Inhaltsverzeichnis. Fluidtechnik. Minos

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2 Minos Fluidtechnik Inhaltsverzeichnis 2 Hydraulik Einleitung Vor- und Nachteile der Hydraulik Einsatzbereiche der Hydraulik Aufbau einer Hydraulikanlage Hydraulikaggregate Hydraulikbehälter Druckbegrenzungsventil Filter Hydraulikflüssigkeiten Viskosität Weitere Eigenschaften der Hydraulikflüssigkeiten Fremdstoffe, Luft und Wasser in der Hydraulikflüssigkeit Umweltschutz Hydraulikpumpen Zahnradpumpen Schraubenpumpen Flügelzellenpumpen Reihenkolbenpumpen Radialkolbenpumpen Axialkolbenpumpen Zylinder und Motoren Einfachwirkende Zylinder Doppeltwirkende Zylinder Befestigung der Zylinder Hydraulikmotore Rohr- und Schlauchleitungen Wegeventile Bezeichnung der Wegeventile Überdeckung der Schaltstellungen Betätigungen von Wegeventilen Sperrventile Druckventile Druckbegrenzungsventile Druckminderventile Stromventile Drosselventile Stromregelventile Stromteiler Hydrospeicher Aufgaben der Hydrospeicher Kolbenspeicher Blasen- und Membranspeicher Befüllen von gasbeaufschlagten Hydrospeichern

3 Fluidtechnik Minos 2 Hydraulik 2.1 Einleitung In der Hydraulik werden als Übertragungsmedium Flüssigkeiten verwendet. Der Begriff Hydraulik wird auf das griechische Wort hydor, das Wasser, zurückgeführt. Obwohl auch Wasser verwendet werden kann, so wird doch hauptsächlich Öl als Medium eingesetzt. Unterschieden wird die Hydraulik in die Bereiche Hydrodynamik und Hydrostatik. Bei der Hydrodynamik wird vorallem die Strömungsenergie des Übertragungsmediums genutzt. Es treten dabei nur relativ geringe Drücke auf. Da die Strömungsenergie eine kinetische Energie ist, wird auch der Begriff Hydrokinetik verwendet. Ein Beispiel für die Anwendung ist die Wandlung von Drehmomenten und Drehzahlen in Strömungsgetrieben. Im Gegensatz dazu wird bei der Hydrostatik der Druck der Flüssigkeit in einem geschlossenen Raum ausgenutzt. Dabei ruht die Hydraulikflüssigkeit oder sie bewegt sich mit nur geringer Geschwindigkeit. Ein typisches Beispiel ist die Erzeugung des Druckes in einer Pumpe und das Umsetzen des Druckes in eine Kraft in einem Zylinder. Gesteuert wird der Druck über Ventile. Diese werden von Hand oder elektrisch betätigt. Besondere Anforderungen an die Sicherheit wird beim Einsatz der Hydraulik in Flugzeugen gestellt Vor- und Nachteile der Hydraulik Die Hydraulik ist eine von mehreren Energieformen, die in der Industrie eingesetzt werden. Sie soll hier mit der Pneumatik und der Elektrik, aber auch mit mechanischen Geräten verglichen werden. In der Hydraulik sind große Kräfte und Momente möglich obwohl die Bauteile nur geringe Abmessungen und Massen haben. Es lassen sich sehr einfach geradlinige Bewegungen erzeugen. Ein Anfahren unter Last ist aus dem Stillstand heraus möglich. Geschwindigkeiten und Drehzahlen können stufenlos in weiten Bereichen geändert werden. Die Bewegungsrichtungen lassen sich leicht umkehren. Mit Druckmessgeräten können die Kräfte einfach angezeigt werden. Überlastungen können durch Druckbegrenzungsventile vermieden werden. Die einzelnen Komponenten können räumlich getrennt angeordnet werden, wobei die Verbindung durch flexible Schläuche erfolgt. Ein Einbinden in eine elektrische Steuerung oder Regelung ist einfach möglich. 3

4 Minos Fluidtechnik Den Vorteilen stehen aber auch Nachteile gegenüber: Es werden hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Bauteile gestellt. Die Kosten dafür sind entsprechend hoch. Verschmutzungen in den Hydraulikflüssigkeiten müssen durch Filterungen vermieden werden. Die Hydraulikflüssigkeiten müssen über Rückleitungen und Leckölleitungen zum Tank zurückgeführt werden. Bei unterschiedlichen Temperaturen ist die Viskosität der Hydraulikflüssigkeit unterschiedlich hoch. Ein Kühlen der Hydraulikflüssigkeit ist oftmals erforderlich. Wegen der hohen Viskosität der Hydraulikflüssigkeiten ist ein Transport über längere Leitungen ungünstig. In der Hydraulikflüssigkeit kann Luft gelöst sein. Entstehen daraus Luftblasen, so führt das zu ungleichförmigen Bewegungen. Hydrauliköle können brennbar sein. Tritt Hydrauliköl durch Undichtigkeiten aus, so können daraus Gefährdungen entstehen. Ein Speichern der Druckenergie ist schwierig Einsatzbereiche der Hydraulik Die Hydraulik wird in vielen Bereichen eingesetzt. In der Industrie wird die Hydraulik in Werkzeugmaschinen für Vorschübe und Spindelantriebe verwendet. Bei Spritzgießmaschinen für die Kunststoffverarbeitung werden die Formen hydraulisch geöffnet und geschlossen und der Kunststoff eingepressten. In Pressen werden mit der Hydraulik sehr große Kräfte erzeugt. Im Gegensatz zu diesen stationären Einsatzfällen wird die Mobilhydraulik in beweglichen Maschinen eingesetzt. Viele Baumaschinen verfügen über hydraulische Antriebe. Das betrifft aber nicht nur die Arbeitsfunktionen. Auch für die Fahrantriebe kommen hydraulische Antriebe zum Einsatz. Aber auch viele landwirtschaftliche Fahrzeuge verfügen über hydraulische Antriebe. So werden Arbeitsgeräte in bestimmte Positionen gebracht oder Zusatzgeräte angetrieben. Spezielle Anwendungsgebiete für die Hydraulik sind die Schiffshydraulik und die Flugzeughydraulik. 4

5 Fluidtechnik Minos Aufbau einer Hydraulikanlage Die Hydraulikanlagen können sehr unterschiedlich aufgebaut sein. Sie bestehen jedoch alle aus den gleichen Grundbausteinen. Im Hydraulikaggregat wird durch eine Pumpe ein Druck aufgebaut und ein Volumenstrom erzeugt. Bei zu hohen Drücken öffnet das Druckbegrenzungsventil und lässt den Volumenstrom zu Tank zurückfließen. Die mechanische Energie wird in Druckenergie umgewandelt. Der erzeugte Volumenstrom wird anschließend durch Wegeventile beeinflusst. Die Wegeventile beeinflussen die Bewegungsrichtung von Zylindern oder die Drehrichtung von Hydraulikmotoren. Die Kraft des Zylinders wird durch Druckventile bestimmt. Je höher der Druck ist, desto höher ist auch die Kraft des Zylinders. Mit Stromventilen wird der Volumenstrom verändert. Im einfachsten Fall werden Drosseln verwendet. Mit dem Volumenstrom ändert sich die Geschwindigkeit des Antriebs. Sperrventile sorgen dafür, dass der Volumenstrom nur in eine Richtung strömen kann. Die Wirkung von Drosseln kann so auf eine Durchströmrichtung beschränkt werden. In den Zylindern wird schließlich die Druckenergie wieder in mechanische Energie zurückverwandelt. Bild 1: Hydraulikanklage (Bild: BoschRexroth) 5

6 Minos Fluidtechnik 2.2 Hydraulikaggregate Die Druckenergie wird durch das Hydraulikaggregat bereitgestellt. Es besteht aus mehreren Komponenten, die alle an fast jedem Hydraulikaggregat zu finden sind. Mit der Pumpe wird die Hydraulikflüssigkeit angesaugt und gefördert. Dabei ist darauf zu achten, dass in der Saugleitung kein zu großer Unterdruck entsteht. In diesem Fall würden aus der Flüssigkeit Gasblasen austreten und an Stellen mit einem höheren Druck wieder schlagartig in sich zusammenfallen. Dieser Vorgang wird als Kavitation bezeichnet. Die dabei entstehenden Druckstösse können dabei bis zur Zerstörung der Pumpe führen und werden als Korrosion sichtbar. In stationären Anlagen wird die Pumpe mit einem Elektromotor angetrieben. Dagegen erfolgt der Antrieb bei mobilen Anlagen häufig mit einem Verbrennungsmotor. Die Pumpen selbst gibt es in einer großen Anzahl von Bauarten. Häufig werden Zahnradpumpen eingesetzt. Diese fördern bei einer bestimmten Drehzahl einen konstanten Volumenstrom. Bei anderen Pumpen ist der Volumenstrom verstellbar. Manche Pumpenbauarten können den Volumenstrom nicht selbst ansaugen. Sie müssen dann unterhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordnet werden oder es wird eine Zahnradpumpe vorangeschaltet. Pumpe Bild 2: Hydraulikaggregat 6

7 Fluidtechnik Minos Zahnradpumpen Die Zahnradpumpen werden unterschieden in Außenzahnradpumpen und Innenzahnradpumpen. Die häufigere Bauform ist dabei die Außenzahnradpumpe. Der Aufbau der Außenzahnradpumpe ist einfach. Die Pumpe ist robust und relativ unempfindlich gegenüber Schmutz. Sie kann in einem großen Drehzahl- und Viskositätsbereich eingesetzt werden und ist darüberhinaus relativ preiswert. Zahnradpumpen haben allgemein einen konstanten Volumenstrom pro Umdrehung. Dieser kann somit nur über eine Änderung der Drehzahl verändert werden. Vorallem bei hohen Drücken verringert sich der Volumenstrom geringfügig, was seine Ursache in Undichtigkeiten hat. Die Außenzahnradpumpen enthalten zwei Zahnräder, die in einem Gehäuse angeordnet sind und sich gegeneinander drehen. Die Hydraulikflüssigkeit wird zwischen den Zähnen und der Gehäusewand zum Druckanschluss gefördert. In der Mitte greifen die Zähne der Zahnräder ineinander und verhindern ein Zurückströmen der Flüssigkeit. Bild 3: Zahnradpumpe (Bild: BoschRexroth) 17

8 Minos Fluidtechnik Zwischen den Zähnen wird jedoch eine geringe Menge der Hydraulikflüssigkeit eingeschlossen. Da sich beim Ineinandergreifen der Zähne dieser Raum noch weiter verkleinert, baut sich in dieser eingeschlossenen Flüssigkeit ein hoher Druck auf. Um dies zu vermeiden, wird das sogenannte Quetschöl über kleine Kanäle der Druckseite mit zugeführt. Damit wird auch ein leiserer und weicherer Lauf der Pumpe erreicht. Von den Seiten her drücken Dichtungen auf die Zahnräder. Die Kraft zum Andrücken wird dadurch erreicht, dass die Dichtungen von außen mit Druck vom Ausgang der Pumpe her beaufschlagt werden. Mit steigendem Ausgangsdruck steigt so auch die Anpresskraft der Dichtungen. Durch dieses Konstruktionsprinzip ist auch festgelegt, welcher der beiden Anschlüsse die Ansaugseite und welcher die Druckseite ist. Die Förderrichtung kann also nicht vertauscht werden, wie dies vom grundlegenden Aufbau her zunächst anzunehmen sein könnte. Die bei den Pumpen auftretenden Undichtigkeiten bestimmen den volumetrischen Wirkungsgrad. Dieser beschreibt die tatsächlich geförderte Menge im Verhältnis zur theoretisch möglichen Menge. Die Reibung in der Pumpe wird durch den mechanischen Wirkungsgrad berücksichtigt. Ein Nachteil von Außenzahnradpumpen besteht in den Pulsationen, die beim Fördern in der Flüssigkeit auftreten und den dabei entstehenden Geräuschen. Die Ursache dafür liegt darin, dass die Zahnzwischenräume nacheinander freigegeben werden. Diese Pulsationen können etwas abgeschwächt werden, indem zwei Pumpen so zusammengebaut sind, dass ihre Zähne gerade um einen halben Zahn versetzt sind. Es können auch schrägverzahnte Zahnräder eingesetzt werden. Dabei treten allerdings axiale Kräfte auf, die von entsprechenden Lagern aufgenommen werden müssen. Bei den innenverzahnten Pumpen befinden sich zwei verschieden große Zahnräder ineinander. Beim größeren Zahnrad sind die Zähne nach innen gerichtet. Das kleinere Zahnrad ist so angeordnet, dass es an einer Stelle in die Zähne des anderen Zahnrades eingreift. Gegenüber dieser Stelle befindet sich somit ein sichelförmiger Raum, der teilweise von einem feststehenden Körper ausgefüllt ist. Dieser ebenfalls sichelförmige Körper dichtet die Zahnzwischenräume gegeneinander ab. Werden die Zahnräder gedreht, so bildet sich zwischen den beiden Zahnrädern ein Raum, der sich mit der Drehung vergrößert. Dieser Raum wird mit der Hydraulikflüssigkeit gefüllt. Anschließend bewegen sich die Zahnzwischenräume an dem sichelförmigen Trennkörper vorbei. Das Volumen der Zahnzwischenräume wird dabei nicht verändert. Erst nach dem Trennkörper greifen die Zähne wieder ineinander, wodurch auch der Raum wieder verkleinert wird. In diesem Bereich wird die Flüssigkeit wieder aus der Pumpe gefördert. 18

9 Fluidtechnik Minos Da das Ansaugen und Ausschieben über einen längeren Bereich erfolgt, ergibt sich eine nahezu pulsationsfreie Förderung und eine geringe Geräuschentwicklung. Dem gegenüber stehen die höheren Kosten gegenüber einer Außenzahnradpumpe. Eine ähnliche Bauform hat die Zahnringpumpe. Hier hat das innere Zahnrad genau einen Zahn weniger als das äußere. Die Zähne berühren sich immer, so dass keine Sichel benötigt wird. Da das innere Zahnrad außermittig eingebaut ist, greifen auf der einen Seite die Zähne ineinander während sich gegenüber die Zähne genau gegenüber stehen. Auch hier wird bei der Drehbewegung ein Raum zwischen den Zähnen vergrößert und danach wieder verkleinert. Es gibt Bauarten mit mitdrehendem und mit stillstehendem Außenrad. Beim stillstehenden Außenrad führt das Innenrad zusätzlich zur Drehbewegung eine Bewegung auf einer Kreisbahn aus. Dieses Funktionsprinzip wird auch als Gerotor bezeichnet. Der Vorteil besteht darin, dass mit geringen Umdrehungszahlen große Fördervolumen erreicht werden. Bild 4: Innenzahnradpumpe (Bild: BoschRexroth) 19

10 Im Folgenden finden Sie Informationen zu einem Teil unseres Leistungs- und Serviceportfolios. Sollten Sie hierzu oder zu anderen Produkten Fragen haben, treten Sie jederzeit gern in Kontakt mit uns: Tel: (kostenfrei) gruppe.de Parker Store Komponenten 3D- Rohrbiege- Service Wartung und Service Hydraulik & Pneumatik Aggregate- und Anlagenbau Mobiler Tag- und Nacht vor- Ort- Service Druckluft- Service Schmiertechnik Hauptsitz Senftenberg Laugkfeld 21, Senftenberg Tel: Bereitschaft: E- Mail: gruppe.de Niederlassung Dresden Niedersedlitzer Str Dresden Tel: Bereitschaft: E- Mail: gruppe.de Niederlassung Frankfurt/Oder Wildbahn 8, Frankfurt/Oder Tel: Bereitschaft: E- Mail: gruppe.de Niederlassung Genshagen & Rohrbiegezentrum Seestr. 20, Genshagen Tel: Bereitschaft: E- Mail: gruppe.de Vertriebsgebiet Leipzig Tel.: E- Mail: gruppe.de Niederlassung Schöneiche August- Borsig- Ring 15, Schöneiche Tel: Bereitschaft: E- Mail: gruppe.de Industrie- Hydraulik Vogel & Partner GmbH. Laugkfeld Senftenberg, Tel.: gruppe.de. gruppe.de

11 Minos Fluidtechnik Schraubenpumpen Die Schraubenpumpen werden auch als Schraubenspindelpumpen oder Schneckenpumpen bezeichnet. Sie bestehen aus zwei oder drei schraubenförmigen Spindeln mit jeweils entgegengesetzten Gewinde, die in einem Gehäuse angeordnet sind. Sobald die Spindeln in eine Drehbewegung versetzt werden, wandert pro Gewindegang ein abgeschlossener Raum in Richtung Druckseite. Durch die gleichmäßige Drehbewegung fördern die Schraubenpumpen gleichmäßig und sind sehr geräuscharm. Die Anzahl der Gewindegänge hängt vom zu erzielenden Druck ab. Je höher der zu erzeugende Druck sein soll, desto mehr Gewindegänge werden vorgesehen. Die Leckverluste zwischen den einzelnen Gängen werden dadurch verringert. Die axialen Kräfte auf die Spindeln werden außen durch Lager abgefangen. Radial wirken auf die Spindeln kaum Kräfte ein, da diese von alle Seiten mit Druck beaufschlagt sind. Wie die Zahnradpumpen fördern die Schraubenpumpen pro Umdrehung eine konstante Menge an Flüssigkeit. Eine Mengenänderung kann also nur über die Änderung der Drehzahl erfolgen. Schraubenpumpen können jedoch mit sehr hohen Drehzahlen betrieben werden. Bild 5: Schraubenpumpe (Bild: BoschRexroth) 20

12 Fluidtechnik Minos Flügelzellenpumpen Bei den Flügelzellenpumpen rotiert ein Läufer in einem Gehäuse. Mehrere Flügel sind in Schlitzen in dem Läufer angeordnet und werden durch die Fliehkraft nach außen bewegt. Die Flügel können auch zusätzlich durch Federn an das Gehäuse gedrückt werden oder der Ausgangsdruck der Pumpe wird genutzt um die Flügel gegen die Gehäusewand zu drücken. Durch die außermittige Anordnung des Läufers werden die Räume zwischen den Flügeln vergrößert und dadurch die Flüssigkeit angesaugt. Anschließend werden diese Räume wieder verkleinert und dadurch die Flüssigkeit zur Druckseite gefördert. Bei manchen Bauformen wird dieser Vorgang durch ein ovales Gehäuse zweimal bei jeder Umdrehung erreicht. Die Welle wird dabei gleichmäßiger belastet, da sich die gegenüber entstehenden radialen Kräfte gegenseitig aufheben. Flügelzellenpumpen erzeugen verhältnismäßig wenig Geräusche, da die Förderung weitgehend pulsationsfrei erfolgt. Sie werden vorallem bei großen Volumenströmen und eher kleineren Drücken eingesetzt. Es sind jedoch auch zweistufige Ausführungen möglich. Durch das Entlanggleiten der Flügel an der Gehäusewand sind Flügelzellenpumpen empfindlicher gegenüber Verschmutzungen. Bild 6: Flügelzellenpumpe (Bild: BoschRexroth) 21

13 Minos Fluidtechnik Flügelzellenpumpen werden in Bauarten mit konstanten und mit variablen Volumenstrom unterschieden. Das Verändern des Volumenstromes geschieht durch Verschieben des rotierenden Läufers, während bei Pumpen mit konstanten Volumenstrom der Läufer fest montiert ist. Ein Verschieben des Läufers ist auch nicht möglich bei der zweifachen Förderung pro Umdrehung. Je nach Bauart wird der Läufer von Hand oder hydraulisch verschoben. Wird der Läufer in die Mitte des Gehäuses bewegt, so bleiben die Räume zwischen den Flügeln während einer Umdrehung gleich groß und es findet keine Förderung statt. Je weiter der Läufer aus der Mittelstellung verschoben wird, um so größer wird der Volumenstrom. Bei manchen Bauarten kann der Volumenstrom auch umgekehrt werden, indem der Läufer in die andere außermittige Position gebracht wird. Neben der Änderung des Volumenstromes kann mit verstellbaren Flügelzellenpumpen auch der Druck geregelt werden. Sobald der gewünschte Druck erreicht ist wird der Läufer in die Mittelstellung gebracht. In dieser Position wird kein weiterer Volumenstrom gefördert, der Druck wird dagegen aufrecht erhalten. Sobald der Druck absinkt, wird der Läufer aus der Mittelstellung bewegt und die Förderung wieder aufgenommen. Druckregelungen nach diesem Prinzip müssen sehr schnell arbeiten um Schwingungen im System zu vermeiden oder zu dämpfen Reihenkolbenpumpen Reihenkolbenpumpen gehören zu den Hubkolbenmaschinen. Sie bestehen aus mehreren Zylindern, die in einer Reihe angeordnet sind. In den Zylindern werden Kolben von einer Nockenwelle bewegt. Der Rückhub kann ebenfalls durch die Nockenwelle oder durch Federkraft erfolgen. Die Steuerung des Ansaugens und Förderns erfolgt über Ventile, so dass auch eine Umkehrung der Drehrichtung keinen Einfluss auf die Förderrichtung hat. Der Volumenstrom kann durch Verdrehen der Kolben erfolgen. Diese verfügen in diesem Fall über eine schräge Kante, die je nach Stellung ein mehr oder weniger langes Teilstück des Hubes mit einer Öffnung verbindet, über die die Flüssigkeit zurückströmen kann. Reihenkolbenpumpen sind für hohe Drücke bei eher geringen Volumenströmen geeignet. Sie werden vorallem bei Dieselmotoren zur Einspritzung des Kraftstoffes eingesetzt. 22

14 Fluidtechnik Minos Radialkolbenpumpen Bei den Radialkolbenpumpen werden zwei grundsätzliche Bauformen unterschieden. Bei den innenbeaufschlagten Pumpen stützen sich die sternförmig angeordneten Kolben außen am Gehäuse ab. Sie drehen sich mit dem exzentrisch im Gehäuse befindlichen Zylindern mit. Sie saugen dabei von innen her die Hydraulikflüssigkeit an und schieben sie nach einer halben Umdrehung wieder zur Mitte hin aus. Die Anzahl der Kolben ist ungerade, wodurch eine gleichmäßigere Förderung erreicht wird. Sie stützen sich entweder direkt an der Gehäusewand ab oder über Rollen oder Gleitschuhe. Dabei kann die Reibung durch die Verwendung der unter Druck stehenden Hydraulikflüssigkeit verringert werden. Durch ein Verschieben des Gehäuseringes kann der Hub der Kolben und damit die Fördermenge verändert werden. Befinden sich die Kolben genau in der Mitte, so findet keine Förderung mehr statt. Bei manchen Bauarten kann durch ein Bewegen in die andere Richtung der Förderstrom umgekehrt werden. Die Verstellung des Gehäuseringes kann dabei von Hand oder hydraulisch erfolgen. Bild 7: Radialkolbenpumpe (Bild: BoschRexroth) 23

15 Minos Fluidtechnik Bei außenbeaufschlagten Radialkolbenpumpen sind die Kolben ebenfalls sternförmig in einem Gehäuse angeordnet. Sie stehen jedoch fest und werden von einem in der Mitte befindlichen Exzenter betätigt. Damit sie immer am Exzenter anliegen werden sie durch Federkraft dagegen gedrückt. Die Steuerung des Ansaugens und Ausstoßens erfolgt über Schieber oder Ventile. Radialkolbenpumpen sind für sehr hohe Drücke von mehreren hundert bar geeignet. Sie verfügen über einen Leckölanschluss, über den das durch Undichtigkeiten entstehende Lecköl zurück zum Tank gelangen kann. In der Leckölleitung darf sich dabei kein Druck aufbauen können Axialkolbenpumpen Bei den Axialkolbenpumpen befinden sich die Kolben parallel oder leicht geneigt zueinander. Auch bei den Axialkolbenpumpen wird durch eine ungerade Anzahl von Kolben eine gleichmäßigere Förderung erreicht. Grundsätzlich werden die Axialkolbenpumpen in eine Schrägachsenbauart und eine Schrägscheibenbauart unterteilt. Bei der Schrägachsenbauart ist das Gehäuse mit den Kolben gegenüber der Antriebswelle in einem Winkel angeordnet. Bei der Schrägscheibenbauart dagegen werden die Kolben von einer schräg stehenden Scheibe betätigt. α Bild 8: Axialkolbenpumpe, Schrägachse (Bild: BoschRexroth) 24

16 Fluidtechnik Minos Beim Schrägachsenprinzip befinden sich die Kolben in einer sich drehenden Trommel. Die Kolben selbst sind mit Kugelgelenken an einer sich ebenfalls drehenden Scheibe befestigt. Dabei wird die Drehung von der Scheibe auf die Trommel entweder mit Hilfe der Kolben oder über ein zusätzliches Kardangelenk übertragen. Da sich durch den Winkel zwischen Scheibe und Trommel die Kugelgelenke der Kolben auf einer ellipsenförmigen Bahn bewegen, bewegen sich die Kolben während einer Umdrehung leicht hin und her. Damit für diese Bewegung ausreichend Spielraum vorhanden ist, sind die Kolben kegelförmig ausgebildet. Es kann sich aber auch ein weiteres Kugelgelenk im Kolben befinden. Während einer Umdrehung bewegt sich die Trommel mit den Kolben an zwei nierenförmigen Öffnungen vorbei. Über diese Öffnungen wird das Ansaugen und das Fördern gesteuert. Axialkolbenpumpen mit festem Winkel sind Konstantpumpen. Bei Verstellpumpen lässt sich der Winkel der Trommel und dadurch der Förderstrom verändern. Kann die Verstellung über die Mittelstellung hinaus erfolgen lässt sich auch die Strömungsrichtung des Volumenstroms umkehren. α Bild 9: Axialkolbenpumpe, Schrägscheibe (Bild: BoschRexroth) 25

17 Minos Fluidtechnik Zusätzlich zu den beschriebenen doppeltwirkenden Zylindern gibt es eine Reihe von Sonderbauformen. Zur Erhöhung der Kraft können zwei Zylinder hintereinander angeordnet werden. Diese Tandemzylinder haben zwar etwa die doppelte Baulänge einen Zylinders mit vergleichbaren Hub, die Kraft ist dafür aber fast doppelt so groß wie bei einem Zylinder mit dem gleichen Kolbendurchmesser. Diese Bauart wird eingesetzt, wenn dem Durchmesser des Zylinders Grenzen gesetzt sind, jedoch eine hohe Kraft erforderlich ist. Zur Erhöhung der Geschwindigkeit werden Eilgangzylinder eingesetzt. Die Bauform ähnelt einem Teleskopzylinder mit nur zwei Stufen. Im ersten Teil des Hubes fährt nur der Eilgangkolben aus. Dabei wird eine hohe Geschwindigkeit bei einer nur geringen Kraft erreicht. Erst zu Beginn des Arbeitshubes wird die gesamte Kolbenfläche mit Druck beaufschlagt. Bei geringerer Geschwindigkeit wird dann die volle Kraft aufgebracht. Eilgangzylinder können beispielsweise in Pressen verwendet werden. Zum Erzeugen einer Schwenkbewegung werden Bauarten mit einem Schwenkflügel eingesetzt. Der Schwenkflügel befindet sich auf einer Welle und kann von beiden Seiten mit Druck beaufschlagt werden. Die Größe der dabei entstehenden Schwenkbewegung wird vom Gehäuse bestimmt. Es sind Schwenkbewegungen bis zu etwa 300 möglich. Ein Drehkolbenzylinder ähnelt vom Aufbau her dem Schwenkzylinder. Der Kolben hat hier eine gebogene Bauform und bewegt sich in einem gebogenem Zylinderrohr Befestigung der Zylinder Hydraulikzylinder können auf vielfältige Weise befestigt werden. Es wird zwischen einer starren und einer beweglichen Befestigung unterschieden. Bei der starren Befestigung kann die Versorgung des Zylinders mit Hydraulikflüssigkeit über Rohrleitungen erfolgen. Für eine bewegliche Befestigung des Zylinders sind Schlauchleitungen erforderlich. Zu den starren Befestigungen zählt die Fußbefestigung. Hier wird der Zylinder an beiden Enden befestigt. Eine starre Befestigung ist aber auch mit einem Flansch möglich, der nur an der Kolbenbodenseite oder der Kolbenstangenseite befestigt ist. Muss der Zylinder vorallem beim Ausfahren Kraft aufbringen, so wird der Flansch eher an der Kolbenbodenseite angebracht. Ein Flansch an der Kolbenstangenseite wird dagegen bevorzugt, wenn der Zylinder eine Kraft beim Einfahren aufbringen muss. Für eine bewegliche Befestigung wird am Ende des Zylinders ein Gabelkopf angebracht. Ist der Zylinder in der Mitte beweglich befestigt, so wird diese Befestigung als Mittelzapfen bezeichnet. 32

18 Fluidtechnik Minos Mit Hilfe eines Schwenkauges können neben der Schwenkbewegung auch leichte seitliche Bewegungen ausgeführt werden. Am Kolbenstangenende kann sich ebenfalls ein Gabelkopf oder ein Schwenkauge befinden. Es ist aber auch möglich, dass dort nur ein Gewinde vorhanden ist. Bei größeren Hüben ist bei der Befestigung des Zylinders auch auf die Gefahr des Ausknickens der Kolbenstange zu achten. In diesen Fällen muss zunächst die Knicklast berechnet werden. Daraus wird mit einem Sicherheitsfaktor von 3,5 die maximale Betriebslast errechnet. Für die Ermittlung der Knicklast werden die Berechnungen von schlanken Stäben nach Euler herangezogen. Je nach Befestigungsart ist dazu ein dazu passender Belastungsfall auszuwählen. Die Berechnung erfolgt für Zylinder und Kolbenstange gemeinsam. Die Ermittlung der Knicklast ist vielfach aber auch durch Diagramme möglich, die von den Herstellern in den technischen Unterlagen bereitgestellt werden. Bild 13: Hydraulikzylinder mit Gabelkopf 33

19 Fluidtechnik Minos Durch das Verschieben des Ventilschiebers werden die verschiedenen Anschlüsse des Wegeventils abgesperrt oder freigegeben. In welcher Reihenfolge dies geschieht, wird mit dem Begriff Überdeckung bezeichnet. Eine positive Überdeckung bedeutet, dass zunächst ein Anschluss abgesperrt wird bevor bei der Weiterbewegung des Schiebers der nächste Anschluss freigegeben wird. Somit sind während der Bewegung des Ventilschiebers für einen kurzen Moment alle Anschlüsse abgesperrt. Dadurch kann kein Volumenstrom unkontrolliert durch das Wegeventil strömen. Bei der negativen Überdeckung sind dagegen während des Hubes des Ventilschiebers die Anschlüsse kurzzeitig miteinander verbunden. Die Öffnung eines Anschlusses erfolgt kurz bevor der andere Anschluss abgesperrt wird. Das Auftreten von Druckstößen wird dadurch verringert. Die Nullüberdeckung erfordert eine hohe Genauigkeit bei der Herstellung der Ventile. Das Öffnen und Schließen der Anschlüsse erfolgt hier gleichzeitig. Es ist aber dadurch möglich, sowohl die Vorteile der positiven als auch der negativen Überdeckung zu nutzen. Die grafische Darstellung der Überdeckung des Ventilschiebers erfolgt mit Steuerdiagrammen. Die positive oder negative Überdeckung wird auch als Zwischenstellung im Symbol als zusätzliche Kästchen dargestellt. Ü Ü Bild 17: Überdeckung am Ventilschieber (Bild: BoschRexroth) 41

20 Minos Fluidtechnik Betätigungen von Wegeventilen Die Wegeventile können je nach Anwendungsfall mit Muskelkraft, mechanisch über Maschinenteile, elektrisch mit Magnetspulen oder pneumatisch oder hydraulisch betätigt werden. Bei kleineren Wegeventile erfolgt die Ansteuerung direkt, bei größeren erfolgt eine Verstärkung des Steuersignals durch ein Vorsteuerventil. Vorallem elektrisch betätigte Wegeventile sind vorgesteuert. Muskelkraftbetätigte Wegeventile besitzen häufig einen Hebel. Bei Wegeventilen mit zwei Schaltstellungen erfolgt die Rückstellung mit einer Feder. Sind drei Schaltstellungen vorhanden, so wird mit Hilfe von Federn die Mittelstellung eingenommen, wenn keine Betätigung erfolgt. Bei rastenden Wegeventilen bleibt die gewählte Schaltstellung auch ohne weitere Betätigung erhalten. Mechanisch betätigte Wegeventile besitzen oftmals eine Rolle. Auf diese wird durch mechanische Bauteile der Maschine wie Nocken oder auch Kurvenscheiben gedrückt. Mit einer Feder wird das Ventil in die Ausgangsstellung zurückgestellt. Das Betätigen eines Wegeventils kann auch mit hydraulischem oder pneumatischem Druck erfolgen. Dieser drückt auf einen kleinen Kolben am Wegeventil. Da in der Hydraulik mit wesentlich höheren Drücken gearbeitet wird als in der Pneumatik, sind bei hydraulisch betätigten Ventilen kleinere Kolbenflächen möglich als bei pneumatisch betätigten Ventilen. Elektrisch betätigte Wegeventile werden vorallem in automatisierten Anlagen verwendet. Für Wegeventile mit zwei Schaltstellungen ist eine Magnetspule ausreichend, bei drei Schaltstellungen sind zwei Magnetspulen erforderlich. Mit Federn wird das Ventil zurückgestellt oder in der Mittelstellung zentriert. Bei Gleichstrommagneten ist die Stromaufnahme unabhängig von der Stellung des Ankers. Die Spule kann somit nicht durchbrennen, falls der Ventilschieber klemmt. Das Schalten erfolgt weich, dafür ist die Schaltzeit etwas länger. Beim Abschalten muss für eine Funkenlöschung an den schaltenden Kontakten gesorgt werden. Die Gleichstrommagnete haben eine hohe Lebensdauer. Mit ihnen sind viele Schaltspiele möglich. Die Wechselstrommagnete nehmen zu Beginn des Hubes einen höheren Strom auf. Die Kraft ist dadurch zu Hubbeginn größer als beim späteren halten. Daraus ergeben sich kurze Schaltzeiten, beim Klemmen des Ventilschiebers besteht aber auch die Gefahr, dass die Spule durchbrennt. Eine Funkenlöschung wie bei den Gleichstrommagneten wird nicht benötigt. 42

21 Fluidtechnik Minos Die nassen Magnetspulen werden mit von der Hydraulikflüssigkeit umspült. Dies verhindert Korrosion und die entstehende Wärme wird leichter abgeführt. Durch die Reibung in der Hydraulikflüssigkeit schalten die Magnete weicher. Die Magnetspulen müssen jedoch druckdicht ausgeführt werden. Bei den trockenen Ausführungen der Magnetspulen ist eine Abdichtung des Stößels zum Betätigen des Ventilschiebers notwendig. Beim Bewegen des Stößels werden höhere Kräfte benötigt, da eine größere Reibung zu überwinden ist. In explosionsgefährdeten Bereichen sind spezielle Magnetspulen einzusetzen, die die erforderlichen Zulassungen haben. Eine Betätigung der elektrisch angesteuerten Wegeventile ist auch mit einer Handhilfsbetätigung möglich. Das Ventil kann dadurch auch ohne elektrische Energie umgeschaltet werden. Beim Benutzen der Handhilfsbetätigung muss darauf geachtet werden, dass der Antrieb keine unerwünschten Bewegungen ausführt. Bild 18: Elektrisch betätigtes Wegeventil (Bild: BoschRexroth) 43

22 Fluidtechnik Minos Die Sperrwirkung von Rückschlagventilen wird in manchen Einsatzfällen nur zeitweise benötigt. Verhindert beispielsweise ein Rückschlagventil das ungewollte Absinken einer Last, so muss doch beim gewollten Absenken das Rückschlagventil geöffnet sein. In diesem Fall werden entsperrbare Rückschlagventile verwendet. In hydraulischen Pressen werden entsperrbare Rückschlagventile als sogenannte Nachsaugventile verwendet, die die großen Ölmengen während des Vorhubes aus einem Vorratsbehälter in den Pressenzylinder gelangen zu lassen. Beim Rückhub wird die Hydraulikflüssigkeit wieder der Behälter zugeführt. Während des eigentlichen Pressvorganges dagegen sind die Nachsaugventile geschlossen. In vielen Fällen erfolgt das Entsperren hydraulisch. Ein zusätzlicher Steueranschluss wird zum Entsperren mit Druck beaufschlagt. Dieser Druck wirkt auf einen Kolben, der den Ventilkörper über einen Stößel von seinem Sitz abhebt. Die Sperrwirkung wird dadurch aufgehoben. Zum Entsperren eines doppeltwirkenden Zylinders wird der Steuerdruck von der jeweils anderen Zuleitung zum Zylinder abgezweigt. Für die beiden Zuleitungen der doppeltwirkenden Zylinder können die zwei entsperrbaren Rückschlagventile auch in einem Gehäuse untergebracht sein. B A X Bild 19: Entsperrbares Rückschlagventil (Bild: BoschRexroth) 45

23 Minos Fluidtechnik Die Kolbenspeicher sind für hohe Drücke und große Volumen geeignet. Bei manchen Bauarten wird über eine Kolbenstange die Position des Kolbens und damit der Füllstand des Speichers nach außen übertragen. Damit ist auch das entsprechende Schalten von Pumpen steuerbar. Wegen der genauen Bearbeitung der Innenfläche des Speichers sind Kolbenspeicher teurer als andere Hydrospeicher Blasen- und Membranspeicher Die Blasenspeicher bestehen ebenfalls einem zylinderförmigen Behälter. Die Stirnseiten sind abgerundet. Im Inneren des Behälters befindet sich eine mit Stickstoff gefüllte elastische Blase. Diese Blase liegt an der Innenwand des Speichers an, solange sich keine Flüssigkeit im Speicher befindet. Wird in den Behälter Hydraulikflüssigkeit gefüllt, so wird die Blase und das darin befindliche Gas zusammengedrückt. Da sich dabei das Volumen der Blase verringert, kann die Flüssigkeit anstelle der Blase das Innere des Behälters ausfüllen. Entsprechend dehnt sich die Blase wieder aus, wenn Flüssigkeit aus dem Speicher entnommen wird. Bild 25: Blasenspeicher (Bild: BoschRexroth) 60

24 Fluidtechnik Minos Der Anschluss für die Hydraulikflüssigkeit wird durch eine spezielle Vorrichtung geschützt. Damit wird verhindert, dass sich die Blase mit in den Anschluss hinein ausdehnt. Die Blase selbst hat ebenfalls einen Anschluss. Über diesen wird der Stickstoff in die Blase gefüllt. Die Reibung beim Ändern des Volumens der Blase ist sehr gering. Auch die Masse der Blase ist klein, so dass das Befüllen und Entleeren des Speichers fast trägheitsfrei erfolgen kann. Die Blasenspeicher werden vorallem senkrecht eingebaut. Der Druckanschluss befindet sich unten. Das speicherbare Volumen befindet sich im mittleren Bereich. Die Membranspeicher ähneln den Blasenspeichern, jedoch erfolgt die Trennung der Flüssigkeit vom Stickstoff durch eine Membran, die den Behälter in zwei Bereiche teilt. Die Form der Membranspeicher ist kugelförmig bis leicht zylindrisch. Die Membran befindet sich etwa in der Mitte des Behälters und ist dort mit der Wandung verbunden. Je nach Füllung des Speichers dehnt sich die Membran nach der einen oder anderen Seite aus. Die Einbaulage der Speicher ist beliebig. Die Membranspeicher werden jedoch vorallem für kleinere Speichervolumen eingesetzt Befüllen von gasbeaufschlagten Hydrospeichern Die Füllung der gasbeaufschlagten Hydrospeicher erfolgt immer mit Stickstoff. Werden andere Gase wie Luft oder gar Sauerstoff verwendet, so besteht Explosionsgefahr! Im normalen Betrieb des Hydrospeichers wird die Menge des Gases nicht verändert. Die Verluste an Stickstoff durch Undichtigkeiten sind nur gering. Vor der Inbetriebnahme und nach jeder Reparatur muss jedoch der Druck des Gases überprüft werden. Bei der Lieferung können die Hydrospeicher mit einem nur geringen Gasdruck beaufschlagt sein. Als Vorspanndruck wird der Gasdruck bei leerem Speicher bezeichnet. Um den Speicher zu befüllen, muss die Hydraulikflüssigkeit mindestens diesen Druck aufweisen. Der Vorspanndruck kann ermittelt werden, indem der Behälter gefüllt wird und danach dieses Volumen langsam abgelassen wird. Der Druck in der Hydraulikflüssigkeit sinkt dabei langsam ab, bis er plötzlich schlagartig abfällt. In diesem Moment wird durch die Blase oder die Membran die Auslassöffnung verschlossen und es kann keine weitere Flüssigkeit aus dem Speicher strömen. Der Druck kurz vor dem schlagartigen Abfallen entspricht dem Vorspanndruck. Der minimale Betriebsdruck des Speichers sollte einem Druck entsprechen, bei dem sich noch etwa 10 % der Hydraulikflüssigkeit im Behälter befinden. Damit wird vermieden, dass das Verschlussventil von der Blase oder der Membran betätigt wird. 61

25 Minos Fluidtechnik Beim Befüllen des Speicher steigt durch das Zusammendrücken des Gases auch dessen Druck an. Somit steigt auch der Druck an, mit dem der Speicher befüllt werden muss. Es ergibt sich somit ein maximaler Betriebsdruck, der von der Pumpe aufgebracht werden muss. Aus dem Unterschied des Füllungsgrades des Speichers beim minimalen und beim maximalen Betriebsdruck ergibt sich die nutzbare Volumenmenge an Hydraulikflüssigkeit. Sind die Unterschiede zwischen dem minimalen und dem maximalen Betriebsdruck nur gering, so kann das Gasvolumen durch einen zusätzlichen Behälter vergrößert werden. Damit ist eine geringere Druckerhöhung beim Befüllen des Speichers verbunden und der Behälter kann zu einem höheren Grad befüllt werden. Änderungen beim nutzbaren Flüssigkeitsvolumen können sich ergeben, wenn der Behälter sehr schnell gefüllt oder entleert wird. In diesem Fall ändert sich neben dem Druck des Gases auch dessen Temperatur. Dies ist beim Auslegen des Speichers zu beachten. Die Hydrospeicher mit Gasfüllung gelten als Druckbehälter. Es muss deshalb immer ein Manometer vorhanden sein um den Betriebsdruck anzuzeigen. Zusätzlich ist ein Sicherheits- oder Überdruckventil vorzusehen. Die Leitung zu diesem Ventil darf nicht absperrbar sein. In Deutschland gilt für Druckbehälter die Druckbehälterverordnung. Dementsprechend ist der Speicher regelmäßig zu überprüfen. Es sollte deshalb an einer gut zugänglichen Stelle angeordnet und sicher befestigt sein. Die Unterlage entstand als Teil des EU-Projektes Nr MINOS. Europäisches Konzept für die Zusatzqualifikation Mechatronik für Fachkräfte in der globalisierten industriellen Produktion. Das Projekt wurde gefördert von der Europäischen Union im Rahmen des Aktionsprogrammes der Europäischen Union für die berufliche Bildung Leonardo da Vinci. 62