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Antriebstechnik

Hydraulikantrieb oder Elektroantrieb?

| Autor/ Redakteur: Florian Stocker / Stefanie Michel

Wer die Wahl hat zwischen hydraulischen und elektrischen Antrieben, hat es aufgrund neuer technische Möglichkeiten immer schwerer. Anwender sollten deshalb einige Faktoren beachten, um am Ende die richtige Entscheidung treffen zu können.

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Eine typische Anwendung für Hydraulikantriebe, doch Elektroantriebe holen auf: in Pressen kommen aufgrund der hohen Kräfte klassischerweise Hydraulikantriebe zum Einsatz. Mit dem Aufkommen von Servopressen wandelt sich jedoch das Bild sukzessive.
Eine typische Anwendung für Hydraulikantriebe, doch Elektroantriebe holen auf: in Pressen kommen aufgrund der hohen Kräfte klassischerweise Hydraulikantriebe zum Einsatz. Mit dem Aufkommen von Servopressen wandelt sich jedoch das Bild sukzessive.
(Bild: ©Itsanan - stock.adobe.com)

Geht es um die Zuweisung bestimmter Eigenschaften, wird die Wahl zwischen elektrischen und hydraulischen Antrieben schnell auf eine Grundfrage heruntergebrochen: Kraft oder Präzision?

Als klare Domäne der Hydraulik gelten noch immer:

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  • Fertigungs- und Montagemaschinen
  • Transferstraßen
  • Hub- und Förderzeuge
  • Pressen

Bei kleineren, flexibleren Anwendungen scheint ein E-Antrieb die logische Wahl zu sein. Doch gerade in Anlagen wie Werkzeugmaschinen, in denen mehrere komplexe Bewegungen und Arbeitsschritte zusammenlaufen, gibt es eine Vielzahl von Optionen, die sorgfältig miteinander abgewogen werden sollten. Während häufig die grundlegenden Kenngrößen Kraft beziehungsweise Drehmoment sowie Geschwindigkeit oder Drehzahl sind, entscheiden vor hier vor allem zusätzliche Faktoren wie Verschleiß, schnelle Lastwechsel, raue Umgebungsbedingungen und Laufzeiten darüber, auf welche Technologie am Ende die Wahl fällt.

Vorteile hydraulischer Antriebe

Hydraulische Anlagen erzeugen sehr hohe Drücke und somit große Kräfte auf kleinem Raum. Durch die hohe Kraftdichte gelten sie außerdem als besonders dynamisch. Laut „Taschenbuch der Mechatronik“ ist das Leistungsgewicht (in kW/kg) eines Hydraulikantriebes um den Faktor 10 größer als das Leistungsgewicht eines elektrischen Antriebes. Die Kraftdichte liegt bei hydraulischen Antrieben im Bereich von 2,0...107 bis 3,0...107 N/m². Bei elektrischen Antrieben bewegt sie sich infolge der magnetischen Sättigung im Bereich von 4,0...104 bis 5,0...104 N/m².

In der Werkzeugmaschine kann die Umwandlung hydraulischer Energie in eine mechanische Spann- oder Klemmkraft mit wenigen Bauteilen bewerkstelligt werden. Dazu ist meist nur ein Kolben notwendig, der in ein Gehäuse integriert ist. Bei einmal aufgebautem Druck kann ein hydraulischer Antrieb die erforderliche Position ohne weiteren Energieaufwand beliebig lange halten und das Aggregat kann abgeschaltet werden. Eine weitere Zufuhr ist erst wieder im nächsten Arbeitsschritt notwendig.

Nachteile hydraulischer Antriebe

Doch genau hier liegt auch eine mögliche Schwachstelle hydraulischer Systeme: Dort wo hohe Drücke entstehen, ist der Energieverlust im Falle von Leckagen auch besonders hoch. Druckverluste an den Strömungswiderständen bewirken einen geringeren erzielbaren Wirkungsgrad. Durch die bei hydraulischen Anlagen verwendeten Leitungen können zudem Leckagen auftreten und die Antriebe gelten als anfälliger für mögliche Verschmutzung. Die Viskosität des Hydrauliköles ist außerdem stark abhängig von der Außentemperatur, durch die Kompressibilität des Öls treten zusätzliche Druckverluste auf. All diese Faktoren führen dazu, dass hydraulische Antriebe meist deutlich wartungsaufwendiger sind als ihre elektrischen Verwandten.

Vorteile elektrischer Antriebe

Elektrische Antriebe gelten insgesamt als leicht regelbar und verfügen darüber hinaus über eine besonders hohe Laststeifigkeit. Sie erlauben flexibles Positionieren und sehr variable Verfahrprofile. Während der Bewegung verbrauchen elektrische Antriebe weniger Energie als hydraulische Antriebe. Sie arbeiten weitgehend ruckfrei und sind außerdem besonders sinnvoll für freies, flexibles und genaues Positionieren sowie für lange Wege über 1000 mm bei hohen Geschwindigkeiten und kurzen Zykluszeiten. Im Vergleich zu hydraulischen Systemen ist ein elektrisches Antriebssystem einfacher zu installieren. Es benötigt weniger Platz, da keine Schläuche und Pumpen vorhanden sind, die regelmäßig gewartet werden müssen, um Sicherheitsprobleme und Öllecks zu umgehen. Ein elektrischer Antrieb hat eine lange Lebensdauer und benötigt keine oder kaum Wartung. Die Investitionskosten liegen zwar höher als bei einem hydraulischen Antrieb, durch den günstigeren Betrieb amortisieren sich diese allerdings häufig schon innerhalb eines halben Jahres.

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Das Fachbuch konzentriert sich auf die Auslegung elektrischer Antriebssysteme. Dabei wird die Auswahl der wesentlichen Bestandteile – Motor, Getriebe, Stellgerät Netzversorgung und deren Zusatzkomponenten – beschrieben. Die beigefügte CD-ROM enthält zahlreiche Auslegungstools, die ausgewählte Berechnungsschritte aus dem Buch unterstützen.

Nachteile elektrischer Antriebe

Nachteile werden elektrischen Antrieben immer wieder bei der Linearbewegung in Verbindung mit einem hohen Kraftaufwand nachgesagt. Wenn elektrische Antriebe etwa zum mechanischen Klemmen oder Spannen genutzt werden sollen, wird dort mehr Energie benötigt. Denn während ein hydraulisches Aggregat ohne weitere Energiezufuhr in einer belastenden Position verharren kann, muss ein Elektromotor diese während des gesamten Vorgangs aufrechterhalten, um die nötige Kraft aufzubringen. Zudem unterliegen elektrische Antriebe beim Einsatz in Werkzeugmaschinen einem erhöhten Kostenaufwand für die Montage von Betätigungselementen und bei der Konfiguration einfacher Steuer- beziehungsweise Regelaufgaben.

Hersteller elektrischer Antriebe konnten diese Nachteile in den vergangenen Jahren immer weiter ausgleichen, so dass der Bereich „Linearbewegung“ nicht mehr nur als Domäne der Hydraulik gelten kann (Mehr dazu im Absatz „Linearbewegung“). Vielmehr gilt es mittlerweile, bei der Auswahl des „richtigen“ Systems eine Vielzahl an Entscheidungskriterien zu beachten.

Wichtige Kriterien auf einen Blick

Der Esslinger Antriebstechnikhersteller Festo hat in seinem Lehrbuch „Grundlagen der Hydraulik und Elektrohydraulik“ die wichtigsten Faktoren aufgelistet, die bei der Wahl der entsprechenden Technologie berücksichtigt werden sollten:

  • Umwelteinflüsse: Während elektrische Antriebe als weitestgehend temperaturunempfindlich gelten, sind hydraulische Anlagen deutlich anfälliger, da die Viskosität des eingesetzten Öls entscheidend für den Betrieb ist. Je wechselhafter also die Bedingungen, desto eher lohnt sich ein Elektroantrieb.
  • Energiespeicherung: Zur Speicherung von Energie sind beide Technologien eher begrenzt geeignet. Während die Elektronik nur kleine Mengen von Energie in Batterien speichern kann, werden bei der Hydraulik Gase als Medium eingesetzt. Diese Methode gilt jedoch ebenfalls in ihren Möglichkeiten als limitiert.
  • Energietransport: Hier kann der elektrische Antrieb all seine Stärken einsetzen. Ein Energietransport ist quasi unbegrenzt möglich, der Energieverlust sinkt mit der Länge der zurückzulegenden Entfernung. Die Hydraulik stößt hier ab einer Entfernung von 100 m an ihre Grenzen. Die Strömungsgeschwindigkeit liegt bei 2 bis 6 m/s.
  • Kosten: Ein Hauptargument für die Elektrik. Die Kosten zur Energieversorgung elektrischer Antriebssysteme gelten gemeinhin als gering, während sie bei der Hydraulik deutlich höher liegen. Die dem gegenüberstehenden höheren Investitionskosten für elektrische Lösungen amortisieren sich so häufig schon in relativ kurzer Zeit, je nach Anwendungsbereich und Dimensionierung.
  • Linearbewegung: Linearantriebe gelten traditionell als Domäne der Hydraulik. Der Grund: Ein Betrieb mit Zylindern gewährleistet eine gute Regelbarkeit der Geschwindigkeit sowie die Realisierung großer Kräfte. Damit sind dynamische Linearbewegungen mit einer Kraft bis zu 2,5 MN möglich. Doch auch die Elektrik hat sich mittlerweile auf dem Feld der Linearbewegung ihren festen Platz erobert. Vor allem, wenn eine einfache, sichere und klare Bewegung mit präziser und gleichmäßiger Steuerung benötigt wird, kann ein Elektroantrieb zur echten Option für den Anwender werden. Der Hintergrund: bei Linearantrieben wird die Dynamik immer wichtiger. Diese lässt sich heute auch mit einen Servomotor mit Gewindetrieb realisieren, wodurch elektrische Antriebssysteme immer mehr zum echten Konkurrenten für die Hydraulik werden. Ein Beispiel sind etwa die einbaufertigen Compactmodule von Bosch Rexroth, die den gesamten mittleren und oberen Bereich für Montage- und Handhabungssysteme abdecken. Die wahlweise mit Kugelgewindetrieb oder Zahnriemen angetriebenen Linearachsen verfügen neben einer hohen Dynamik auch über eine besondere Traglast und Steifigkeit.
  • Rotationsbewegung: Eine kontinuierliche Rotation ohne besondere Dynamik ist ein typischer Einsatzbereich für einen Elektroantrieb. Auch hydraulische Anlagen können diese Aufgabe übernehmen. Der Unterschied zwischen beiden Systemen liegt allerdings bei der Drehzahl, wo die Hydraulik nur eher niedrigere Bereiche erreichen kann.
  • Positioniergenauigkeit: Positionierarbeiten sind eine klassische Domäne der Elektrik. Sind hydraulische Antriebe in der Lage, Genauigkeiten bis zu 1 mm zu erreichen, arbeitet das elektrische Pendant noch einmal deutlich präziser.
  • Kräfte: Ein Hauptunterscheidungsmerkmal ist die Überlastbarkeit, die nur beim hydraulischen Antrieb gewährleistet ist. Außerdem können bei der Hydraulik sehr große Kräfte erzeugt werden, die bei einem Systemdruck von 600 bar bei bis zu 3000 kN liegen können.

Elektrische Antriebe haben ihren Nachteil wettgemacht

Mit Blick auf die Einsatzfähigkeit bei linearen Bewegungen konnte der elektrische Antrieb gegenüber hydraulischen Lösungen in den vergangenen Jahren aufholen. Elektrozylinder gelten mittlerweile als echte Alternative, da im Vergleich zu Hydraulikzylindern die Installation relativ einfach fällt. Anwender benötigen lediglich einen Stromanschluss, außerdem entfallen aufwendige Druckerzeuger. Elektrozylinder sind zudem meist kompakter und lassen sich deshalb unkomplizierter integrieren. Verfügen die Elektrozylinder über die Gewindesteigung der Spindel zudem über eine Selbsthemmung, können sie ohne weiteren Energieaufwand in einer bestimmten Position verharren.

Wenn es um hochgenaue Reglungen oder um Positionierungen im µ-Bereich geht, sind elektrische Antriebe ebenfalls im Vorteil.

Bei den Nebenfunktionen in Werkzeugmaschinen übertreffen die Vorteile der Hydraulik allerdings häufig noch die der elektrischen Antriebe. Als klassische Domänen sind hier das Spannen beziehungsweise das Lösen des Werkzeugs, die Klemmung von Achsen und Spindeln oder die Werkstückspannung zu nennen.

Die Bedeutung der beiden Systeme wird sich in den nächsten Jahren nicht zuletzt auch daran entscheiden, wie sich die verschiedenen Technologien in puncto Energieeffizienz entwickeln werden. Gerade die Anforderungen im Rahmen der Industrie 4.0 stellen weitere Anforderungen an Vernetzung, Steuerung und Automatisierung und werden damit auch die Antriebstechnik weiter beschäftigen – egal ob sie nun elektrisch oder hydraulisch ist.

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