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Inhaltsverzeichnis
2 Hydraulik ........................................................................................................................... 32.1 Einleitung .......................................................................................................................... 32.1.1 Vor- und Nachteile der Hydraulik ...................................................................................... 32.1.2 Einsatzbereiche der Hydraulik .......................................................................................... 42.1.3 Aufbau einer Hydraulikanlage .......................................................................................... 52.2 Hydraulikaggregate .......................................................................................................... 62.2.1 Hydraulikbehälter .............................................................................................................. 72.2.2 Druckbegrenzungsventil ................................................................................................... 82.2.3 Filter .................................................................................................................................. 82.3 Hydraulikflüssigkeiten ....................................................................................................... 92.3.1 Viskosität .......................................................................................................................... 92.3.2 WeitereEigenschaftenderHydraulikflüssigkeiten ..........................................................112.3.3 Fremdstoffe,LuftundWasserinderHydraulikflüssigkeit ............................................... 132.3.4 Umweltschutz ................................................................................................................. 142.4 Hydraulikpumpen ............................................................................................................ 162.4.1 Zahnradpumpen ............................................................................................................. 172.4.2 Schraubenpumpen ......................................................................................................... 202.4.3 Flügelzellenpumpen ....................................................................................................... 212.4.4 Reihenkolbenpumpen ..................................................................................................... 222.4.5 Radialkolbenpumpen ...................................................................................................... 232.4.6 Axialkolbenpumpen ........................................................................................................ 242.5 Zylinder und Motoren ...................................................................................................... 272.5.1 Einfachwirkende Zylinder ............................................................................................... 282.5.2 Doppeltwirkende Zylinder ............................................................................................... 302.5.3 Befestigung der Zylinder ................................................................................................. 322.5.4 Hydraulikmotore ............................................................................................................. 342.6 Rohr- und Schlauchleitungen ......................................................................................... 362.7 Wegeventile .................................................................................................................... 382.7.1 Bezeichnung der Wegeventile ........................................................................................ 392.7.2 Überdeckung der Schaltstellungen ................................................................................. 402.7.3 Betätigungen von Wegeventilen ..................................................................................... 422.8 Sperrventile .................................................................................................................... 442.9 Druckventile .................................................................................................................... 472.9.1 Druckbegrenzungsventile ............................................................................................... 472.9.2 Druckminderventile ......................................................................................................... 512.10 Stromventile .................................................................................................................... 532.10.1 Drosselventile ................................................................................................................. 542.10.2 Stromregelventile ............................................................................................................ 552.10.3 Stromteiler ...................................................................................................................... 572.11 Hydrospeicher ................................................................................................................ 582.11.1 Aufgaben der Hydrospeicher .......................................................................................... 582.11.2 Kolbenspeicher ............................................................................................................... 592.11.3 Blasen- und Membranspeicher ....................................................................................... 602.11.4 BefüllenvongasbeaufschlagtenHydrospeichern .......................................................... 61
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2.1 Einleitung
2 Hydraulik
In derHydraulikwerdenalsÜbertragungsmediumFlüssigkeiten ver-wendet. Der Begriff Hydraulik wird auf das griechische Wort hydor, das Wasser,zurückgeführt.ObwohlauchWasserverwendetwerdenkann,so wird doch hauptsächlich Öl als Medium eingesetzt.
Unterschieden wird die Hydraulik in die Bereiche Hydrodynamik und Hy-drostatik. Bei der Hydrodynamik wird vorallem die Strömungsenergie des Übertragungsmediumsgenutzt.EstretendabeinurrelativgeringeDrückeauf. Da die Strömungsenergie eine kinetische Energie ist, wird auch der BegriffHydrokinetikverwendet.EinBeispielfürdieAnwendungistdieWandlung von Drehmomenten und Drehzahlen in Strömungsgetrieben.
ImGegensatzdazuwirdbeiderHydrostatikderDruckderFlüssigkeitin einem geschlossenen Raum ausgenutzt. Dabei ruht die Hydraulik-flüssigkeitodersiebewegtsichmitnurgeringerGeschwindigkeit.Eintypisches Beispiel ist die Erzeugung des Druckes in einer Pumpe und das Umsetzen des Druckes in eine Kraft in einem Zylinder.
GesteuertwirdderDrucküberVentile.DiesewerdenvonHandoderelektrisch betätigt. Besondere Anforderungen an die Sicherheit wird beim Einsatz der Hydraulik in Flugzeugen gestellt.
2.1.1 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 Be-
reichen 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,wobeidieVerbindungdurchflexibleSchläucheerfolgt.– Ein Einbinden in eine elektrische Steuerung oder Regelung ist ein-
fach möglich.
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DenVorteilenstehenaberauchNachteilegegenüber:
– Es werden hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Bauteile gestellt.DieKostendafürsindentsprechendhoch.
– VerschmutzungenindenHydraulikflüssigkeitenmüssendurchFilte-rungen vermieden werden.
– DieHydraulikflüssigkeitenmüssenüberRückleitungenundLecköl-leitungenzumTankzurückgeführtwerden.
– Bei unterschiedlichen Temperaturen ist die Viskosität der Hydraulik-flüssigkeitunterschiedlichhoch.EinKühlenderHydraulikflüssigkeitist oftmals erforderlich.
– WegenderhohenViskositätderHydraulikflüssigkeitenisteinTrans-portüberlängereLeitungenungünstig.
– InderHydraulikflüssigkeitkannLuftgelöstsein.EntstehendarausLuftblasen,soführtdaszuungleichförmigenBewegungen.
– Hydrauliköle können brennbar sein.– Tritt Hydrauliköl durch Undichtigkeiten aus, so können daraus Ge-
fährdungen entstehen.– Ein Speichern der Druckenergie ist schwierig.
2.1.2 Einsatzbereiche der Hydraulik
Die Hydraulik wird in vielen Bereichen eingesetzt. In der Industrie wird dieHydraulikinWerkzeugmaschinenfürVorschübeundSpindelantriebeverwendet.BeiSpritzgießmaschinenfürdieKunststoffverarbeitungwer-den 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 inbeweglichenMaschineneingesetzt.VieleBaumaschinenverfügenüberhydraulische Antriebe. Das betrifft aber nicht nur die Arbeitsfunktionen. AuchfürdieFahrantriebekommenhydraulischeAntriebezumEinsatz.
AberauchvielelandwirtschaftlicheFahrzeugeverfügenüberhydraulischeAntriebe. So werden Arbeitsgeräte in bestimmte Positionen gebracht oder Zusatzgeräte angetrieben.
SpezielleAnwendungsgebietefürdieHydrauliksinddieSchiffshydraulikund die Flugzeughydraulik.
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Bild 1: Hydraulikanklage (Bild: BoschRexroth)
2.1.3 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 einVolumenstromerzeugt.BeizuhohenDrückenöffnetdasDruckbe-grenzungsventilundlässtdenVolumenstromzuTankzurückfließen.Diemechanische Energie wird in Druckenergie umgewandelt.
Der erzeugte Volumenstrom wird anschließend durch Wegeventile beeinflusst.DieWegeventilebeeinflussendieBewegungsrichtungvonZylindern 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.Sperrventilesorgendafür,dassderVolumenstromnurineineRichtung strömen kann. Die Wirkung von Drosseln kann so auf eine Durchströmrichtung beschränkt werden.
In den Zylindern wird schließlich die Druckenergie wieder in mechanische Energiezurückverwandelt.
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2.2 Hydraulikaggregate
Die Druckenergie wird durch das Hydraulikaggregat bereitgestellt. Es besteht aus mehreren Komponenten, die alle an fast jedem Hydraulika-ggregatzufindensind.
MitderPumpewirddieHydraulikflüssigkeitangesaugtundgefördert.Dabei ist darauf zu achten, dass in der Saugleitung kein zu großer Un-terdruckentsteht.IndiesemFallwürdenausderFlüssigkeitGasblasenaustreten 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 derPumpeführenundwerdenalsKorrosionsichtbar.
In stationären Anlagen wird die Pumpe mit einem Elektromotor angetrie-ben.DagegenerfolgtderAntriebbeimobilenAnlagenhäufigmiteinemVerbrennungsmotor.
DiePumpenselbstgibtesineinergroßenAnzahlvonBauarten.Häufigwerden Zahnradpumpen eingesetzt. Diese fördern bei einer bestimm-ten Drehzahl einen konstanten Volumenstrom. Bei anderen Pumpen ist der Volumenstrom verstellbar. Manche Pumpenbauarten können den Volumenstromnichtselbstansaugen.SiemüssendannunterhalbdesFlüssigkeitsspiegelsangeordnetwerdenodereswirdeineZahnradpumpevorangeschaltet.
Bild 2: Hydraulikaggregat
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Bild 3: Zahnradpumpe (Bild: BoschRexroth)
2.4.1 Zahnradpumpen
Die Zahnradpumpen werden unterschieden in Außenzahnradpumpen undInnenzahnradpumpen.DiehäufigereBauformistdabeidieAußen-zahnradpumpe.
Der Aufbau der Außenzahnradpumpe ist einfach. Die Pumpe ist robust undrelativunempfindlichgegenüberSchmutz.SiekannineinemgroßenDrehzahl-undViskositätsbereicheingesetztwerdenundistdarüberhinausrelativ preiswert.
Zahnradpumpen haben allgemein einen konstanten Volumenstrom pro Umdrehung.DieserkannsomitnurübereineÄnderungderDrehzahlverändertwerden.VorallembeihohenDrückenverringertsichderVolu-menstromgeringfügig,wasseineUrsacheinUndichtigkeitenhat.
Die Außenzahnradpumpen enthalten zwei Zahnräder, die in einem Gehäuse angeordnet sind und sich gegeneinander drehen. Die Hydrau-likflüssigkeitwird zwischendenZähnenundderGehäusewand zumDruckanschluss gefördert. In der Mitte greifen die Zähne der Zahnräder ineinanderundverhinderneinZurückströmenderFlüssigkeit.
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Zwischen den Zähnen wird jedoch eine geringe Menge der Hydraulik-flüssigkeiteingeschlossen.DasichbeimIneinandergreifenderZähnedieser Raum noch weiter verkleinert, baut sich in dieser eingeschlos-senenFlüssigkeiteinhoherDruckauf.Umdieszuvermeiden,wirddassogenannteQuetschölüberkleineKanälederDruckseitemitzugeführt.Damit wird auch ein leiserer und weicherer Lauf der Pumpe erreicht.
VondenSeitenherdrückenDichtungenaufdieZahnräder.DieKraftzumAndrückenwirddadurcherreicht,dassdieDichtungenvonaußenmit Druck vom Ausgang der Pumpe her beaufschlagt werden. Mit stei-gendem Ausgangsdruck steigt so auch die Anpresskraft der Dichtungen. Durch dieses Konstruktionsprinzip ist auch festgelegt, welcher der beiden AnschlüssedieAnsaugseiteundwelcherdieDruckseiteist.DieFörder-richtung kann also nicht vertauscht werden, wie dies vom grundlegenden Aufbau her zunächst anzunehmen sein könnte.
Die bei den Pumpen auftretenden Undichtigkeiten bestimmen den volu-metrischen Wirkungsgrad. Dieser beschreibt die tatsächlich geförderte Menge im Verhältnis zur theoretisch möglichen Menge. Die Reibung in derPumpewirddurchdenmechanischenWirkungsgradberücksichtigt.
Ein Nachteil von Außenzahnradpumpen besteht in den Pulsationen, die beimFörderninderFlüssigkeitauftretenunddendabeientstehendenGeräuschen.DieUrsachedafürliegtdarin,dassdieZahnzwischenräumenacheinander 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 aller-dings axiale Kräfte auf, die von entsprechenden Lagern aufgenommen werdenmüssen.
BeideninnenverzahntenPumpenbefindensichzweiverschiedengroßeZahnräder ineinander. Beim größeren Zahnrad sind die Zähne nach in-nen gerichtet. Das kleinere Zahnrad ist so angeordnet, dass es an einer StelleindieZähnedesanderenZahnradeseingreift.GegenüberdieserStellebefindetsichsomiteinsichelförmigerRaum,derteilweisevonei-nemfeststehendenKörperausgefülltist.DieserebenfallssichelförmigeKörper 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 wirdmitderHydraulikflüssigkeitgefüllt.AnschließendbewegensichdieZahnzwischenräume an dem sichelförmigen Trennkörper vorbei. Das Volumen der Zahnzwischenräume wird dabei nicht verändert. Erst nach dem Trennkörper greifen die Zähne wieder ineinander, wodurch auch derRaumwiederverkleinertwird.IndiesemBereichwirddieFlüssigkeitwieder aus der Pumpe gefördert.
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DadasAnsaugenundAusschiebenübereinenlängerenBereicherfolgt,ergibt sich eine nahezu pulsationsfreie Förderung und eine geringe Geräu-schentwicklung.DemgegenüberstehendiehöherenKostengegenübereiner Außenzahnradpumpe.
Eine ähnliche Bauform hat die Zahnringpumpe. Hier hat das innere ZahnradgenaueinenZahnwenigeralsdasäußere.DieZähneberührensich immer, so dass keine Sichel benötigt wird. Da das innere Zahnrad außermittig eingebaut ist, greifen auf der einen Seite die Zähne ineinander währendsichgegenüberdieZähnegenaugegenüberstehen.Auchhierwird bei der Drehbewegung ein Raum zwischen den Zähnen vergrößert und danach wieder verkleinert.
Es gibt Bauarten mit mitdrehendem und mit stillstehendem Außenrad. BeimstillstehendenAußenradführtdasInnenradzusätzlichzurDreh-bewegung eine Bewegung auf einer Kreisbahn aus. Dieses Funktions-prinzip wird auch als Gerotor bezeichnet. Der Vorteil besteht darin, dass mit geringen Umdrehungszahlen große Fördervolumen erreicht werden.
Bild 4: Innenzahnradpumpe (Bild: BoschRexroth)
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Bild 5: Schraubenpumpe (Bild: BoschRexroth)
2.4.2 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 einekonstanteMengeanFlüssigkeit.EineMengenänderungkannalsonurüberdieÄnderungderDrehzahlerfolgen.Schraubenpumpenkönnenjedoch mit sehr hohen Drehzahlen betrieben werden.
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2.4.3 Flügelzellenpumpen
BeidenFlügelzellenpumpenrotierteinLäuferineinemGehäuse.MehrereFlügelsindinSchlitzenindemLäuferangeordnetundwerdendurchdieFliehkraftnachaußenbewegt.DieFlügelkönnenauchzusätzlichdurchFedernandasGehäusegedrücktwerdenoderderAusgangsdruckderPumpewirdgenutztumdieFlügelgegendieGehäusewandzudrücken.
Durch die außermittige Anordnung des Läufers werden die Räume zwi-schendenFlügelnvergrößertunddadurchdieFlüssigkeitangesaugt.Anschließend werden diese Räume wieder verkleinert und dadurch die FlüssigkeitzurDruckseitegefördert.
Bei manchen Bauformen wird dieser Vorgang durch ein ovales Gehäuse zweimal bei jeder Umdrehung erreicht. Die Welle wird dabei gleich-mäßigerbelastet,dasichdiegegenüberentstehendenradialenKräftegegenseitig aufheben.
Flügelzellenpumpenerzeugen verhältnismäßigwenigGeräusche, dadie Förderung weitgehend pulsationsfrei erfolgt. Sie werden vorallem bei großenVolumenströmenundeherkleinerenDrückeneingesetzt.EssindjedochauchzweistufigeAusführungenmöglich.DurchdasEntlanggleitenderFlügelanderGehäusewandsindFlügelzellenpumpenempfindlichergegenüberVerschmutzungen.
Bild 6: Flügelzellenpumpe (Bild: BoschRexroth)
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FlügelzellenpumpenwerdeninBauartenmitkonstantenundmitvariab-len 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 För-derung 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 Räu-mezwischendenFlügelnwährendeinerUmdrehunggleichgroßundesfindetkeineFörderungstatt.JeweiterderLäuferausderMittelstellungverschoben 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.
NebenderÄnderungdesVolumenstromeskannmitverstellbarenFlügel-zellenpumpenauchderDruckgeregeltwerden.SobalddergewünschteDruck erreicht ist wird der Läufer in die Mittelstellung gebracht. In dieser Position wird kein weiterer Volumenstrom gefördert, der Druck wird da-gegen aufrecht erhalten. Sobald der Druck absinkt, wird der Läufer aus der Mittelstellung bewegt und die Förderung wieder aufgenommen.
DruckregelungennachdiesemPrinzipmüssensehrschnellarbeitenumSchwingungen im System zu vermeiden oder zu dämpfen.
2.4.4 Reihenkolbenpumpen
Reihenkolbenpumpen gehören zu den Hubkolbenmaschinen. Sie beste-hen aus mehreren Zylindern, die in einer Reihe angeordnet sind. In den ZylindernwerdenKolbenvoneinerNockenwellebewegt.DerRückhubkann ebenfalls durch die Nockenwelle oder durch Federkraft erfolgen.
DieSteuerungdesAnsaugensundFörderns erfolgt überVentile, sodassaucheineUmkehrungderDrehrichtung keinenEinflussauf dieFörderrichtung hat.
Der Volumenstrom kann durch Verdrehen der Kolben erfolgen. Diese verfügenindiesemFallübereineschrägeKante,diejenachStellungeinmehroderweniger langesTeilstückdesHubesmiteinerÖffnungverbindet,überdiedieFlüssigkeitzurückströmenkann.
ReihenkolbenpumpensindfürhoheDrückebeiehergeringenVolumen-strömen geeignet. Sie werden vorallem bei Dieselmotoren zur Einsprit-zung des Kraftstoffes eingesetzt.
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Bild 7: Radialkolbenpumpe (Bild: BoschRexroth)
2.4.5 Radialkolbenpumpen
Bei den Radialkolbenpumpen werden zwei grundsätzliche Bauformen unterschieden.BeideninnenbeaufschlagtenPumpenstützensichdiesternförmig angeordneten Kolben außen am Gehäuse ab. Sie drehen sich mitdemexzentrischimGehäusebefindlichenZylindernmit.SiesaugendabeivoninnenherdieHydraulikflüssigkeitanundschiebensienacheiner halben Umdrehung wieder zur Mitte hin aus.
Die Anzahl der Kolben ist ungerade, wodurch eine gleichmäßigere Förderungerreichtwird.SiestützensichentwederdirektanderGehäu-sewandaboderüberRollenoderGleitschuhe.DabeikanndieReibungdurchdieVerwendungderunterDruckstehendenHydraulikflüssigkeitverringert werden.
Durch ein Verschieben des Gehäuseringes kann der Hub der Kolben unddamitdieFördermengeverändertwerden.BefindensichdieKolbengenauinderMitte,sofindetkeineFörderungmehrstatt.BeimanchenBauarten kann durch ein Bewegen in die andere Richtung der Förderstrom umgekehrt werden. Die Verstellung des Gehäuseringes kann dabei von Hand oder hydraulisch erfolgen.
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Bild 8: Axialkolbenpumpe, Schrägachse (Bild: BoschRexroth)
Bei außenbeaufschlagten Radialkolbenpumpen sind die Kolben eben-falls sternförmig in einem Gehäuse angeordnet. Sie stehen jedoch fest undwerdenvoneineminderMittebefindlichenExzenterbetätigt.Damitsie immer am Exzenter anliegen werden sie durch Federkraft dagegen gedrückt.DieSteuerungdesAnsaugensundAusstoßenserfolgtüberSchieber oder Ventile.
RadialkolbenpumpensindfürsehrhoheDrückevonmehrerenhundertbargeeignet.SieverfügenübereinenLeckölanschluss,überdendasdurchUndichtigkeitenentstehendeLeckölzurückzumTankgelangenkann. In der Leckölleitung darf sich dabei kein Druck aufbauen können.
2.4.6 Axialkolbenpumpen
BeidenAxialkolbenpumpenbefindensichdieKolbenparalleloderleichtgeneigt zueinander. Auch bei den Axialkolbenpumpen wird durch eine ungerade Anzahl von Kolben eine gleichmäßigere Förderung erreicht.
Grundsätzlich werden die Axialkolbenpumpen in eine Schrägachsenbau-art und eine Schrägscheibenbauart unterteilt. Bei der Schrägachsenbau-artistdasGehäusemitdenKolbengegenüberderAntriebswelleineinemWinkel angeordnet. Bei der Schrägscheibenbauart dagegen werden die Kolben von einer schräg stehenden Scheibe betätigt.
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Bild 9: Axialkolbenpumpe, Schrägscheibe (Bild: BoschRexroth)
BeimSchrägachsenprinzipbefindensichdieKolbenineinersichdre-henden Trommel. Die Kolben selbst sind mit Kugelgelenken an einer sich ebenfalls drehenden Scheibe befestigt. Dabei wird die Drehung von der ScheibeaufdieTrommelentwedermitHilfederKolbenoderübereinzusätzlichesKardangelenkübertragen.
Da sich durch den Winkel zwischen Scheibe und Trommel die Kugelge-lenke der Kolben auf einer ellipsenförmigen Bahn bewegen, bewegen sichdieKolbenwährendeinerUmdrehungleichthinundher.Damitfürdiese Bewegung ausreichend Spielraum vorhanden ist, sind die Kolben kegelförmig ausgebildet. Es kann sich aber auch ein weiteres Kugelge-lenkimKolbenbefinden.
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 Verstell-pumpen lässt sich der Winkel der Trommel und dadurch der Förderstrom verändern.KanndieVerstellungüberdieMittelstellunghinauserfolgenlässt sich auch die Strömungsrichtung des Volumenstroms umkehren.
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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 einenZylindersmitvergleichbarenHub,dieKraftistdafüraberfastdop-pelt 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 Arbeitshubeswird die gesamteKolbenflächemitDruckbeaufschlagt.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.DerSchwenkflügel befindet sich auf einerWelle und kann von beiden Seiten mit Druck beaufschlagt werden. Die Größe der dabei entstehenden Schwenkbewegung wird vom Gehäuse bestimmt.EssindSchwenkbewegungenbiszuetwa300°möglich.
Ein Drehkolbenzylinder ähnelt vom Aufbau her dem Schwenkzylinder. Der Kolben hat hier eine gebogene Bauform und bewegt sich in einem gebogenem Zylinderrohr.
2.5.3 Befestigung der Zylinder
Hydraulikzylinder können auf vielfältige Weise befestigt werden. Es wird zwischen einer starren und einer beweglichen Befestigung unterschie-den. Bei der starren Befestigung kann die Versorgung des Zylinders mit HydraulikflüssigkeitüberRohrleitungenerfolgen.FüreinebeweglicheBefestigung 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 Aus-fahren Kraft aufbringen, so wird der Flansch eher an der Kolbenboden-seite angebracht. Ein Flansch an der Kolbenstangenseite wird dagegen bevorzugt, wenn der Zylinder eine Kraft beim Einfahren aufbringen muss.
FüreinebeweglicheBefestigungwirdamEndedesZylinderseinGa-belkopf angebracht. Ist der Zylinder in der Mitte beweglich befestigt, so wird diese Befestigung als Mittelzapfen bezeichnet.
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Bild 13: Hydraulikzylinder mit Gabelkopf
Mit Hilfe eines Schwenkauges können neben der Schwenkbewegung auchleichteseitlicheBewegungenausgeführtwerden.AmKolbenstan-genendekannsichebenfallseinGabelkopfodereinSchwenkaugebefin-den. Es ist aber auch möglich, dass dort nur ein Gewinde vorhanden ist.
BeigrößerenHübenistbeiderBefestigungdesZylindersauchaufdieGefahr 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.
FürdieErmittlungderKnicklastwerdendieBerechnungenvonschlankenStäben nach Euler herangezogen. Je nach Befestigungsart ist dazu ein dazupassenderBelastungsfallauszuwählen.DieBerechnungerfolgtfürZylinder und Kolbenstange gemeinsam.
Die Ermittlung der Knicklast ist vielfach aber auch durch Diagramme möglich, die von den Herstellern in den technischen Unterlagen bereit-gestellt werden.
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Bild 17: Überdeckung am Ventilschieber (Bild: BoschRexroth)
Durch das Verschieben des Ventilschiebers werden die verschiedenen AnschlüssedesWegeventilsabgesperrtoderfreigegeben.InwelcherRei-henfolge dies geschieht, wird mit dem Begriff Überdeckung bezeichnet.
Eine positive Überdeckung bedeutet, dass zunächst ein Anschluss ab-gesperrt wird bevor bei der Weiterbewegung des Schiebers der nächste Anschluss freigegeben wird. Somit sind während der Bewegung des Ventilschiebers füreinenkurzenMomentalleAnschlüsseabgesperrt.Dadurch kann kein Volumenstrom unkontrolliert durch das Wegeventil strömen.
Bei der negativen Überdeckung sind dagegen während des Hubes des VentilschiebersdieAnschlüssekurzzeitigmiteinanderverbunden.DieÖffnung eines Anschlusses erfolgt kurz bevor der andere Anschluss abgesperrt wird. Das Auftreten von Druckstößen wird dadurch verringert.
DieNullüberdeckungerforderteinehoheGenauigkeitbeiderHerstellungderVentile.DasÖffnenundSchließenderAnschlüsseerfolgthiergleich-zeitig. Es ist aber dadurch möglich, sowohl die Vorteile der positiven als auch der negativen Überdeckung zu nutzen.
DiegrafischeDarstellungderÜberdeckungdesVentilschieberserfolgtmitSteuerdiagrammen. Die positive oder negative Überdeckung wird auch als Zwischenstellung im Symbol als zusätzliche Kästchen dargestellt.
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2.7.3 Betätigungen von Wegeventilen
Die Wegeventile können je nach Anwendungsfall mit Muskelkraft, mecha-nischüberMaschinenteile,elektrischmitMagnetspulenoderpneumatischoder hydraulisch betätigt werden. Bei kleineren Wegeventile erfolgt die Ansteuerung direkt, bei größeren erfolgt eine Verstärkung des Steuersi-gnals durch ein Vorsteuerventil. Vorallem elektrisch betätigte Wegeventile sind vorgesteuert.
MuskelkraftbetätigteWegeventilebesitzenhäufigeinenHebel.BeiWe-geventilenmitzweiSchaltstellungenerfolgtdieRückstellungmiteinerFeder. Sind drei Schaltstellungen vorhanden, so wird mit Hilfe von Fe-dern 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 Kurvenscheibengedrückt.MiteinerFederwirddasVentil indieAus-gangsstellungzurückgestellt.
Das Betätigen eines Wegeventils kann auch mit hydraulischem oder pneumatischemDruckerfolgen.DieserdrücktaufeinenkleinenKolbenamWegeventil.DainderHydraulikmitwesentlichhöherenDrückenge-arbeitet wird als in der Pneumatik, sind bei hydraulisch betätigten Ventilen kleinereKolbenflächenmöglichalsbeipneumatischbetätigtenVentilen.
Elektrisch betätigte Wegeventile werden vorallem in automatisierten Anlagenverwendet.FürWegeventilemitzweiSchaltstellungenisteineMagnetspule ausreichend, bei drei Schaltstellungen sind zwei Magnet-spulenerforderlich.MitFedernwirddasVentilzurückgestelltoderinderMittelstellung zentriert.
Bei Gleichstrommagneten ist die Stromaufnahme unabhängig von der Stellung des Ankers. Die Spule kann somit nicht durchbrennen, falls der Ventilschieberklemmt.DasSchaltenerfolgtweich,dafüristdieSchaltzeitetwaslänger.BeimAbschaltenmussfüreineFunkenlöschungandenschaltenden 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 durch-brennt. Eine Funkenlöschung wie bei den Gleichstrommagneten wird nicht benötigt.
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Bild 18: Elektrisch betätigtes Wegeventil (Bild: BoschRexroth)
Die nassenMagnetspulenwerdenmit von derHydraulikflüssigkeitumspült.Dies verhindertKorrosionunddie entstehendeWärmewirdleichterabgeführt.DurchdieReibunginderHydraulikflüssigkeitschal-tendieMagneteweicher.DieMagnetspulenmüssenjedochdruckdichtausgeführtwerden.
BeidentrockenenAusführungenderMagnetspulenisteineAbdichtungdes Stößels zum Betätigen des Ventilschiebers notwendig. Beim Bewegen des Stößels werden höhere Kräfte benötigt, da eine größere Reibung zuüberwindenist.
In explosionsgefährdeten Bereichen sind spezielle Magnetspulen einzu-setzen, 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 Hand-hilfsbetätigung muss darauf geachtet werden, dass der Antrieb keine unerwünschtenBewegungenausführt.
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DieSperrwirkungvonRückschlagventilenwirdinmanchenEinsatzfällennurzeitweisebenötigt.VerhindertbeispielsweiseeinRückschlagventildasungewollte Absinken einer Last, so muss doch beim gewollten Absenken dasRückschlagventilgeöffnetsein.IndiesemFallwerdenentsperrbareRückschlagventileverwendet.
InhydraulischenPressenwerdenentsperrbareRückschlagventile alssogenannte Nachsaugventile verwendet, die die großen Ölmengen wäh-rend des Vorhubes aus einem Vorratsbehälter in den Pressenzylinder gelangenzulassen.BeimRückhubwirddieHydraulikflüssigkeitwiederderBehälterzugeführt.WährenddeseigentlichenPressvorgangesda-gegen sind die Nachsaugventile geschlossen.
In vielen Fällen erfolgt das Entsperren hydraulisch. Ein zusätzlicher Steueranschluss wird zum Entsperren mit Druck beaufschlagt. Dieser DruckwirktaufeinenKolben,derdenVentilkörperübereinenStößelvon seinem Sitz abhebt. Die Sperrwirkung wird dadurch aufgehoben.
Zum Entsperren eines doppeltwirkenden Zylinders wird der Steuerdruck vonder jeweils anderenZuleitung zumZylinder abgezweigt. Für diebeiden Zuleitungen der doppeltwirkenden Zylinder können die zwei ent-sperrbarenRückschlagventileauchineinemGehäuseuntergebrachtsein.
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Bild 19: Entsperrbares Rückschlagventil (Bild: BoschRexroth)
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DieKolbenspeichersindfürhoheDrückeundgroßeVolumengeeignet.BeimanchenBauartenwirdübereineKolbenstangediePositiondesKolbensunddamitderFüllstanddesSpeichersnachaußenübertragen.Damit ist auch das entsprechende Schalten von Pumpen steuerbar. WegendergenauenBearbeitungder InnenflächedesSpeicherssindKolbenspeicher teurer als andere Hydrospeicher.
2.11.3 Blasen- und Membranspeicher
Die Blasenspeicher bestehen ebenfalls einem zylinderförmigen Behälter. DieStirnseitensindabgerundet.ImInnerendesBehältersbefindetsicheinemitStickstoffgefüllteelastischeBlase.DieseBlaseliegtanderIn-nenwanddesSpeichersan,solangesichkeineFlüssigkeitimSpeicherbefindet.
WirdindenBehälterHydraulikflüssigkeitgefüllt,sowirddieBlaseunddasdarinbefindlicheGaszusammengedrückt.DasichdabeidasVolumenderBlaseverringert,kanndieFlüssigkeitanstellederBlasedasInneredesBehältersausfüllen.EntsprechenddehntsichdieBlasewiederaus,wennFlüssigkeitausdemSpeicherentnommenwird.
Bild 25: Blasenspeicher (Bild: BoschRexroth)
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DerAnschluss für dieHydraulikflüssigkeitwird durch eine spezielleVorrichtunggeschützt.Damitwirdverhindert,dasssichdieBlasemitin den Anschluss hinein ausdehnt. Die Blase selbst hat ebenfalls einen Anschluss.ÜberdiesenwirdderStickstoffindieBlasegefüllt.
DieReibungbeimÄnderndesVolumensderBlaseistsehrgering.AuchdieMassederBlaseistklein,sodassdasBefüllenundEntleerendesSpeichers fast trägheitsfrei erfolgen kann. Die Blasenspeicher werden vorallemsenkrechteingebaut.DerDruckanschlussbefindetsichunten.DasspeicherbareVolumenbefindetsichimmittlerenBereich.
Die Membranspeicher ähneln den Blasenspeichern, jedoch erfolgt die TrennungderFlüssigkeitvomStickstoffdurcheineMembran,diedenBehälter in zwei Bereiche teilt. Die Form der Membranspeicher ist kugel-förmigbisleichtzylindrisch.DieMembranbefindetsichetwainderMittedes Behälters und ist dort mit der Wandung verbunden.
JenachFüllungdesSpeichersdehntsichdieMembrannachdereinenoder anderen Seite aus. Die Einbaulage der Speicher ist beliebig. Die MembranspeicherwerdenjedochvorallemfürkleinereSpeichervolumeneingesetzt.
2.11.4 BefüllenvongasbeaufschlagtenHydrospeichern
DieFüllung der gasbeaufschlagtenHydrospeicher erfolgt immermitStickstoff. 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 derDruckdesGasesüberprüftwerden.BeiderLieferungkönnendieHydrospeicher mit einem nur geringen Gasdruck beaufschlagt sein.
Als Vorspanndruck wird der Gasdruck bei leerem Speicher bezeichnet. UmdenSpeicherzubefüllen,mussdieHydraulikflüssigkeitmindestensdiesen Druck aufweisen.
DerVorspanndruckkannermitteltwerden,indemderBehältergefülltwirdund danach dieses Volumen langsam abgelassen wird. Der Druck in der Hydraulikflüssigkeitsinktdabeilangsamab,biserplötzlichschlagartigabfällt. In diesem Moment wird durch die Blase oder die Membran die AuslassöffnungverschlossenundeskannkeineweitereFlüssigkeitausdem Speicher strömen. Der Druck kurz vor dem schlagartigen Abfallen entspricht dem Vorspanndruck.
Der minimale Betriebsdruck des Speichers sollte einem Druck entspre-chen,beidemsichnochetwa10%derHydraulikflüssigkeitimBehälterbefinden.Damitwirdvermieden,dassdasVerschlussventilvonderBlaseoder der Membran betätigt wird.
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BeimBefüllendesSpeicher steigt durchdasZusammendrückendesGases auch dessen Druck an. Somit steigt auch der Druck an, mit dem derSpeicherbefülltwerdenmuss.EsergibtsichsomiteinmaximalerBetriebsdruck, der von der Pumpe aufgebracht werden muss.
AusdemUnterschieddesFüllungsgradesdesSpeichersbeimminimalenund beim maximalen Betriebsdruck ergibt sich die nutzbare Volumen-mengeanHydraulikflüssigkeit.SinddieUnterschiede zwischendemminimalen und dem maximalen Betriebsdruck nur gering, so kann das Gasvolumen durch einen zusätzlichen Behälter vergrößert werden. Damit isteinegeringereDruckerhöhungbeimBefüllendesSpeichersverbundenundderBehälterkannzueinemhöherenGradbefülltwerden.
ÄnderungenbeimnutzbarenFlüssigkeitsvolumenkönnensichergeben,wennderBehältersehrschnellgefülltoderentleertwird.IndiesemFalländert sich neben dem Druck des Gases auch dessen Temperatur. Dies ist beim Auslegen des Speichers zu beachten.
DieHydrospeichermitGasfüllunggeltenalsDruckbehälter.Esmussdeshalb immer ein Manometer vorhanden sein um den Betriebsdruck anzuzeigen. Zusätzlich ist ein Sicherheits- oder Überdruckventil vorzu-sehen. Die Leitung zu diesem Ventil darf nicht absperrbar sein.
InDeutschland gilt fürDruckbehälter dieDruckbehälterverordnung.DementsprechendistderSpeicherregelmäßigzuüberprüfen.Essolltedeshalb an einer gut zugänglichen Stelle angeordnet und sicher befestigt sein.
DieUnterlageentstandalsTeildesEU-ProjektesNr.2005-146319“MINOS”.
EuropäischesKonzeptfürdieZusatzqualifikationMechatronikfürFachkräfteinderglobalisiertenindustriellenProduktion.
Das Projekt wurde gefördert von der Europäischen Union im Rahmen des Aktionsprogrammes der EuropäischenUnionfürdieberuflicheBildung“LeonardodaVinci”.
www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch
