Grundstufe 2., aktualisierte Auflage

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1 D. Merkle B. Schrader M. Thomes Hydraulik Grundstufe., aktualisierte Auflage 13

2 Bestell-Nr.: Benennung: HYDRAUL.LEHRB. Bezeichnung: D:LB-501-DE Stand: 11/003 Autoren: D. Merkle, B. Schrader, M. Thomes Grafik: Doris Schwarzenberger Layout: , Melanie Heinrich, Verena Fuchs Festo Didactic GmbH & Co. KG, Denkendorf, 003 Internet: Weitergabe sowie Vervielfältigung dieses Dokuments, Verwertung und Mitteilung seines Inhalts verboten, soweit nicht ausdrücklich gestattet. Zuwiderhandlungen verpflichten zu Schadenersatz. Alle Rechte vorbehalten, insbesondere das Recht, Patent-, Gebrauchsmuster- oder Geschmacksmusteranmeldungen durchzuführen.

3 Inhalt 1 Aufgaben einer Hydraulikanlage Stationär-Hydraulik 8 1. Mobil-Hydraulik Hydraulik im Vergleich 11 Physikalische Grundlagen der Hydraulik 13.1 Druck 13. Druckfortpflanzung 18.3 Kraftübersetzung 19.4 Wegübersetzung 1.5 Druckübersetzung 3.6 Volumenstrom 5.7 Kontinuitätsgleichung 6.8 Druckmessung 30.9 Temperaturmessung Volumenstrommessung Strömungsarten 31.1 Reibung, Wärme, Druckabfall Energie und Leistung Kavitation Drosselstellen 53 3 Druckflüssigkeit Aufgaben von Druckflüssigkeiten Arten von Druckflüssigkeiten Eigenschaften und Anforderungen Viskosität 60 4 Bestandteile einer Hydraulikanlage Energieversorgungsteil Druckflüssigkeit Ventile Zylinder (Linearantriebe) Motoren (Rotationsantriebe) 71 Festo Didactic GmbH & Co. KG TP 501 3

4 Inhalt 5 Symbole und Bildzeichen Pumpen und Motoren Wegeventile Betätigungsarten Druckventile Stromventile Sperrventile Zylinder Energieübertragung und Aufbereitung Messgeräte Gerätekombination 83 6 Aufbau und Darstellung einer Hydraulikanlage Signalsteuerteil Energieversorgungsteil Lageplan Schaltplan Technische Angaben bei den Geräten Funktionsdiagramm Funktionsplan 95 7 Bestandteile des Energieversorgungsteils Antrieb Pumpe Kupplung Behälter Filter Kühler Heizung 1 8 Ventile Nenngröße Bauart Sitzventile Schieberprinzip Kolbenüberdeckung Steuerkanten Festo Didactic GmbH & Co. KG TP 501

5 Inhalt 9 Druckventile Druckbegrenzungsventile (DBV) Druckregelventile (DRV) Wegeventile /-Wegeventil /-Wegeventil /-Wegeventil /3-Wegeventil Sperrventile Rückschlagventil Entsperrbares Rückschlagventil Entsperrbares Doppelrückschlagventil Stromventile Drossel- und Blendenventile Drosselrückschlagventil Stromregelventile Hydrozylinder Einfachwirkende Zylinder Doppeltwirkende Zylinder Endlagendämpfung Dichtungen Befestigungsarten Entlüftung Kenndaten Knicksicherheit Auswahl eines Zylinders Hydromotoren 11 Festo Didactic GmbH & Co. KG TP 501 5

6 Inhalt 15 Zubehör Schlauchleitungen Rohrleitungen Anschlussplatten Entlüftungsventile Druckmessgerät Drucksensoren Durchflussmessgerät Anhang 33 6 Festo Didactic GmbH & Co. KG TP 501

7 1. Aufgaben einer Hydraulikanlage Was versteht man unter Hydraulik? Hydraulische Anlagen werden in modernen Produktionsanlagen und Fertigungseinrichtungen eingesetzt. Unter Hydraulik versteht man das Erzeugen von Kräften und Bewegungen durch Druckflüssigkeiten. Dabei sind die Druckflüssigkeiten das Energieübertragungsmedium. Ziel dieses Buches ist es, dass Sie mehr über Hydraulik und ihre Einsatzgebiete erfahren. Mit dem letzten Punkt wird begonnen, und zwar mit einer Zusammenstellung der Hydraulik-Einsatzgebiete. Den Stellenwert der Hydraulik in der (modernen) Automatisierungstechnik zeigt die Vielzahl der Einsatzgebiete. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen: Stationär-Hydraulik Mobil-Hydraulik Die Mobil-Hydraulik bewegt sich z. B. auf Rädern oder Ketten, im Gegensatz zur Stationär-Hydraulik, die fest an einen Ort gebunden ist. Charakteristisches Merkmal der Mobil-Hydraulik ist, dass die Ventile häufig direkt mit der Hand betätigt werden. Dagegen werden bei der Stationär-Hydraulik vorwiegend elektromagnetische Ventile verwendet. Weiterhin gibt es die Bereiche Schiffs-, Bergbau- und Flugzeugtechnik. Die Flugzeughydraulik nimmt eine Sonderstellung ein, weil dort Sicherheitsmaßnahmen von großer Bedeutung sind. Zur Verdeutlichung der Aufgaben, die von Hydraulikanlagen übernommen werden können, sind auf den nächsten Seiten einige typische Anwendungsbeispiele gezeigt Festo Didactic GmbH & Co. KG TP 501 7

8 1. Aufgaben einer Hydraulikanlage 1.1 Stationär-Hydraulik In der Stationär-Hydraulik sind folgende Einsatzgebiete von Bedeutung: Fertigungs- und Montagemaschinen aller Art Transferstraßen Hub- und Förderzeuge Pressen Spritzgussmaschinen Walzstraßen Aufzüge Ein typisches Einsatzgebiet ist der Werkzeugmaschinenbau. Drehmaschine Bei modernen CNC-gesteuerten Werkzeugmaschinen werden Werkzeuge und Werkstücke hydraulisch gespannt. Vorschübe und Spindelantrieb können ebenfalls hydraulisch ausgeführt werden. 8 Festo Didactic GmbH & Co. KG TP 501

9 1. Aufgaben einer Hydraulikanlage Presse mit Hochbehälter Festo Didactic GmbH & Co. KG TP 501 9

10 1. Aufgaben einer Hydraulikanlage 1. Mobil-Hydraulik Einsatzgebiete der Mobil-Hydraulik sind: Baumaschinen Kipper, Greifarme, Ladebühnen Hebe- und Förderzeuge Landwirtschaftliche Maschinen In der Baumaschinenindustrie findet die Hydraulik in vielfältiger Weise Anwendung. Bei einem Bagger z. B. erfolgt neben der Erzeugung aller Arbeitsbewegungen (Heben, Greifen, Schwenken, usw.) auch der Fahrantrieb hydraulisch. Die geradlinigen Arbeitsbewegungen werden durch Linearantrieb (Zylinder) und die Drehbewegungen durch Rotationsantriebe (Motoren, Schwenkantriebe) erzeugt. Mobil-Hydraulik 10 Festo Didactic GmbH & Co. KG TP 501

11 1. Aufgaben einer Hydraulikanlage 1.3 Hydraulik im Vergleich Es gibt neben der Hydraulik weitere Techniken, mit deren Hilfe in der Steuerungstechnik Kräfte, Bewegungen und Signale erzeugt werden: Mechanik Elektrik Pneumatik Dabei ist zu berücksichtigen, dass jede Technik ihre bevorzugten Einsatzmöglichkeiten hat. Um dies zu verdeutlichen, wird in der Tabelle auf der folgenden Seite ein Vergleich von typischen Daten der drei am meisten eingesetzten Techniken Elektrik, Pneumatik mit Hydraulik durchgeführt. Daraus ergeben sich wesentliche Vorzüge der Hydraulik: Übertragung großer Kräfte bei Einsatz kleiner Bauelemente, d. h. große Leistungsdichte exaktes Positionieren Anfahren aus dem Stillstand unter Höchstlast gleichmäßige, lastunabhängige Bewegung, da Flüssigkeiten kaum komprimierbar sind und Regelventile eingesetzt werden können weiches Arbeiten und Umschalten gute Steuer- und Regelbarkeit günstige Wärmeabfuhr Im Vergleich mit anderen Techniken weist die Hydraulik folgende Nachteile auf: Verschmutzung der Umgebung durch Lecköl (Brandgefahr, Unfallgefahr) Schmutzempfindlichkeit Gefahr durch hohe Drücke (Schneidstrahl) Temperaturabhängigkeit (Viskositätsänderung) ungünstiger Wirkungsgrad Festo Didactic GmbH & Co. KG TP

12 1. Aufgaben einer Hydraulikanlage Elektrik Hydraulik Pneumatik Leckagen Verschmutzung keine Nachteile außer Energieverlust Umwelteinflüsse Explosionsgefahr in bestimmten Bereichen, temperaturunempfindlich empfindlich bei Temperaturschwankung, Brandgefahr bei Leckagen explosionssicher, temperaturempfindlich Energiespeicherung schwierig, nur in kleinen Mengen mit Batterien begrenzt, mit Hilfe von Gasen leicht Energietransport unbegrenzt, mit Energieverlust bis 100 m Strömungsgeschwindigkeit v = 6 m/s, bis 1000 m Strömungsgeschwindigkeit v = 0 40 m/s, Signalgeschwindigkeit bis 1000 m/s Signalgeschwindigkeit 0 40 m/s Arbeitsgeschwindigkeit v = 0,5 m/s v = 1,5 m/s Energieversorgungskosten gering hoch sehr hoch 0,5 : 1 :,5 Linearbewegung schwierig und teuer, kleine Kräfte, Regelung der Geschwindigkeit nur mit großem Aufwand einfach mit Zylindern, gute Regelbarkeit der Geschwindigkeit, sehr große Kräfte einfach mit Zylindern, begrenzte Kräfte, Geschwindigkeit stark lastabhängig Rotationsbewegung einfach und leistungsfähig einfach, hohe Drehmomente, niedrige Drehzahl einfach, nicht leistungsfähig, hohe Drehzahl Positioniergenauigkeit Genauigkeit bis ±1 mm und besser erreichbar Je nach Aufwand können Genauigkeiten von ±1 mm erzielt werden ohne Lastwechsel möglich bis 1/10 mm Steifigkeit sehr gute Werte durch mechanische Zwischenglieder erreichbar gut, da Öl annähernd inkompressibel ist, außerdem ist das Druckniveau wesentlich höher als in der Pneumatik schlecht, Luft ist kompressibel Kräfte nicht überlastbar, schlechter Wirkungsgrad durch nachgeschaltete mechanische Glieder, sehr hohe Kräfte realisierbar überlastsicher, bei großem Systemdruck bis 600 bar können sehr große Kräfte erzeugt werden F < 3000 kn überlastsicher, Kräfte begrenzt durch Luftdruck und Zylinderdurchmesser F < 30 kn bis 6 bar 1 Festo Didactic GmbH & Co. KG TP 501

13 T 3T. Physikalische Grundlagen der Hydraulik.1 Druck Hydraulik ist die Lehre von Kräften und Bewegungen, die durch Flüssigkeiten übertragen werden. Sie ist der Hydromechanik zuzuordnen. Dabei unterscheidet man die Hydrostatik Kraftwirkung durch Druck mal Fläche und die Hydrodynamik Kraftwirkung durch Masse mal Beschleunigung. Hydromechanik Flüssigkeitsdruck (Hydrostatischer Druck) Unter dem hydrostatischen Druck versteht man den Druck, der im Inneren einer Flüssigkeit durch das Gewicht der Flüssigkeitsmasse über einer Höhe entsteht: = h ρ g ptst = Hydrostatischer Druck (Schweredruck) [Pa] ptst h = Höhe der Flüssigkeitssäule [m] ρ = Dichte der Flüssigkeit [kg/mt ] g = Erdbeschleunigung [m/st ] Festo Didactic GmbH & Co. KG TP

14 T 3T T T T 3T T T. Physikalische Grundlagen der Hydraulik Der hydrostatische Druck wird laut internationalem Einheitensystem SI in Pascal und bar angegeben. Die Höhe der Flüssigkeitssäule erhält die Einheit Meter, die Dichte der Flüssigkeit Kilogramm pro Kubikmeter und die Erdbeschleunigung Meter pro Sekunde im Quadrat. Der hydrostatische Druck, oder kurz Druck genannt, ist unabhängig von der Form des Gefäßes. Er ist nur von der Höhe und Dichte der Flüssigkeitssäule abhängig. Hydrostatischer Druck Turm: h = 300 m ρ = 1000 kg/mt g = 9,81 m/st = 10 m/st kg m m kg m = h ρ g = 300 m 1000 ptst 3 10 = m s m 3 s = Pa = 30 bar ptst N = m Stausee: h = 15 m 3T ρ = 1000 kg/mt g = 9,81 m/st = 10 m/st kg m m kg m = h ρ g = 15 m 1000 ptst 3 10 = m s m 3 s = Pa = 1,5 bar ptst N = m Hochbehälter: h = 5 m ρ = 1000 kg/mt g = 9,81 m/st = 10 m/st kg m m kg m = h ρ g = 5 m 1000 ptst 3 10 = m s m 3 s = Pa = 0,5 bar ptst N = m 14 Festo Didactic GmbH & Co. KG TP 501

15 T 5T. Physikalische Grundlagen der Hydraulik Jeder Körper übt auf seine Unterlage einen bestimmten Druck p aus. Die Größe des Drucks ist abhängig von der Gewichtskraft F des Körpers und von der Größe der Fläche A auf die die Gewichtskraft wirkt. F F A 1 A Kraft, Fläche In der Abbildung sind zwei Körper mit unterschiedlichen Grundflächen (AT1T und ATT) dargestellt. Bei gleicher Masse der Körper wirkt auf die Unterlage die gleiche Gewichtskraft (F), aber der Druck ist wegen der unterschiedlichen Grundflächen verschieden. Bei kleiner Grundfläche entsteht bei gleicher Gewichtskraft ein größerer Druck als bei größerer Grundfläche (Bleistifteffekt). Dieser Sachverhalt wird durch folgende Formel ausgedrückt: F p = A N Einheit: 1 Pa = 1 m N 1 bar = = 10T Pa m p = Druck Pascal [Pa] kg m F = Kraft Newton [N] 1 N = 1 s A = Fläche Quadratmeter [mt ] Durch Umstellen ergeben sich die Formeln zur Berechnung der Kraft sowie der Fläche. Festo Didactic GmbH & Co. KG TP

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