Umstieg von Hydraulik auf Elektroantriebe: Wichtige Überlegungen

Globalisierung und wachsender Wettbewerb zwingen Hersteller, Kernprozesse zu transformieren – darunter die Umstellung von hydraulischen auf elektrische Systeme.

Sowohl Hydraulikzylinder als auch Elektroantriebe bieten Vorteile für Linearbewegungen. Hydraulik liefert hohe Kräfte zu geringen Kosten, Elektroantriebe bieten gleiche Leistung mit mehr Flexibilität, Präzision und Zuverlässigkeit.

Dieser Artikel erläutert die Umstellung von Hydraulik auf Elektroantriebe, die entscheidenden Parameter und potenziellen Nutzen.

Schlüsselparameter für die Umstellung

Kraft

Hydraulikzylinder arbeiten mit hohen Drücken. Ein 3-Zoll-Zylinder bei 2.200 psi erzeugt ca. 15.000 lbf (≈ 66,7 kN). Elektrische Antriebe mit Rollenspindeln liefern bis zu 50.000 lbf (≈ 222 kN).

Elektroantriebe generieren Kraft sofort, während Hydrauliksysteme Zeit zum Druckaufbau benötigen.

Bewegungssteuerung

Elektroantriebe bieten weit präzisere Steuerung als Hydraulikzylinder. Elektromotoren lassen sich über Rückführsysteme (Encoder) exakt regeln und ermöglichen uneingeschränkte Positionierung – sie können an jedem Punkt des Hubs stoppen.

Hydraulikzylinder steuern über Ventile den Volumenstrom, was weniger präzise ist, aber für einfache Anwendungen gut funktioniert.

Temperaturtoleranz

Elektroantriebe arbeiten in einem deutlich breiteren Temperaturbereich. Elektromotoren vertragen Extreme besser; Hydraulikflüssigkeiten können bei hohen Temperaturen zerfallen und das System beschädigen.

Datenerfassung

Elektroantriebe erfassen Daten wie Position, Geschwindigkeit und Kraft – nutzbar zur Effizienzsteigerung. Hydraulikzylinder bieten diese Möglichkeit nicht.

Umweltrisiken

Elektroantriebe bergen keine Umweltrisiken durch auslaufende Flüssigkeiten. Hydraulikflüssigkeiten können austreten und die Umwelt belasten. Strom als Energiequelle ist umweltfreundlich.

Lebenszykluskosten

Elektroantriebe haben niedrigere Lebenszykluskosten: Kein periodischer Flüssigkeitswechsel, längere Lebensdauer als Hydraulikzylinder.

Umsetzung der Umstellung

Gründe für den Wechsel sind vielfältig – die Vorteile elektrischer Antriebe machen sie attraktiv für Anwendungen wie Automobile, Lüftung, Kühlung.

Erster Schritt: Nicht nach Fluidleistung dimensionieren. Ingenieure müssen beachten, dass fluidbetriebene Zylinder oft zwei- bis dreimal größer ausgelegt sind als nötig.

Die Orientierung an Fluidkraft führt zu zwei Problemen:

• Die scheinbaren Kraftanforderungen der Anwendung erscheinen höher als das, was ein Elektroantrieb leisten kann.
• Elektroantriebe haben oft höhere Anschaffungskosten; Überdimensionierung führt zu unnötigen Kosten.

Ermittlung der tatsächlichen Kraftanforderungen

Vor der Auswahl eines Elektroantriebs müssen die realen Kraftanforderungen geklärt sein. Dazu sind Tests am Anwendungsfall nötig – über den gesamten Hubbereich, bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Lasten.

1. Spitzenkraft bestimmen

Nach den Tests kennen Ingenieure die erforderliche Kraft und können die Spitzenkraft (Peak Force) ermitteln – die maximal benötigte Kraft. Diese lässt sich finden, indem der Hydraulikdruck so lange reduziert wird, bis der Zylinder gerade noch arbeitet. Mit dem tatsächlichen Druck in der Formel „Kraft = Druck × Fläche“ erhält man die reale Kraft. Dies deckt jedoch nur die Spitzenkraft ab, nicht den Kraftverlauf über den gesamten Aus- und Einfahrzyklus.

2. Einbau einer Kraftmessdose (Load Cell)

Der nächste Schritt: Einbau einer Kraftmessdose. Sie misst die Kraftausgabe des Elektroantriebs präzise und ermöglicht die Aufzeichnung des Kraftverlaufs über den gesamten Hub. Messwerte können am PC oder Datenerfassungssystem ausgewertet werden. Die Wahl der passenden Kraftmessdose ist anwendungsspezifisch entscheidend.

Vorteile der Umstellung auf Elektroantriebe nutzen

Der Wechsel von Hydraulikzylindern zu Elektroantrieben mag anspruchsvoll erscheinen, bietet aber erhebliche Vorteile: höhere Genauigkeit, Sicherheit, Zuverlässigkeit, programmierbare Bewegungsparameter, Wiederholgenauigkeit, Datenerfassung und einfachere Wartung.

Behalten Sie die genannten Parameter und Faktoren im Blick, gelingt die Umstellung reibungslos.

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