Hydraulik. Grundlagen der Hydraulik

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1 Hydraulik Unter Hydraulik versteht man im engeren Sinn die Anwendung der Druckenergie einer Druckflüssigkeit zur Übertragung von Kräften und zur Erzeugung von Bewegungen. Hydraulikflüssigkeiten sind nicht nur Energieträger, sondern auch Schmier- und Korrosionsschutzmittel. Als Druckflüssigkeiten werden vorwiegend Hydrauliköle auf ineralölbasis eingesetzt. In Anwendungsfällen, bei denen austretende Druckflüssigkeit eine Feuergefährdung bilden kann, z. B. im Bergbau, in Gießereien und Walzwerken, müssen schwer entflammbare Hydraulikflüssigkeiten eingesetzt werden. Hydrauliköle sind genormt in DIN 11002, 51524, 51525, Grundlagen der Hydraulik Systemeigenschaften und Einsatzbereiche Vorteile: 1. Übertragung großer Kräfte und Leistungen auf kleinem Raum. 2. Feinfühlige stufenlose Regelbarkeit von Geschwindigkeiten. 3. Problemlose Geschwindigkeitsregelung unter Last innerhalb eines großen Verstellbereichs. 4. Große Übersetzungsspanne bei Antrieben. 5. Ruhiger Lauf, rasche und weiche Bewegungsumkehr. 6. Einfacher und sicherer Überlastungsschutz. 7 Hohe Abschaltgenauigkeit (kleine Überlaufwege) beim Stoppen des Arbeitsglieds. 8. Hohe Lebensdauer und geringe Wartung der Anlagen dank Selbstschmierung der gleitenden Teile durch die Hydraulikflüssigkeit. Nachteile: 1. Änderung der Arbeitsgenauigkeit bei Ölviskositätsschwankungen infolge Temperaturänderung. 2. Dichtungsprobleme, vor allem bei hohen Betriebsdrücken und -temperaturen. 3. Löslichkeit von Luft in Hydraulikflüssigkeit. Entstehung von Luftblasen bei Druckabfall, dadurch Beeinträchtigung der Steuerungsgenauigkeit. 4. Führung der Hydraulikflüssigkeit in einem Kreislauf mit Kühler und Filter. Einsatzbereiche 1. Industriehydraulik: Kunststoffverarbeitungsmaschinen, Werkzeugmaschinen, Umformmaschinen, Hüttenund Walzwerke. 2. obilhydraulik: Bagger und Krane, Bau- und Landmaschinen, Kraftfahrzeugbau. 3. Schiffshydraulik: Ruderverstellung, Bordkrane, Bugpforten, Schottschieber. 4. Flugzeughydraulik: Fahrwerk und Ruderstellantriebe. EC 337

2 Hydraulische Grundschaltungen Aufbau eines Hydrauliksystems Der hydraulische Schaltplan zeigt den Aufbau eines Hydraulikkreislaufs. Die einzelnen Hydraulikgeräte sind durch genormte Bildzeichen (Symbole) dargestellt und durch Leitungslinien miteinander verbunden. Zunächst soll ein einfacher Hydraulikkreislauf gezeigt werden. Die Geräte sind nicht durch genormte Symbole, sondern schematisch so dargestellt, dass ihre Wirkungsweise noch zu erkennen ist (Bild EC 338.1). Die Pumpe saugt das Hydrauliköl aus dem Behälter und drückt es in das Leitungssystem mit den eingebauten Geräten. Das Öl strömt von P nach B durch das Wegeventil in den Hydrozylinder. Der belastete Kolben stellt für das Öl einen Widerstand dar. Der Druck steigt im Leitungsteil zwischen Pumpe und Kolben so lange an, bis die Kolbenkraft zum Überwinden der Belastung ausreicht. Bild EC 338.1: Einfacher Hydraulikkreislauf. Das Wegeventil wird durch eine Betätigungskraft in seiner Stellung gehalten. Der Kolben fährt in die obere Endlage. EC 338

3 Der Kolben bewegt sich auf die obere Endlage zu. Das dabei verdrängte Öl fließt über das Wegeventil von A nach T in den Behälter zurück. Das Wegeventil steuert also die Richtung des Ölstroms. Damit das System vor zu großer Belastung, vor zu hohem Druck, geschützt wird, ist in der Druckleitung hinter der Pumpe ein Druckbegrenzungsventil eingebaut. Es öffnet, wenn ein bestimmter aximaldruck erreicht ist und lässt dann einen Teil des Ölstroms in den Behälter abfließen. Der Druck steigt jetzt nicht mehr weiter an. Wenn der Kolben die obere Endlage erreicht hat, wird die Betätigungskraft aufgehoben und das Wegeventil durch Federkraft zurückgestellt. Der Ölstrom fließt jetzt von P nach A zur Stangenseite des Kolbens. Der Kolben bewegt sich nun auf die untere Endlage zu (Bild EC 339.1). Das Öl strömt über das Wegeventil von B nach T in den Behälter zurück. Durch Umschalten des Wegeventils in den Kolbenendlagen wird eine ständige hin- und hergehende Kolbenbewegung ermöglicht. Will man nicht nur die Bewegungsrichtung des Kolbens, sondern auch noch seine Geschwindigkeit steuern, dann muss die in den Zylinder einströmende oder die aus dem Zylinder abfließende Ölmenge geändert werden. Das lässt sich mit einem Drosselventil durchführen. Bild EC 339.1: Das Wegeventil wird durch Federkraft in seine Grundstellung geschoben. Der Kolben bewegt sich in die untere Endlage. EC 339

4 Wird beispielsweise der Ventilquerschnitt verringert, dann strömt in der Zeiteinheit weniger Öl in den Zylinder. Der Ölstrom ist kleiner als vor der Drosselung und die Kolbengeschwindigkeit wird gemäß der Kontinuitätsgleichung ebenfalls kleiner (v = Q/A). Die Kolbengeschwindigkeit ist dem Öltstrom proportional. Die Geschwindigkeitssteuerung erfolgt also durch eine Ölstromsteuerung. Die dazu eingesetzten Stromventile (Drosselventile) werden noch ausführlich besprochen. In Bild EC ist das Drosselventil im Zulauf zwischen Wegeventil und Zylinder eingebaut. Die Pumpe fördert einen konstanten Ölstrom. Das Drosselventil lässt aber nur einen kleineren Ölstrom durch. Das zuviel geförderte Öl muss über das Druckbegrenzungsventil abfließen. Die Hubgeschwindigkeit ist umso kleiner, je stärker gedrosselt wird. Bild EC 340.1: Die Hubgeschwindigkeit des Kolbens wird durch Drosselung des Ölstroms mit einem Drosselventil in der Zulaufleitung gesteuert. Schaltpläne einfacher Hydrauliksteuerungen Einzylindersteuerung Wie schon gesagt, wird ein Hydrauliksystem mit genormten Schaltzeichen dargestellt. Anstelle der schematischen Schnittzeichnungen in den Bildern EC bis EC 340.1, werden im folgenden Text Schaltzeichen nach DIN-ISO 1219 verwendet. In den nach- EC 340

5 folgenden einfachen Schaltplänen werden die wichtigsten Schaltzeichen vorgestellt. Die Bauelemente, die diese Schaltzeichen symbolisieren, werden später besprochen. Zylinder Drosselventil Rückschlagventil Druckbegrenzungsventil uskelkraftbetätigtes Wegeventil in Umlaufstellung Tank Pumpe Antriebsmotor Bild EC 341.1: Schaltplan einer einfachen Einzylindersteuerung. In Bild EC ist der im vorigen Abschnitt erläuterte Hydraulik-Kreislauf als Schaltplan wiedergegeben. Das Wegeventil ist handbetätigt. Im unbetätigten Zustand wird es durch Federkraft in der ittelstellung festgehalten, es ist federzentriert. In dieser Stellung ist ein fast druckloser Umlauf der Hydraulikflüssigkeit von der Pumpe zum Tank gewährleistet. Der Druck im Hydrauliksystem wird am Druckbegrenzungsventil eingestellt. Vom Systemdruck und von der Größe der Kolbenfläche ist die an der Kolbenstange verfügbare Kraft abhängig. Zweizylindersteuerungen Sollen in einer Hydraulikanlage zwei oder mehr Zylinder betrieben werden, so können damit verschiedene Forderungen verbunden sein, die durch unterschiedliche Schaltungen erfüllt werden können. Folgende Grundschaltungen werden für ehrzylindersteuerungen eingesetzt: Folgeschaltungen, Gleichlaufschaltungen, Serienschaltungen (Reihenschaltungen), Parallelschaltungen. Folgeschaltungen Hierzu gibt es zwei Schaltungsmöglichkeiten: Schaltung mit Folgeventilen, Schaltung mit Endschaltern (Grenztastern). EC 341

6 Endschalter 1 Endschalter 3 Endschalter 2 Endschalter 4 Zylinder 1 Zylinder 2 agnete Y1 Y2 Y3 Y4 Wegeventil 1 Wegeventil 2 Bild EC 342.1: Folgeschaltung mit Endschaltern und agnetventilen. Die Kolben fahren nacheinander aus und ein. Schaltung mit Endschaltern Bei der Schaltung mit Endschaltern betätigen die Kolbenstangen wegabhängig Endschalter, die dann über eine hier nicht dargestellte Relaisschaltung Steuerimpulse an die agnet-wegeventile geben. Bild EC zeigt den Schaltplan einer solchen Schaltung. Die Bewegungsvorgänge laufen im Einzelnen folgendermaßen ab: 1. Start: agnet Y1 unter Strom, Wegeventil 1 nach rechts, Kolben von Zylinder 1 nach rechts. 2. Endschalter 2 betätigt: agnet Y1 stromlos, agnet Y3 unter Strom, Wegeventil 2 nach rechts, Kolben von Zylinder 2 nach rechts. 3. Endschalter 4 betätigt: agnet Y3 stromlos. agnet Y2 unter Strom, Wegeventil 1 nach links, Kolben von Zylinder 1 nach links. 4. Endschalter 1 betätigt: agnet Y2 stromlos, agnet Y4 unter Strom, Wegeventil 2 nach links, Kolben von Zylinder 2 nach links. 5. Endschalter 3 betätigt: agnet Y4 stromlos, agnet Y1 unter Strom, Wegeventil 1 nach rechts, Kolben von Zylinder 1 nach rechts, usw. wie 2. Schaltung mit Folgeventilen Bild EC zeigt den Schaltplan. Die Folgeventile 1 und 2 sind Druckventile, die bei einem bestimmten einstellbaren Druck öffnen, sie werden daher auch Zuschaltventile genannt. Sie schließen wieder, wenn der Druck unter einen bestimmten Wert abfällt. Es ergibt sich folgender Bewegungsablauf: EC 342

7 Zylinder 1 Zylinder 2 Folgeventil 2 1 Druckbegrenzungsventil Rückschlagventil Wegeventil Bild EC 343.1: Folgeschaltung mit Folgeventilen (Zuschaltventilen). Wegeventil nach links: Die Kolbenseite von Zylinder 1 wird beaufschlagt, der Kolben fährt aus. Beim Anschlag des Kolbens steigt der Druck rasch auf den am Druckbegrenzungsventil eingestellten aximaldruck an. Folgeventil 2 wird durch den Druckanstieg geöffnet. Druckflüssigkeit strömt in den Zylinder 2, dessen Kolben daraufhin ebenfalls ausfährt. 2-Wege- Stromteiler Wegeventil Bild EC 343.2: Gleichlaufschaltung mit Stromteiler. Die Kolben fahren gleichzeitig aus und ein. EC 343

8 Wegeventil nach rechts. Die Stangenseite von Zylinder 2 wird beaufschlagt. Der Kolben fährt ein. Beim Anschlag öffnet der ansteigende Druck im Stangenraum Folgeventil 1. Zylinder 1 wird daraufhin angeströmt. Der Kolben fährt ebenfalls ein. Die Umschaltung des Wegeventils erfolgt durch Elektromagnete, die über hier nicht dargestellte Geber (Sensoren) und eine Relaisschaltung angesteuert werden. Gleichlaufschaltung Bei der in Bild EC dargestellten Steuerung sollen die Kolben der zwei Zylinder gleichzeitig aus- und einfahren. Der Gleichlauf wird durch ein Stromteilerventil erreicht. Der Flüssigkeitsstrom wird beim Ausfahren auf die Zylinder gleichmäßig aufgeteilt. (Wegeventil nach links). Beim Einfahren wird der Rücklauf-Ölstrom beider Zylinder im Stromteilerventil vereinigt. (Wegeventil nach rechts.) Das hier dargestellte Wegeventil ist handbetätigt und federzentriert. F G1 p A 1 A R1 v 1 F 1 Wegeventile A 2 A R2 v 2 F 2 v 1 A 2 p A 1 = F 1 + F G1 ; = v 2 A R1 Rücklaufleitung Rücklauffilter Druckbegrenzungsventil Bild EC Serienschaltung von zwei Hydrozylindern. Serienschaltung zweier Hydrozylinder Bild EC zeigt den Schaltplan von zwei hintereinander geschalteten Hydrozylindern. Die Rücklaufleitung wird nicht wie bei der Einzylindersteuerung in den Tank zurückgeführt, sondern zum Wegeventil des zweiten Zylinders weitergeleitet. Werden bei dieser Schaltung beide Zylinder gleichzeitig betrieben (Wegeventile nach rechts), dann tritt eine gegenseitige Beeinflussung von Kolbenkraft und Kolbengeschwindigkeit ein. Es ergeben sich folgende Verhältnisse: Der Systemdruck p, der auf die Kolbenfläche von Zylinder 1 wirkt, muss so groß sein, dass nicht nur die eigene Hubkraft F 1 erzeugt wird, sondern auch die vom Zylinder 2 ausgeübte Gegenkraft F G1 überwunden wird. Diese Gegenkraft entsteht dadurch, dass der zum Arbeiten von Zylinder 2 erforderliche Öldruck auf die Kolben-Ringfläche von Zylinder 1 zurückwirkt. EC 344

9 Die Ringfläche von Zylinder 1 verdrängt das Öl und fördert es zum Zylinder 2. Dessen Geschwindigkeit hängt also vom Rücklaufstrom des Zylinders 1 ab. it anderen Worten: Die Ausfahrgeschwindigkeit von Zylinder 1 verhält sich zur Ausfahrgeschwindigkeit von Zylinder 2 wie die Kolbenfläche von Zylinder 2 zur Ringfläche von Zylinder 1. Parallelschaltung von Hydrozylindern Im Gegensatz zur Serienschaltung tritt bei der Parallelschaltung keine gegenseitige Beeinflussung auf, wenn die Hydrozylinder gleichzeitig arbeiten. Bild EC zeigt den Schaltplan von drei parallel geschalteten Hydrozylindern. Die Ölversorgung erfolgt über eine Leitungsverzweigung. Bis zu den Wegeventilen herrscht der am Druckbegrenzungsventil eingestellte Systemdruck. Durch Betätigen des Druckknopfventils (Zweiwegeventil) kann er am anometer abgelesen werden. Es muss bei einer Parallelschaltung genügend Flüssigkeit zur Verfügung stehen, um den erforderlichen Systemdruck aufrecht zu erhalten, wenn die Zylinder gleichzeitig ausfahren sollen. Fördert die Pumpe zuwenig, dann fährt der Zylinder mit dem geringsten Arbeitswiderstand zuerst aus. Ist dieser Zylinder in der Endlage, steigt der Druck weiter, bis er für den nächsten Zylinder zum Ausfahren ausreicht. Die Zylinder fahren also in Abhängigkeit vom erforderlichen Arbeitsdruck aus. Zur Anpassung der Ölmenge an den Verbrauch ist eine Pumpe mit verstellbarem Förderstrom eingebaut. Die Verstellbarkeit ist im Symbol durch einen Pfeil gekennzeichnet. Der Förderstrom wird durch einen Verstellmotor geändert. Doppeltwirkende Zylinder Einfachwirkender Zylinder Wegeventile (4/3-Ventile) Wegeventile (3/2-Ventil) T T T anometer Verstellpumpe Bild EC 345.1: Parallelschaltung von Hydrozylindern. EC 345

10 Kolbenraum Wegeventil (3/2-Ventil) Stangenraum Stromregelventil Stromregelventil Gegenhalteventil Druckbegrenzungsventil p max p G Bild EC 346.1: Differenzialschaltung eines Hydrozylinders. Bild EC 346.2: Geschwindigkeitssteuerung mit Stromregelventil im Zulauf. Differenzialschaltung Bild EC zeigt den Schaltplan eines Hydrozylinders, dessen Stangenraum ständig mit Druckflüssigkeit beaufschlagt ist. Der Kolbenraum hingegen ist mit einem Wegeventil (3/2-Ventil) verbunden. an nennt diese Schaltung Differenzialschaltung, weil die an der Kolbenstange wirkende Kraft vom Verhältnis Kolbenfläche zu Stangenfläche (bzw. Ringfläche) abhängt. Die Differenzialschaltung wird eingesetzt, wenn der Kolben hydraulisch eingespannt und die Pumpe möglichst klein sein soll. Fährt nämlich der Kolben aus (agnet unter Strom, Wegeventil nach rechts), dann wird die von der Ringfläche verdrängte Flüssigkeit vor dem Wegeventil mit dem Pumpenförderstrom vereinigt und der Kolbenseite des Zylinders wieder zugeführt. Bei dieser Schaltung ergibt sich die von der Kolbenstange ausgeübte Kraft aus dem Produkt Druck mal Stangenfläche (Kolbenfläche minus Ringfläche). Beträgt das Verhältnis Kolbenfläche zu Stangenfläche 2:1, dann sind Vor- und Rücklaufgeschwindigkeit des Differenzialkolbens gleich groß. Geschwindigkeitssteuerungen Zur Geschwindigkeitssteuerung werden Stromventile eingesetzt. Stromventile sind Drosselventile oder Stromregelventile (Bild EC 346.2). Auf die Unterschiede dieser zwei Stromventilarten wird später noch eingegangen. Hier soll nur über ihre Anordnung in der Schaltung gesprochen werden. Es gibt zahlreiche öglichkeiten zur Geschwindigkeitssteuerung mit Stromventilen: zwei davon sollen hier gezeigt werden: die Primärsteuerung und die Sekundärsteuerung. Weitere öglichkeiten werden bei den Stromregelventilen noch vorgestellt. EC 346

11 Bei der Primärsteuerung sitzt das Stromventil im Zulauf zwischen Wegeventil und Zylinder. Es steuert die zuströmende Druckflüssigkeit. Bild EC zeigt den Schaltplan. Das Schaltzeichen symbolisiert ein Zweiwege-Stromregelventil. Parallel dazu ist ein Rückschlagventil geschaltet, das den Zulaufstrom sperrt und den Rücklaufstrom durchlässt. Es bewirkt also, dass der Flüssigkeitsstrom nur im Vorlauf aber nicht im Rücklauf durch das Stromventil fließt. Gesteuert wird hier nur die Ausfahrgeschwindigkeit des Kolbens. Soll auch die Einfahrgeschwindigkeit gesteuert werden, dann müssen, wie Bild EC 347.1a zeigt, zwei Stromventile eingebaut werden. Stromventil 1 drosselt den Zulaufstrom beim Ausfahren und Stromventil 2 den Zulaufstrom beim Einfahren. Die Ströme sind unabhängig voneinander einstellbar. Die Primärsteuerung hat den Nachteil, dass bei plötzlich abfallendem Arbeitswiderstand der Kolben springt. Bei negativem Arbeitswiderstand, wenn also an der Kolbenstange eine Zugkraft wirkt, ist die Primärsteuerung nur dann anwendbar, wenn ein Druckventil zur Aufrechterhaltung des notwendigen Gegendrucks zwischen Wegeventil und Tank angeordnet wird (Gegenhalteventil) (Bild EC 346.2). Diesen Nachteil hat die Sekundärsteuerung nicht. Ein Gegenhalteventil ist hier nicht nötig, weil der Rücklaufstrom gedrosselt wird. a) b) 1 2 ohne Gegenhalteventil Bild EC 347.1: Steuerung der Aus- und Einfahrgeschwindigkeit: a) durch Drosselung des Zulaufs (Primärsteuerung), b) durch Drosselung des Rücklaufs (Sekundärsteuerung). In Bild EC 347.1b ist der Schaltplan einer Sekundärsteuerung dargestellt. Ausfahrgeschwindigkeit und Einfahrgeschwindigkeit sind unabhängig voneinander steuerbar. Die Schaltpläne a) und b) unterscheiden sich dadurch, dass die Stromventile und die Rückschlagventile in umgekehrter Richtung eingezeichnet sind. Außerdem fehlt das Gegenhalteventil. EC 347

12 Konstantpumpen Das geometrische Verdrängungsvolumen V H (Hubvolumen) ist nicht verstellbar. Bei n = konst ist Q konst. a) Außenverzahnte Zahnradpumpen Sinnbild Bild 348.1: Schema einer außenverzahnten Zahnradpumpe. Prinzip: Die von der Saugseite auf die Druckseite geförderte Flüssigkeit wird durch das Ineinandergreifen der Zähne wechselseitig aus den Lücken verdrängt (Bild EC 348.1). Vorteile Preiswerte Standardpumpe. Wirkungsgrad hoch. Zu ehrstrompumpen zusammenflanschbar. Nachteile Geräuschpegel hoch durch großen Ungleichförmigkeitsgrad (günstiger bei Duo-Pumpen). Anwendung: In offenen Kreisläufen in Industrie- und obilhydraulik. Übliche Betriebsdaten: VH 3 cm / U pmax bar Q -1 l/min bei 1500 min K t max % 0,04 bis 1200 bis 450 bis b) Innenverzahnte Zahnradpumpen Prinzip: Ritzelwelle (1) wird angetrieben (Bild EC 349.1) und nimmt das Hohlrad (2) mit. Die Zahnkammern des Ritzels füllen sich saugseitig; Saug- und Druckzone werden durch das Füllstück getrennt; druckseitig wird das Fluid durch das Hohlrad hindurch verdrängt. Vorteile Geräuschpegel geringer als bei Außenverzahnung. Wirkungsgrad sehr hoch. Zu ehrstrompumpen zusammenflanschbar. Nachteile Teurer als außenverzahnte Zahnradpumpe. EC 348

13 1 Ritzelwelle 2 Hohlrad 3 Füllstückstift 4 Füllstück 5 Hydrostatisches Lager 6 Sauganschluss 7 Druckanschluss Bild EC 349.1: Schema einer innenverzahnten Zahnradpumpe. Anwendung: In offenen Kreisläufen in obil- und Industriehydraulik bei erhöhter Anforderung an Laufruhe im Vergleich zur Außenzahnradpumpe. Übliche Betriebsdaten: VH 3 cm / U pmax bar 0,4 bis bis Q -1 l/min bei 1500 min K t max % c) Schraubenpumpen Prinzip: Die miteinander kämmenden Spindeln bilden mit dem Gehäuse Ölkammern, die bei Rotation der Spindeln vom Saug- zum Druckstutzen bewegt werden. (Bild EC 349.2) Bild EC 349.2: Schema einer Schraubenpumpe. Vorteile: Pulsationsfreier Förderstrom. Niedriger Geräuschpegel. Nachteile Relativ niedriger Wirkungsgrad durch hohe volumetrische Verluste. Daher hohe Ölviskosität erforderlich. Anwendung: Im offenen Kreislauf in der Industriehydraulik, z.b. bei Präzisionsbewegungen an Werkzeugmaschinen und bei hydraulischen Aufzügen. Für große Förderströme. EC 349

14 Übliche Betriebsdaten: VH 3 cm / U pmax bar Q -1 l/min bei 1500 min K t max % 2 bis bis d) Flügelzellenpumpen Prinzip: Die in Schlitzen im Rotor beweglichen Flügel werden durch Fliehkraft und durch Druck an die Gehäusewand gedrückt (Bild EC 350.1). Die Zellen vergrößern sich bei Verbindung mit dem Sauganschluss und verkleinern sich bei Verbindung mit dem Druckanschluss. Bild EC 350.1: Schema einer Flügelzellenpumpe. Vorteile Geringe Förderstrom- und Druckpulsation. Geringer Geräuschpegel. Zu ehrstrompumpen zusammenflanschbar. Nachteile Wirkungsgrad kleiner als bei Zahnradpumpen. Schmutzempfindlicher als Zahnradpumpen. Anwendung: Im offenen Kreislauf in Industrie- und obilhydraulik bei niedrigem und mittlerem Druck. Übliche Betriebsdaten: VH 3 cm / U pmax bar pmax bar -1 l/min bei 1500 min 1 bis bis bis Q K t max % EC 350

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