Gesamtwirkungsgrad

Der Gesamtwirkungsgrad beschreibt in der Hydraulik das Verhältnis der nutzbar abgegebenen Leistung zur zugeführten Leistung einer hydraulischen Komponente oder eines gesamten Systems. Er fasst sämtliche Energieverluste zusammen und gibt an, wie effizient eine Hydraulikpumpe, ein Hydromotor oder eine Anlage arbeitet. Ein hoher Gesamtwirkungsgrad bedeutet geringere Verlustleistung und niedrigeren Energieverbrauch.

Zusammensetzung des Gesamtwirkungsgrads

Der Gesamtwirkungsgrad einer hydraulischen Maschine ergibt sich aus dem Produkt des volumetrischen Wirkungsgrads und des hydromechanischen Wirkungsgrads. Beide Teilwirkungsgrade erfassen unterschiedliche Verlustmechanismen, die in jeder Verdrängermaschine auftreten. Nur wenn beide Teilwirkungsgrade auf einem hohen Niveau liegen, erreicht auch der Gesamtwirkungsgrad ansprechende Werte.

Volumetrischer Wirkungsgrad

Der volumetrische Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen dem tatsächlich geförderten oder aufgenommenen Volumenstrom und dem theoretisch möglichen Volumenstrom. Die Differenz entsteht durch interne Leckageströme, die vom Hochdruck- in den Niederdruckbereich oder nach außen abfließen. Spaltgeometrien an Kolben, Steuerscheiben und Dichtflächen bilden die Hauptleckagepfade. Ein volumetrischer Wirkungsgrad von 90 Prozent bedeutet, dass 10 Prozent des theoretischen Volumenstroms als Leckage verloren gehen.

Die Leckageverluste hängen stark von der Viskosität des Hydrauliköls ab. Bei niedriger Viskosität, etwa durch hohe Betriebstemperaturen, nehmen die Spaltströme zu und der volumetrische Wirkungsgrad sinkt. Umgekehrt verringert eine höhere Viskosität die Leckage, erhöht aber gleichzeitig die Reibungsverluste, was den hydromechanischen Wirkungsgrad belastet. Dieser Zielkonflikt macht die Wahl des richtigen Öls und der Betriebstemperatur zu einem zentralen Aspekt der Effizienzoptimierung.

Hydromechanischer Wirkungsgrad

Der hydromechanische Wirkungsgrad erfasst alle Verluste, die durch Reibung innerhalb der Maschine entstehen. Dazu zählen Festkörperreibung an Lagern und Dichtungen, Flüssigkeitsreibung in den Spalten sowie Strömungsverluste an Übergängen und Steuernuten. Auch die sogenannte Nullhubleistung, die eine Pumpe bereits bei druckloseem Betrieb aufbringen muss, gehört zu den hydromechanischen Verlusten.

Bei steigendem Druck nimmt der hydromechanische Wirkungsgrad zunächst zu, weil die Nutzleistung im Verhältnis zu den Reibungsverlusten wächst. Bei sehr niedrigen Drücken, etwa unter 10 bar, dominiert die Reibung die Leistungsbilanz, und der hydromechanische Wirkungsgrad fällt deutlich ab. Dieser Effekt erklärt, warum Hydraulikpumpen im Teillastbetrieb oft deutlich schlechtere Gesamtwirkungsgrade aufweisen als im Nennbetrieb.

Typische Gesamtwirkungsgrade hydraulischer Komponenten

Die erreichbaren Gesamtwirkungsgrade variieren erheblich zwischen den Bauarten. Konstrukteure müssen diese Unterschiede bei der Auswahl von Pumpen und Motoren berücksichtigen, da sie direkten Einfluss auf den Energieverbrauch und die Wärmeentwicklung der Anlage haben.

Gesamtwirkungsgrade von Hydraulikpumpen

Axialkolbenpumpen erreichen die höchsten Gesamtwirkungsgrade, weil ihre Kolben-Steuerfläche-Geometrie sowohl die Leckage als auch die Reibungsverluste begrenzt. Im optimalen Betriebspunkt, bei Drücken um 200 bis 280 bar und Drehzahlen im Bereich von 1500 bis 1800 U/min, liegen die Werte bei über 90 Prozent. Zahnradpumpen weisen aufgrund ihrer vergleichsweise großen Spaltflächen und der fehlenden Verstellmöglichkeit geringere Wirkungsgrade auf. Ihre Stärke liegt eher in der Robustheit und Kostengünstigkeit als in der Effizienz.

Gesamtwirkungsgrade von Hydraulikmotoren

Hydraulikmotoren erreichen bei vergleichbarer Bauart oft leicht höhere Gesamtwirkungsgrade als Pumpen. Der Grund liegt darin, dass Motoren keine aktive Förderung gegen einen Druckwiderstand leisten müssen, sondern den Druck in Drehbewegung umsetzen. Die Verlustmechanismen sind ähnlich, aber die Gewichtung verschiebt sich: Bei Motoren fallen die Strömungsverluste an den Einlasskanälen weniger ins Gewicht als die Förderverluste bei Pumpen.

Einflussfaktoren auf den Gesamtwirkungsgrad

Der Gesamtwirkungsgrad ist keine feste Kennzahl, sondern hängt stark von den Betriebsbedingungen ab. Derselbe Axialkolbenmotor kann je nach Betriebspunkt Wirkungsgrade zwischen 60 und 94 Prozent aufweisen. Wer Anlagen plant oder betreibt, muss diese Abhängigkeiten kennen, um die Komponenten im effizientesten Arbeitsbereich zu betreiben.

Druck und Drehzahl

Der Systemdruck beeinflusst den Gesamtwirkungsgrad über beide Teilwirkungsgrade. Bei steigendem Druck nehmen die Leckageströme zu, was den volumetrischen Wirkungsgrad senkt. Gleichzeitig steigt der hydromechanische Wirkungsgrad, weil die Reibungsverluste relativ zur übertragenen Leistung abnehmen. In der Summe ergibt sich für die meisten Pumpen und Motoren ein Wirkungsgradmaximum im Bereich des Nenndrucks. Unterhalb von 10 bar fällt der Gesamtwirkungsgrad drastisch ab.

Die Drehzahl wirkt sich ebenfalls auf beide Teilwirkungsgrade aus, jedoch in entgegengesetzter Richtung. Höhere Drehzahlen verbessern den volumetrischen Wirkungsgrad, weil die Leckage pro Umdrehung konstant bleibt, der geförderte Volumenstrom aber steigt. Gleichzeitig wachsen die Reibungsverluste, besonders die Flüssigkeitsreibung in den Spalten. Auch hier gibt es einen optimalen Drehzahlbereich, der je nach Baugröße und Bauart variiert.

Viskosität und Temperatur

Die Viskosität des Hydrauliköls ist einer der stärksten Einflussfaktoren auf den Gesamtwirkungsgrad. Bei optimaler Viskosität, die für die meisten Industrieanwendungen im Bereich von 30 bis 50 mm²/s liegt, erreichen Pumpen und Motoren ihre besten Werte. Weicht die Viskosität nach oben oder unten ab, verschlechtert sich einer der beiden Teilwirkungsgrade zwingend.

Hohe Betriebstemperaturen senken die Viskosität und erhöhen die Leckage, während niedrige Temperaturen die Viskosität ansteigen lassen und die Reibung verstärken. Eine temperierte Ölversorgung, die das Hydrauliköl im optimalen Viskositätsbereich hält, verbessert den Gesamtwirkungsgrad nachhaltig. In der Praxis erreichen Anlagen mit Öltemperatur-Regelung oft um mehrere Prozentpunkte höhere Wirkungsgrade als untemperierte Systeme.

Teillastbetrieb

Im Teillastbetrieb, also bei reduzierter Fördermenge oder Drehzahl, sinkt der Gesamtwirkungsgrad bei fast allen Bauarten deutlich ab. Verstellpumpen, die ihr Verdrängungsvolumen auf einen kleinen Bruchteil reduzieren, arbeiten mit stark erhöhten relativen Leckageverlusten. Auch die Nullhubleistung fällt bei kleiner Verstellung ins Gewicht. Bei Schrägachsenmotoren, die auf weniger als 30 Prozent ihrer maximalen Verstellung zurückgehen, kann der Gesamtwirkungsgrad um 10 bis 20 Prozentpunkte unter den Nennwert fallen.

Dieser Zusammenhang ist besonders relevant für Anwendungen mit stark schwankendem Leistungsbedarf. Hier bieten Mehrpumpensysteme oder lastabhängige Regelungen Vorteile, weil sie die aktiven Pumpen stets in einem Wirkungsgrad-günstigen Arbeitsbereich halten können.

Messung und Normung des Gesamtwirkungsgrads

Die zentrale Norm für die Wirkungsgradmessung an hydraulischen Verdrängermaschinen ist die ISO 4409. Sie definiert die Prüfverfahren für Hydraulikpumpen, -motoren und Kompaktgetriebe, einschließlich des Prüfstandsaufbaus, der Sensorplatzierung und des Versuchsablaufs. Die Messgenauigkeit wird in Klassen eingeteilt, wobei Klasse B für die meisten industriellen Anwendungen üblich ist.

Auf einem Prüfstand nach ISO 4409 werden Druck, Drehmoment und Volumenstrom gleichzeitig erfasst. Aus diesen Messgrößen lassen sich sowohl der volumetrische als auch der hydromechanische Wirkungsgrad bestimmen und daraus der Gesamtwirkungsgrad berechnen. Die Norm stellt sicher, dass die Ergebnisse verschiedener Hersteller vergleichbar sind.

Die DIN EN ISO 4413 regelt hingegen die sicherheitstechnischen Anforderungen an Hydraulikanlagen und enthält keine direkten Vorgaben zur Wirkungsgradmessung. Dennoch ist sie für Anlagenbetreiber relevant, weil sie Anforderungen an die Auslegung stellt, die indirekt die Effizienz beeinflussen, etwa die Vorgabe, dass Anlagen so auszulegen sind, dass sie keine unnötige Wärme erzeugen.

Bedeutung des Gesamtwirkungsgrads für die Anlagenauslegung

Der Gesamtwirkungsgrad hat unmittelbare Konsequenzen für die Auslegung einer Hydraulikanlage. Jede Prozentleistung, die in der Pumpe oder im Motor verloren geht, wandelt sich in Wärme um. Diese Wärme muss durch Kühler abgeführt werden, was zusätzliche Energie und Installationsfläche erfordert. Eine Pumpe mit einem Gesamtwirkungsgrad von 85 Prozent wandelt 15 Prozent der Antriebsleistung in Wärme um. Bei einer Antriebsleistung von 100 kW sind das 15 kW Verlustleistung, die den Ölkühler belasten.

Konstrukteure, die den Gesamtwirkungsgrad bereits in der Auslegungsphase optimieren, reduzieren nicht nur den Energieverbrauch der Anlage, sondern auch den Aufwand für Kühlung und Filterung. In industriellen Dauerbetriebsanlagen, wie Spritzgießmaschinen oder Pressen, amortisiert sich der Einsatz effizienterer Komponenten oft innerhalb weniger Jahre durch die eingesparten Energiekosten.

Maßnahmen zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads

Verschiedene Ansätze helfen, den Gesamtwirkungsgrad einer Hydraulikanlage zu verbessern oder auf einem hohen Niveau zu halten:

• Komponentenauswahl: Die Wahl der richtigen Bauart für den jeweiligen Anwendungsfall ist der wichtigste Hebel. Axialkolbenpumpen und -motoren bieten bei wechselnden Lasten die besten Voraussetzungen für hohe Wirkungsgrade.
• Betriebspunktoptimierung: Pumpen und Motoren sollten möglichst in der Nähe ihres Wirkungsgradmaximums betrieben werden. Lastabhängige Verstellregelungen helfen, den Betriebspunkt anzupassen.
• Öltemperatur-Management: Eine temperierte Ölversorgung hält die Viskosität im optimalen Bereich und vermeidet Wirkungsgradeinbußen durch zu hohe oder zu niedrige Temperaturen.
• Wartung und Zustandsüberwachung: Verschleiß an Kolben, Steuerscheiben und Dichtungen erhöht die Leckage und senkt den volumetrischen Wirkungsgrad. Regelmäßige Ölanalysen und Druck-Volumenstrom-Messungen erkennen Wirkungsgradverluste frühzeitig.
• Systemarchitektur: Mehrpumpensysteme, Load-Sensing-Regelungen und drehzahlgeregelte Antriebe reduzieren Teillastverluste und verbessern den Gesamtwirkungsgrad der Anlage.

Entwicklungstendenzen

Die Anforderungen an die Energieeffizienz hydraulischer Systeme steigen kontinuierlich, angetrieben durch gesetzliche Vorgaben und wirtschaftlichen Druck. Hersteller entwickeln Pumpen und Motoren mit optimierten Spaltgeometrien, die die Leckage reduzieren, ohne die Reibung zu erhöhen. Neue Beschichtungsverfahren für Kolben und Steuerscheiben verringern den Verschleiß und stabilisieren den Gesamtwirkungsgrad über die Lebensdauer.

Darüber hinaus gewinnen drehzahlgeregelte Antriebskonzepte an Bedeutung. Sie erlauben es, den Volumenstrom nicht durch Verstellung der Pumpe, sondern durch Anpassung der Motordrehzahl zu regeln. Dadurch entfallen die Verstellverluste, und der Gesamtwirkungsgrad verbessert sich insbesondere im Teillastbetrieb deutlich. Sensortechnik, die Druck, Temperatur und Volumenstrom direkt an der Komponente erfasst, ermöglicht zudem eine betriebspunktoptimierte Regelung in Echtzeit.