anschieben muss, weil die Batterie leer ist, kann dieser mit seiner Muskelkraft eine gewisse physikalische Arbeit verrichten. Dieses führt dazu, dass er sich zunächst gegen das Auto stemmt ohne dass sofort etwas passiert. Allmählich setzt sich das Auto in Bewegung, nachdem die Haftreibung überwunden ist geht es leichter. Nehmen wir einmal an Heinzchen hat dafür eine physikalische Arbeit verrichtet die auf einer Skala einen Wert von 10 erreicht. Zum Beschleunigen hat er dabei angenommen 15 Sekunden benötigt. Leider nähert sich die Mauer des Nachbarn schneller als geplant und Heinzchen muss möglichst schnell sein Heilix-Blechle wieder anhalten. Stemmt er sich jetzt gegen die Motorhaube und verrichtet dabei eine Arbeit die auf einer Skala wieder 10 ereichen würde, könnte er damit rechnen, dass das Auto wieder nach ca. 15 Sekunden zum Stehen kommt. Allerdings wäre er nach 15 Sekunden bereits an die Wand des Nachbarn genagelt. Er muss also wesentlich kräftiger drücken, wenn er es schafft. Ansonsten würde das System irgendwo ungeplant die in der Masse des Autos gespeicherte Arbeit verrichten. Wenn also die Reibung zwischen Strasse und den Schlappen von Heinzchen eine maximale Arbeit von nur 10 auf der Skala zulässt, hätte Heinzchen in diesem Fall Pech gehabt und das Heilix-Blechle hätte Heinzchen trotz seinen Anstrengungen gegen die Wand gedrückt. Dabei hätten Heinzchens Schlappen die Haftreibung zum Asphalt verloren und von der sonst möglichen Arbeit mit der Größe 10 hätte Heinzchen nur noch mehr 6 oder 7 auf die Strasse gebracht, entsprechend länger wäre der Bremsweg ausgefallen.

Die spezifischen Anforderungen für Schienenfahrzeuge, die sehr geringe Reibung zwischen Rad und Schiene, die geringen spezifischen Lasten und die in der Hydraulik üblicherweise geltenden Anforderungen machen einen hydrostatischen Antrieb für Gartenbahnen zu einem sehr schwierigen Vorhaben. Generell dürfte dies schon einmal durch einen geeigneten Hydromotor sehr schnell aussichtslos werden, zum anderen erfordern hydraulische Antriebe einen hohen Aufwand an Steuerventilen und an entsprechenden Pumpen. Ganz abgesehen davon, dass es wohl ebenso schwierig sein wird eine geeignete Pumpe zu finden die an einen kleinen Verbrennungsmotor adaptierbar ist.

Durch das Forum inspiriert habe ich mich an eine Anwendung sehr kleiner Hydromotoren erinnert, die vor ein paar Jahren im militärischen Bereich realisiert wurde. Den Hersteller der Motoren habe ich heute morgen kontaktiert, ob und zu welchem Preis solche Motoren geliefert werden könnten, ein Angebot bzw. einen Bescheid werde ich in den nächsten Tagen erhalten. Falls sich etwas interessantes ergeben sollte, werde ich darüber an dieser Stelle berichten.

Zum Nachtrag:

Der zulässige Betriebsdruck eines Motors hat nur wenig mit dem tatsächlichen Antriebsmoment und dem zulässigen Differenzdruck zwischen beiden Anschlüssen zu tun. Gerade weil Hydromotoren oftmals ganz erhebliche Massen mit abzubremsen haben, bilden sich dort sehr schnell ganz erhebliche Spitzendrücke auf der Lastseite die ein Vielfaches des Systemdruckes betragen können. Bezogen auf die Anwendung Gartenbahn, wo meist keine entsprechend exakt arbeitenden Bremssysteme vorhanden sind, dürften die zu bremsenden Massen zu einem Mehrfachen an Kräften führen wie diese zum Beschleunigen notwendig sind, bzw. das Bremsen aufgrund des kleinen Reibungsgewichtes fast unmöglich machen, ohne dass permanent mit blockierenden Rädern gerechnet werden müsste.

Beim Vorbild sind aufgrund der möglichen Dimensionen ganz andere Lösungen realisierbar. Im Gegensatz zu anderen Antriebskonzepten funktioniert ein hydraulischer Antrieb umso besser, je größer die Lasten und Kräfte sind. Dort sind hydraulische Systeme unverzichtbar und können sich auch in Zukunft noch gegenüber anderen Konzepten behaupten. Allerdings haben Antriebe mit Hydromotoren ganz eigene Gesetze, die beachtet werden müssen, wenn ein Antrieb zuverlässig funktionieren soll. Im Bereich der Gartenbahnen halte ich die geforderten Leistungen für zu gering, als dass sinnvoll ein hydraulischer Antrieb eingesetzt werden könnte.

Mit den besten Grüßen vom Dampfpfeifer

Hallo

Also mir ist das alles zu wissenschaftlich und zu kompliziert.

Unsere Hydraulische angetriebene Lok wurde ganz einfach gebaut.

Ein 7PS Honda Diesel
Zanradpumpe 20L
2 Zahnrad Motoren Parallel
Steuerung vor u. rückwärts aus einem Holzspalter
80L Hydrauliköl dadurch sparen wir uns einen Ölkühler und brauchen keinen Strom
Gebremst wird mit den Hydraulikmotoren stufenlos bis zum stillstand.

Vorteil
Einfach noch bezahlbar und zuverlässig

Kurt