Hydraulik (Technik)
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Hydraulik ist in der Technik die Verwendung von Flüssigkeit zur Kraft- und Energieübertragung.
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[Bearbeiten] Geschichtliche Entwicklung
Als Begründer der technischen Hydraulik gilt der Engländer Joseph Bramah. Im Jahr 1795 entwickelte er eine mit Druckwasser betriebene hydromechanische Maschine, die nach dem hydrostatischen Gesetz von Blaise Pascal arbeitete. 1851 entwickelte Sir W. Armstrong den Gewichtsakkumulator – ein Speicher - mit dessen Hilfe große Volumenströme erzeugt werden konnte. Die Londoner Hydraulic-Power-Company nahm 1882 eine zentrale Druckwasserversorgung für mehrere Hydraulikanlagen in Betrieb. Die erste Servolenkung entwickelte Harry Vickers (um 1925).
[Bearbeiten] Prinzip
Hydraulik ist in der Technik eine Getriebeart – alternativ zu mechanischen, elektrischen und pneumatischen Getrieben, d.h. sie dient zur Leistungs-, Energie- oder Kraft-/Momentenübertragung von der Antriebsmaschine (Pumpe) zur Arbeitsmaschine (Kolben bzw. Hydraulikmotor), wobei die Leistungsparameter auf die Forderungen der Arbeitsmaschine angepasst werden. In der Hydraulik erfolgt die Leistungsübertragung durch das Fluid, in der Regel spezielles Mineralöl, im zunehmenden Maß aber auch durch umweltverträgliche Flüssigkeiten, wie Wasser oder spezielle Ester oder Glycole (siehe auch: Hydrauliköl). Die übertragene Leistung ergibt sich aus den Faktoren Druck und Fluidstrom. Zu unterscheiden sind:
- hydrodynamische Antriebe arbeiten mit einer Pumpe und einer Antriebsturbine. Die Drehzahl- und Drehmomentwandlung geschieht über die kinetische Energie der Flüssigkeit.
- Viskokupplungen übertragen Leistung durch viskose Reibung zwischen rotierenden Scheiben.
- hydrostatische Antriebe wandeln primärseitig die mechanische Leistung der Antriebsmaschine (E-Motor; Diesel) durch eine Pumpe in hydraulische Leistung um. Diese Leistung wird in Verbrauchern wieder in mechanische Leistung umgeformt und zwar in Hydraulikzylindern in eine lineare Bewegung oder Hydromotoren in eine rotatorische Bewegung. Hydrostatische Antriebe sind häufig die energetisch optimale Getriebeart, wenn eine stufenlose Verstellung der abtriebsseitigen Geschwindigkeit erforderlich ist.
Durch das Einleiten von unter Druck stehender Flüssigkeit in Zylinder werden die darin befindlichen Kolben und Kolbenstangen in lineare Bewegung versetzt, die für Arbeitsvorgänge und zum Antrieb von Maschinen ausgenutzt wird. Auch rotierende Antriebe können durch Flüssigkeitsdruck realisiert werden, etwa mit dem Hydraulikmotor.
Hydraulische Systeme ähneln prinzipiell den Antrieben der Pneumatik, bei der Druckluft zur Kraft- und zur Signalübertragung verwendet wird, haben aber davon abweichende Eigenschaften. So wird in der Ölhydraulik immer ein geschlossener Kreis benötigt (Hin- und Rücklauf), während in der Pneumatik die Abluft - meist über einen Schalldämpfer - in die Umgebung abgeblasen wird. Nur bei der Wasserhydraulik sind auch offene Kreisläufe bekannt. Gegenüber der Pneumatik hat die Hydraulik den Vorteil, dass wesentlich höhere Kräfte übertragen werden können und sehr gleichförmige und exakte Fahrbewegungen möglich sind, da die Verdichtung der Hydraulik-Flüssigkeit so gering ist, dass sie bei technischen Anwendungen kaum beeinträchtigend wirkt.
Auf dem letzten Meter werden oft spezielle Hydraulikschläuche mit Hydraulikkupplungen verwendet.
[Bearbeiten] Vorteile
Die weite Verbreitung in vielen Industriezweigen verdankt die Hydraulik folgenden Vorteilen:
- Die aufgelöste Bauweise, d.h. die flexible Verbindung zwischen An- und Abtrieb und eine optimale konstruktive Anpassung an Raumvorgaben. Als Verbindung zwischen Motor und Pumpe dienen Rohr- und Schlauchleitungen, die weitgehend frei verlegbar sind. Bei mechanischen Antrieben hingegen ist es notwendig, eine direkte Verbindung zwischen Motor und Getriebe und weiter zu Differential über z.B. eine Kardanwelle oder eine Kette herzustellen. Daher ist dort die Position des Getriebes durch die Position des Motors weitgehend festgelegt.
- stufenlose Geschwindigkeitsstellung des Abtriebes in sehr weiten Grenzen, einfache Umkehr der Bewegungsrichtung
- Erzeugung linearer Abtriebsbewegungen mit einfachen technischen Bauelementen bei sehr hohen Wirkungsgraden
- einfache Erzeugung sehr großer Kräfte und Drehmomente
- sicherer und schnell wirkender Überlastungsschutz durch Druckbegrenzungsventil
- hohe Leistungsdichte, d.h. vergleichsweise kleine Bauelemente für große Leistungen vor allem im Vergleich zu Elektromotoren
- Realisierung parallel arbeitender linearer oder rotatorischer Abtriebselemente (Hydraulikzylinder oder Hydromotoren) mit einem Primärteil (Pumpe) in einem gemeinsamen System, dabei ergibt sich die Wirkung eines Differentials ohne weiteren Aufwand.
- Freizügige Verbindung der Pumpen einschließlich Ventiltechnik mit den Hydromotoren bzw. Zylindern durch Rohrleitungen oder flexible Schläuche
- hohe Lebensdauer, da das Fluid selbstschmierend ist und als Kühlmedium dienen kann
- einfache Regelungskonzepte zur optimalen Ausnutzung des Antriebsmotors bei stark variierenden Leistungsanforderungen der Arbeitsmaschine.
- Hohe Stellgenauigkeit
- Gleichförmige Bewegungen wegen der geringen Kompressibilität der Hydraulikflüssigkeit
- Standardisierung durch Anwendung von genormten Bauteilen, Anschussmaßen, Einbauräumen usw.
- Einfache Anzeige der Belastung durch Druckmessgeräte
- Niedrige Trägheitswiderstände der Hydromotore und Zylinder
- Anfahren aus dem Stillstand bei Vollast
- Platz- und gewichtssparende Bauteile (Masse – Leistungsverhältnis), welche große Kräfte übertragen können.
- Schnell*, feinfühlig, gleichförmig und stufenlos verstellbare Zylinder- und Motorgeschwindigkeiten. (*aber langsamer als Pneumatik)
- Einfache Überlastsicherung durch Druckbegrenzung.
- Einfache Fehlersuche (Leckagen sind sichtbar)
- Höherer Druck und damit größere Kräfte möglich.
- Reibung in den Aktoren ist durch hydraulische Öle vermindert.
- Korrosionsschutz durch Hydraulik (außer Wasser)
[Bearbeiten] Nachteile
- Nachteilig bei hydraulischen Antrieben ist die Elastizität des Fluids, die unter Druck zur Kompression führt. Hieraus entstehen u.U. Druck- bzw. Bewegungsschwingungen. Diese Problematik wirkt sich aber nur bei Antrieben mit hohen Anforderungen an die Gleichförmigkeit der Geschwindigkeit bei stark wechselnden Lasten aus, z.B. Vorschubantriebe an Werkzeugmaschinen. Hier muss mittels flexibler Kupplungen (z.b. einer Hardyscheibe / Gelenkscheibe) gegengesteuert werden, was die Kosten hebt.
- Hohe Anforderung an die Filtrierung der Hydraulikflüssigkeit
- Entwicklung von Wärme und dadurch Änderung der Viskosität der Hydraulikflüssigkeit
- Schaltgeräusche der Ventile
- Gefahr von Leckagen
- Geringes Spaltmaß bei Hydraulikkomponenten
- Temperaturabhängigkeit der Hydrauliköle, (Viskosität und Kraftaufwand erhöhen sich bei sinkenden Temperaturen)
- Leckölverluste
- Bauteile schwerer als pneumatische Bauteile
- Hohe Strömungsverluste im Inneren der hydraulischen Flüssigkeiten, welche in Wärme umgesetzt werden und die Anlage aufheizen. (Energieverlust)
- Schwingungsneigung durch Druckstöße und damit verbundene Geräuschentwicklung.
[Bearbeiten] Anwendungen
Wegen ihrer spezifischen Vor- und Nachteile werden Hydraulik-Antriebe häufig bei mobilen Arbeitsmaschinen wie Baumaschinen oder Landmaschinen verwendet. Hier erfolgt das Heben und Senken von Lasten (Gabelstapler, Bagger, Aufzüge, Fahrzeugkrane etc.) vor allem durch linear bewegliche Hydraulikzylinder
Fahrzeuge werden oft mit rotierenden hydraulischen Getrieben bzw. Flüssigkeitswandlern angetrieben, beispielsweise mit so genannten Schrägachsen- und Schrägscheibenmaschinen, mit denen hohe Leistungen übertragen werden können. Das Besondere daran ist, daß die Hydraulikgetriebe die Bewegung eines unflexibel bzw. mit festgelegter Drehzahl arbeitenden Motors flexibler an die Betriebsbedingungen anpassen können, wie vor allem bei Diesellokomotiven.
Weitere typische Anwendungspeispiele sind:
- Aufzüge mit geringer Hubhöhe aber hoher Zuladung
- Kfz und Motorrad: Bremsen (Bremsflüssigkeit), Servolenkung, Fahrwerksregelung
- Verbrennungsmotor: Nockenwellenverstellung, Ventilbetätigung, Betätigung von Einspritzeinheiten
- Flugzeug: gesamte Steuerung der Flügelklappen (nicht bei Fly-by-Wire-gesteuerten Flugzeugen), sowie Ein- und Ausfahren des Fahrwerks
- Gleisbremsen im Rangierbahnhof
- Landwirtschaft bei Traktoren, um Anbaugeräte zu heben und teilweise zu steuern
- Bagger: hydraulischer Antrieb aller Arbeitsgeräte einschließlich Dreh- und Fahrwerk
- Mobilkrane: hydraulischer Antrieb der Teleskopmasten, Hub- und Windwerk,
Drehwerk, Abstützung, Lenkung sowie teilweise Fahrantrieb Flurförderzeuge,
z.B. Gabelstapler: alle Bewegungen einschl. Fahrantrieb und Lenkung - Traktoren: Kraftheberpaket mit Lageregler für die Arbeitsgeräte; Lenkhydraulik
- Forstmaschinen: Hydrostatische Fahr- und Arbeitsantriebe
- Nutzfahrzeuge: Kipphydraulik; Ladebordwände; Lenkhilfen (Servolenkung); Kupplungs- und Bremsenbetätigung; hydrostatischer Fahrantrieb an der Vorderachse (MAN)
- Panzer: Hydrostatische Überlagerungslenkung, Servohydraulische Richtantriebe für die Hauptwaffe
- Werkzeugmaschinen: Haupt- und Hilfsbewegungen an Pressen, Scheren und Abkantmaschinen; Vorschubbewegung an Schleifmaschinen, Betätigungsfunktionen wie Werkzeugwechsler, Werkstück- und Werkzeugspannung und Achsenklemmung an allen spanenden Werkzeugmaschinen.
- Metallurgie: Antriebe an Elektro- und Hubbalkenöfen; Stranggießanlagen; Chargier- und Kühlbetten
- Walzwerke: Walzspaltregelungen (Regelung der Dicke des gewalzten Materials mittels sog. hydraulischen Anstellzylindern); alle Hilfsbewegungen für die Zuführung des Walzgutes; Richt- und Scherantriebe;
- Stellantrieb: Elektrohydraulische Regelung von Fluiden (Druck, Durchfluß) in der Verfahrenstechnik, Kraftwerke, Pipelines
- Bergbau: Zylinder im Schreitausbau, hydrostatische Antriebe in Gewinnungsmaschinen und Vortriebsmaschinen
- allgemein: Hydraulikstempel zum Bewegen schwerer Lasten z.B. in der Baubranche zum Vorschub und Einbau von Brückenträgern und sonstigen schweren Fertigteilen, bei Schwerlasttransporten oder auch als Rettungsgerät bei THW und Feuerwehr.
[Bearbeiten] Beispiel hydraulische Handpresse
Mit der hydraulischen Presse kann mit geringer körperlicher Kraft eine große Kraftwirkung erzielt werden. Durch manuelles Pumpen am Pumpkolben (2) eines Kfz-Wagenheber kann am Presskolben (3) eine tonnenschwere Last gehoben werden.
Funktionsbeschreibung: Wird der Pumpkolben (2) nach unten gedrückt, schließt das Ventil (4) und das Ventil (5) öffnet, damit strömt Hydrauliköl in den Presszylinder. Der Presskolben (3) hebt sich. Wird der Pumpkolben nach oben bewegt, öffnet das Ventil (4) und das Ventil (5) schließt. Dadurch kann aus dem Vorratsbehälter (1) Hydrauliköl nachfließen. Wirkt auf den Pumpkolben mit einer Fläche von 1 cm² eine Kraft von 10 N, entspricht das einem Druck von
Weil der statische Druck in einer ruhenden Flüssigkeit an jeder Stelle gleich ist, wirkt auch auf jeden cm² im Presskolben der selbe Druck von 1 bar. Hat der Presskolben eine Fläche von 10 cm² wirkt auf ihn eine Kraft
[Bearbeiten] Schaltsymbole und Schaltungen
Ein Schaltplan ist der Plan einer hydraulischen Anlage. Die Bauteile sind durch genormte Symbole dargestellt. Diese Pläne sind Teil der zu jeder Anlage erforderlichen Dokumentation, wichtig insbesondere zum Erstellen und Warten der Anlage. Die Liste der Schaltzeichen (Fluidtechnik) enthält eine umfangreiche Aufstellung von Symbolen für Hydraulik und Pneumatik.
Schaltpläne können individuell, firmenspezifisch oder nach Normen (DIN ISO 1219) erstellt werden. Sie können Teile wie z.B. Arbeits- und Steuerschaltkreise, die Schritte des Arbeitsablaufs, die Bauteile der Schaltung mit ihrer Kennzeichnung sowie die Leitungen und Verbindungen darstellen. Die räumliche Anordnung der Bauteile wird in der Regel nicht berücksichtigt.
Ein Symbol zeigt ausschließlich die Funktion eines Bauteiles/Gerätes, es sagt nichts über den konstruktiven Aufbau und Einbaulage der Hydraulik-Komponenten aus. Symbole werden einfarbig dargestellt und im Normalfall werden sie unbetätigter, stromlos bzw. in Ausgangsstellung dargestellt.
Schematische Darstellung und Schaltplan einer einfachen Hydraulikanlage mit einem Zylinder
Eine umfangreiche Auflistung von Schaltzeichen für Speicher, Filter, Pumpen und Kompressoren, Zylinder und Ventile in der Hydraulik findet man in folgender Liste der Schaltzeichen (Fluidtechnik).
[Bearbeiten] Siehe auch
- Hydraulikflüssigkeit
- Fluidtechnik
- Pneumatik
- Strömungsgetriebe
- Wasserhydraulik
[Bearbeiten] Literatur
- D. Merkle, B. Schrader, M. Thomes: Hydraulik, Grundstufe. Festo Didactic GmbH & Co. KG. Esslingen 1997, ISBN 3-540-62091-5
- D. Merkle, K. Rupp, D. Scholz: Elektrohydraulik, Grundstufe. Festo Didactic GmbH & Co. KG. Esslingen 1997
- Der Hydraulik Trainer Band 1: Hydraulik. Grundlagen und Komponenten Bosch Rexroth AG didactic, ISBN 3-933698-30-8
