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Hydraulik

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Grundlagen

Unter Hydraulik versteht man das Erzeugen von Kräften und Bewegungen durch Druckflüssigkeiten. Dabei ist die Druckflüssigkeit das Energieübertragungsmedium.

Vorteile:

  • Übertragung großer Kräfte bei Einsatz kleiner Bauelemente, d. h. große
    Leistungsdichte
  • exaktes Positionieren
  • Anfahren aus dem Stillstand unter Höchstlast
  • gleichmäßige, lastunabhängige Bewegung, da Flüssigkeiten kaum komprimierbar sind und Regelventile eingesetzt werden können
  • weiches Arbeiten und Umschalten
  • gute Steuer- und Regelbarkeit
  • günstige Wärmeabfuhr

Nachteile:

  • Verschmutzung der Umgebung durch Lecköl (Brandgefahr, Unfallgefahr)
  • Schmutzempfindlichkeit
  • Gefahr durch hohe Drücke
  • Temperaturabhängigkeit (Viskositätsänderung)
  • ungünstiger Wirkungsgrad

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Berechnung von Flächen

Zuerst ein paar Formeln zur Berechnung der drei wichtigsten Flächen, die später noch gebraucht werden.

  Quadrat Rechteck Kreis

mit:
A = Fläche in cm2   oder mm2
a = Kantenlänge in cm   oder mm
g = Kantenlänge in cm   oder mm
h = Kantenlänge in cm   oder mm
r = Kreisradius in cm   oder mm
d = Kreisdurchmesser in cm   oder mm
π = Pi     3,14159265 ... ≈ 3,1416

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Druck - Druckkraft

Der Druck p ist die Kraft, die senkrecht auf eine Fläche wirkt.
Bei kleinerer Grundfläche entsteht bei gleicher Gewichtskraft ein größerer Druck als bei größerer Grundfläche.

mit:
p = Druck in Pa Pascal oder 1 N/m2
F = Kraft / Druckkraft in N Newton  
A = Fläche in m2    

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Vergleich und Umrechnung von Druckeinheiten

Einheit

1 Pa = N/m2 bar mbar µbar
1 Pa = 1 N/m2 1 10-5 10-2 10
1 bar 105 1 103 106
1 mbar 102 10-3 1 103

Nicht mehr zugelassene Druckeinheiten:

  • 1 at = 1 kp/cm2 = 98066,5 Pa = 0,980665 bar
  • 1 atm = 101 325 Pa = 1,01325 bar
  • 1 Torr = 1 atm/760 = 1,33322 mbar = 1 mm Hg1)
  • 1 m WS2) = 73,5591 mm Hg = 98,0665 mbar

1) Quecksilber  2) Wassersäule

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Druckfortpflanzung - Hydraulische Presse, auch Kraftübersetzung

In einer Flüssigkeit pflanzt sich die Kraft / der Druck nach allen Seiten gleich-
mäßig fort. An jeder Stelle in einem abgeschlossenen System wirkt der gleiche Druck, dabei spielt die Form des Gefäßes keine Rolle.

mit:
F1 = Kraft in Kolben 1 in N Newton
F2 = Kraft in Kolben 2 in N Newton
A1 = Fläche des Kolbens 1 in m2  
A2 = Fläche des Kolbens 2 in m2  

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Wegübersetzung

Soll eine Last F2 um eine Strecke s2 angehoben werden, so muss der Kolben K1 eine bestimmte Flüssigkeitsmenge (Volumen) verdrängen, die den Kolben K2 um die Strecke s2 anhebt.

Das Produkt aus s A nennt man auch das Verdrängungsvolumen.

mit:
s1 = Weg des Kolbens 1 z.B. in cm  
s2 = Weg des Kolbens 2 z.B. in cm  
A1 = Fläche des Kolbens 1 in m2  
A2 = Fläche des Kolbens 2 in m2  

Aus dem Bild lässt sich ersehen, dass der Weg s1 größer sein muss als der Weg s2, da die Fläche A1 kleiner als die Fläche A2 ist.

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Druckübersetzung - Druckwandler

In einem Druckwandler verhalten sich die Drücke umgekehrt wie die Kolben-
flächen.

mit:
p1 = Flüssigkeitsdruck in Zylinder 1 in N Pascal
p2 = Flüssigkeitsdruck in Zylinder 2 in N Newton
A1 = Fläche des Kolbens 1 in m2  
A2 = Fläche des Kolbens 2 in m2  

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Volumenstrom

Unter dem Volumenstrom versteht man das Flüssigkeitsvolumen, das in einer be-
stimmten Zeiteinheit durch ein Rohr strömt.
Um z. B. einen 5 Liter- Wassereimer am Wasserhahn zu füllen, benötigt man etwa eine Minute. Der Volumenstrom im Wasserhahn beträgt dann 5 l/min.

mit:
Q = Volumenstrom in m3/s oder l/min oder cm3/min oder ml/min
V = Volumen in m3  
t = Zeit in s  

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Kontinuitätsgleichung

Aus der Formel für den Volumenstrom kann man die Formel für die Strömungsge-
schwindigkeit herleiten.

mit:
v = Strömungsgeschwindigkeit in m/s  
Q = Volumenstrom in m3/s oder l/min
A = Rohrquerschnitt in m2  

Der Volumenstrom berechnet sich wie folgt:

mit:
Q = Volumenstrom in m3/s oder l/min oder cm3/min oder ml/min
A = Rohrquerschnitt in cm2  
s = Weg des Kolbens in cm  
t = Zeit in min  

Ein Beispiel mit folgenden Vorgaben:
A = 5 cm2
s = 8 cm
t = 1 min

Q = (5cm2 8cm) / 1min = 40 cm3/min = 40 ml/min = 0,04 l/min

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Leistung

Die hydraulische Leistung berechnet sich aus dem Druck und dem Volumenstrom.

mit:
P = Leistung in W oder Nm/s
p = Druck in Pa  
Q = Volumenstrom in m3/s oder l/min oder cm3/min oder ml/min

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Druckflüssigkeiten

Zur Übertragung von Druckenergie würde sich grundsätzlich jede Flüssigkeit eig-
nen. Da aber in hydraulischen Anlagen von Druckflüssigkeiten zusätzliche Eigen-
schaften gefordert werden, schränkt sich die Anzahl der in Frage kommenden Flüssigkeiten erheblich ein.

Wasser als Druckflüssigkeit ergibt Probleme in Bezug auf Korrosion, Siedepunkt, Gefrierpunkt und Dünnflüssigkeit.
Druckflüssigkeiten auf Mineralölbasis – auch Hydrauliköle genannt – werden nor-
malen Anforderungen (z. B. in Werkzeugmaschinen) weitgehend gerecht.

Die in hydraulischen Anlagen eingesetzten Druckflüssigkeiten müssen sehr unter-
schiedliche Aufgaben erfüllen:

  • Druckübertragung
  • Schmieren der beweglichen Geräteteile
  • Kühlen, d. h. Ableiten der durch Energieumwandlung (Druckverluste) ent-
    stehenden Wärme
  • Dämpfung von Schwingungen, die durch Druckstöße hervorgerufen werden
  • Korrosionsschutz
  • Abriebentfernung
  • Signalübertragung

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Praxis

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Bauteile

Eine Modellhydraulik besteht aus folgenden Bauteilen

  • Hydraulikpumpe
    • Antriebsmotor
    • Pumpe mit Druckbegrenzungseinheit
    • Tank
  • Ölfilter
  • Steuerventil
  • Zylinder

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Hydraulikpumpe

Die Hydraulikpumpe setzt sich aus folgenden Bauteilen zusammen:

  • Antriebsmotor
  • Pumpe mit Druckbegrenzungseinheit
  • Tank

Diese drei Bauteile sind im Modellbau meistens schon in einer Einheit zusammen-
gefasst.

Symbolische Darstellung einer Hydraulikpumpe

P = Druckanschluss
T = Tank- / Rücklaufanschluss

Hydraulikpumpe im Original

links
der Tank mit
Befüllungs- und Entlüftungsstutzen

in der Mitte
die Pumpe mit Druckbegrenzungseinheit
und den Anschlüssen P / T

rechts
der Antriebsmotor
mit Entstörkondensatoren

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Bj. 2000 / 2001 MB - Silotransporter Bild März 2006

 

Antriebsmotor

Der Antrieb einer Hydraulikanlage erfolgt durch Motoren (Elektromotor, Verbren-
nungsmotor). In der Stationärhydraulik liefern überwiegend Elektromotoren, in der Mobil-Hydraulik Verbrennungsmotoren die mechanische Leistung für die Pumpe.

Pumpe mit Druckbegrenzungseinheit

Die Pumpe einer Hydraulikanlage, auch Hydropumpe genannt, wandelt die mecha-
nische Energie des Antriebsmotors in hydraulische Energie (Druckenergie) um. Die Pumpe saugt die Druckflüssigkeit an und verdrängt diese in das Leitungssystem. Durch die Widerstände, die der strömenden Druckflüssigkeit entgegenwirken, baut sich im Hydrauliksystem ein Druck auf. Die Höhe des Drucks entspricht dem Gesamtwiderstand, der sich aus äußeren und inneren Widerständen und dem Volumenstrom ergibt.

Der Flüssigkeitsdruck eines Hydrauliksystems wird also nicht von vornherein durch die Pumpe gegeben, sondern er baut sich entsprechend den Widerständen auf – und zwar im Extremfall soweit, bis ein Bauteil zerstört wird. Dies wird je-
doch in der Praxis dadurch vermieden, indem direkt hinter der Pumpe oder im Pumpengehäuse integriert eine Druckbegrenzungseinheit (Druckbegrenzungsventil als Sicherheitsventil) installiert wird, an dem der maximale Betriebsdruck, für den die Pumpe geeignet ist, eingestellt ist.

Das Druckbegrenzungsventil ist im Ruhezustand geschlossen. Wenn die Druckdif-
ferenz an den Anschlüssen P (Druckanschluss) und T (Rücklaufanschluss) den einstellbaren Solldruck übersteigt, öffnet das Ventil und die Druckflüssigkeit strömt über den Anschluss T in den Tank ab. Der Druck steigt nicht weiter an. Wird der eingestellte Druck unterschritten, schließt das Ventil wieder.

Druckbegrenzungsventil (Symbol)

P = Druckanschluss
T = Tank- / Rücklaufanschluss

Der Tank

Der Tank oder Behälter einer Hydraulikanlage erfüllt folgende Aufgaben:

  • Aufnahme- und Vorratsbehälter für die zum Betrieb der Anlage erforderliche Druckflüssigkeit
  • Abfuhr der Verlustwärme
  • Abscheiden von Luft, Wasser und festen Stoffen
  • Träger einer ein- oder aufgebauten Pumpe und des Antriebsmotors sowie weiterer Hydraulikbauelemente, wie Ventile, Speicher usw.

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Ölfilter

Ölfilter dienen zur Beseitigung von Schmutzpartikeln / Verunreinigungen in der Druckflüssigkeit, die durch mechanischem Abrieb, Ölerwärmung und -alterung sowie äußere Einflüsse entstehen. Dadurch sollen die Bauelemente vor Verschleiß geschützt werden.

Ölfilter (Symbol)

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Steuerventil

Ventile sind Geräte zur Steuerung des Energieflusses, mit denen die Strömungs-
richtung der Druckflüssigkeit, der Druck, der Volumenstrom und damit die Strö-
mungsgeschwindigkeit gesteuert oder geregelt werden können.

Wegeventile steuern die Flussrichtung der Druckflüssigkeit und damit die Bewe-
gungsrichtung und das Positionieren der Arbeitsglieder. Wegeventile können manuell, mechanisch, elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigt werden. Sie wandeln und verstärken Signale (manuelle, elektrische, pneumatische) und sind damit die Schnittstelle zwischen Signalsteuerteil und Energiesteuerteil.

In der Bezeichnung der Wegeventile wird immer zuerst die Anzahl der Anschlüsse und dann die Anzahl der Schaltstellungen genannt. Wegeventile haben minde-
stens zwei Anschlüsse und mindestens zwei Schaltstellungen. Die Bezeichnung lautet in diesem Fall 2/2-Wegeventil.

4/2-Wege-Magnetventil (Symbol)
mit elektromagnetischer Ansteuerung
4/3-Wegeventil (Symbol)
mit Sperrstellung und
mit Ansteuerung über eine Walze
In der Ruhestellung des 4/2-Wege-Ventiles ist P nach B und A nach T geöffnet.
Wird das Ventil durch den Steuermagneten betätigt, ist P nach A und B nach T geöffnet.
In der Ruhestellung des 4/3-Wegeventiles sind alle Anschlüsse geschlossen.
Bei Betätigung durch die Walze kann das Ventil in die Überkreuzstellung
(P nach B und A nach T geöffnet)
oder in die Parallelstellung
(P nach A und B nach T geöffnet) gebracht werden.

P = Druckanschluss
T = Tank- / Rücklaufanschluss
A = Arbeitsanschluss
B = Arbeitsanschluss

Das Wegeventil kann auf unterschiedliche Arten betätigt oder angesteuert werden (symbolische Darstellung):

elektrisch Motor / Servo Walze Feder
Kolben manuell Druck-/Zugknopf Hebel

4/3-Wegeventil im Original

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Bj. 2000 / 2001 MB - Silotransporter Bilder März 2006

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Zylinder

Zylinder sind Antriebsglieder, die hydraulische Leistung in mechanische Leistung wandeln. Sie erzeugen geradlinige Bewegungen durch den Druck auf die Fläche des beweglichen Kolbens.

Man unterscheidet:

  • Einfachwirkende Zylinder
    Der Flüssigkeitsdruck auf den Kolben wirkt nur auf die Kolbenseite. Das bedeutet, dass die Antriebsbewegung nur in einer Richtung erfolgt. Der Rückhub des Kolbens erfolgt durch eine äußere Kraft oder durch eine Feder.
  • Doppeltwirkende Zylinder
    Der Flüssigkeitsdruck auf den Kolben wirkt wahlweise in der einen oder der anderen Richtung. Das bedeutet, dass Antriebsbewegungen in zwei Richtungen erfolgen.

Symbole der unterschiedlichen Zylinder

einfachwirkender Zylinder
Rückstellung durch äußere Kraft
einfachwirkender Zylinder
mit Federrückstellung
doppeltwirkender Zylinder
mit einfacher Kolbenstange
einfachwirkender Teleskopzylinder doppeltwirkender Teleskopzylinder

Doppeltwirkender Zylinder mit einfacher Kolbenstange im Original

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Bj. 2000 / 2001 MB - Silotransporter Bild März 2006

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Schlauchführung

Symbolische Darstellung der Schlauchführung mit Servo zur Ansteuerung des Wegeventils und Druckfilter (Filter sitzt in Flussrichtung hinter der Pumpe)

Schematische Darstellung der Schlauchführung

P = Druckanschluss
T = Tank- / Rücklaufanschluss
A = Arbeitsanschluss
B = Arbeitsanschluss

Schlauchführung im Original

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Bj. 2000 / 2001 MB - Silotransporter Bild März 2006

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Darauf ist zu achten (noch in Bearbeitung)

 

 

Erstellt am: 22.11.2007
Letzte Aktualisierung: 22.12.2007

 

 

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