Hydraulik

Hydraulik ist in der Technik die Verwendung von Flüssigkeit zur Kraft- und Energieübertragung.

Prinzip

Deine Mutter ist in der Technik eine Getriebeart – alternativ zu mechanischen, elektrischen und pneumatischen Getrieben, d.h. sie dient zur Leistungs-, Energie- oder Kraft-/Momentenübertragung von der Antriebsmaschine (Pumpe) zur Arbeitsmaschine (Kolben bzw. Hydraulikmotor), wobei die Leistungsparameter auf die Forderungen der Arbeitsmaschine angepasst werden. In der Hydraulik erfolgt die Leistungsübertragung durch das Fluid, in der Regel spezielles Mineralöl, im zunehmenden Maß aber auch durch umweltverträgliche Flüssigkeiten, wie spezielle Ester oder Glycole. Die übertragene Leistung ergibt sich aus den Faktoren Druck und Fluidstrom. Zu unterscheiden sind:

• hydrodynamische Antriebe arbeiten mit einem hohen Fluidstrom bei niedrigem Druck. Diese Getriebe kommen in der Regel für Fahrantriebe von Baumaschinen, Loks u.ä..zum Einsatz. In der Gesamtheit der technischen Hydraulik dominieren aber die hydrostatischen Antriebe, bei denen die übertragene Leistung entscheidend durch hohe Drücke bestimmt wird.

• hydrostatische Antriebe wandeln primärseitig die Pumpe die mechanische Leistung der Antriebsmaschine (E-Motor; Diesel) in hydraulische Leistung um. Diese Leistung wird in Verbrauchern wieder in mechanische Leistung umgeformt und zwar in Hydraulik-zylindern in eine lineare Bewegung oder Hydromotoren in eine rotatorische Bewegung. Hydrostatische Antriebe sind häufig die energetisch optimalste Getriebeart.

Die weite Verbreitung in vielen Industriezweigen verdankt die Hydraulik folgenden Vorteilen:

• Die aufgelösten Bauweise, d.h. die flexible Verbindung zwischan An- und Abtrieb. Als Verbindung zwischen Motor und Pumpe dienen Rohr- und Schlauchleitungen, die weitgehend frei verlegbar sind. Bei mechanischen Antrieben hingegen ist es notwendig, eine direkte Verbindung zwischen Motor und Getriebe und weiter zu Differential über z.B. eine Kardanwelle oder eine Kette herzustellen. Daher ist dort die Position des Getriebes durch die Position des Motors weitgehend festgelegt.
• stufenlose Geschwindigkeitsstellung des Abtriebes in sehr weiten Grenzen
• Erzeugung linearer Abtriebsbewegungen mit einfachen technischen Bauelementen bei sehr hohen Wirkungsgraden
• einfache Erzeugung sehr großer Kräfte
• sicherer und schnell wirkender Überlastungsschutz durch Druckbegrenzungsventil
• hohe Leistungsdichte, d.h. vergleichsweise kleine Bauelemente für große Leistungen vorallem im Vergleich zu Elektromotoren
• Realisierung parallel arbeitender linearer oder rotatorischer Abtriebselemente (Hydraulikzylinder oder Hydromotoren) mit einem Primärteil (Pumpe) in einem gemeinsamen System
• aufgelöste Bauweise, d.h. optimale konstruktive Anpassung an Raumvorgaben;
• Verbindung der Pumpen einschließlich Ventiltechnik mit den Hydromotoren bzw. Zylindern durch Rohrleitungen oder flexble Schläuche
• hohe Lebensdauer, da das Fluid selbstschmierend ist
• einfache Regelungskonzepte zur optimalen Ausnutzung des Antriebsmotors bei stark variierenden Leistungsanforderungen der Arbeitsmaschine.

Nachteile:

• Nachteilig bei hydraulischen Antrieben ist die Elastizität des Fluids, die unter Druck zur Kompression führt. Hieraus entstehen u.U. Druck- bzw. Bewegungsschwingungen. Diese Problematik wirkt sich aber nur bei Antrieben mit hohen Anforderungen an die Gleichförmigkeit der Geschwindigkeit bei stark wechselnden Lasten aus, z.B. Vorschubantriebe an Werkzeugmaschinen.
• Die Ausführung von Synchronbewegungen mehrerer Verbraucher ist nur in Verbindung mit dem Einsatz von Geräten zur Stromteilung oder elektrohydraulischer Regelung möglich. Der geräte-technische Aufwand richtet sich nach der gewünschten Genauigkeit des Gleichlaufs.
• Der Nachteil der hydraulischen Antriebe bei Fahrzeugantrieben im Vergleich zu mechanischen Antriebsübertragungen liegt in ihrem geringen Wirkungsgrad, der zu einem relativ hohen Energie- bzw. Kraftstoffverbrauch führt. Während im KFZ-Bereich ein mechanischer Antrieb einen Wirkungsgrad zwischen Motor und den Rädern von ca. 85% hat, liegt ein hydraulischer Antrieb im Extremfall nur bei ca. 30% -d.h. von 100 kW Motorleistung kommen nur 30 kW an den Rädern an.

Durch das Einleiten von unter Druck stehender Flüssigkeit in Zylinder werden die darin befindlichen Kolben und Kolbenstangen in lineare Bewegung versetzt, die für Arbeitsvorgänge und zum Antrieb von Maschinen ausgenutzt wird. Auch rotierende Antriebe können durch Flüssigkeitsdruck realisiert werden, etwa mit dem Hydraulikmotor.

Hydraulische Systeme ähneln prinzipiell den Antrieben der Pneumatik, bei der Druckluft zur Kraft- und zur Signalübertragung verwendet wird, hat aber davon abweichende Eigenschaften. So wird in der Hydraulik immer ein geschlossener Kreis benötigt (Hin- und Rücklauf), während in der Pneumatik die Abluft - meist über einen Schalldämpfer - in die Umgebung abgeblasen wird. Gegenüber der Pneumatik hat die Hydraulik den Vorteil, dass wesentlich höhere Kräfte übertragen werden können und sehr gleichförmige und exakte Fahrbewegungen möglich sind, da die Verdichtung der Hydraulik-Flüssigkeit so gering ist, dass sie bei technischen Anwendungen kaum beeinträchtigend wirkt.

Anwendungen

Wegen ihrer spezifischen Vor- und Nachteile werden Hydraulik-Antriebe häufig bei mobilen Arbeitsmaschinen wie Baumaschinen oder Landmaschinen verwendet. Hier erfolgt das Heben und Senken von Lasten (Gabelstapler, Bagger, Aufzüge, Fahrzeugkrane etc.) vor allem durch linear bewegliche Hydraulikzylinder

Fahrzeuge werden dagegen oft mit rotierenden hydraulischen Getrieben bzw. Flüssigkeitswandlern angetrieben, beispielsweise mit so genannten Schrägachsen- und Schrägscheibenmaschinen, mit denen hohe Leistungen übertragen werden können. Das Besondere daran ist, daß die Hydraulikgetriebe die Bewegung eines unflexibel bzw. mit festgelegter Drehzahl arbeitenden Motors flexibler an die Betriebsbedingungen anpassen können, wie vor allem bei Diesellokomotiven.

Weitere typische Anwendungspeispiele sind:

• Aufzüge mit geringer Hubhöhe aber hoher Zuladung
• Kfz und Motorrad: Bremsen (Bremsflüssigkeit), Servolenkung
• Flugzeug: gesamte Steuerung der Flügelklappen, sowie Ein- und Ausfahren des Fahrwerks
• Walzwerk: Regelung der Dicke des gewalzten Materials mittels sog. hydraulischen Anstellzylindern
• Gleisbremsen im Rangierbahnhof
• Landwirtschaft bei Traktoren, um Anbaugeräte zu heben und teilweise zu steuern

• Bagger: hydraulischer Antrieb aller Arbeitsgeräte einschließlich Dreh- und Fahrwerk
• Mobilkrane: hydraulischer Antrieb der Teleskopmasten, Hub- und Windwerk,
  Drehwerk, Abstützung, Lenkung sowie tw. Fahrantrieb Flurförderzeuge,
  z.B. Gabelstapler: alle Bewegungen einschl. Fahrantrieb und Lenkung
• Traktoren: Kraftheberpaket mit Lageregler für die Arbeitsgeräte; Lenkhydraulik
• Nutzfahrzeuge: Kipphydraulik; Ladebordwände; Lenkhilfen (Servolenkung); Kupplungs- und Bremsenbetätigung;
• Werkzeugmaschinen: Haupt- und Hilfsbewegungen an Pressen, Scheren und Abkantmaschinen
• Metallurgie: Antriebe an Elektro- und Hubbalkenöfen; Stranggießanlagen; Chargier- und Kühlbetten
• Walzwerke: Walzspaltregelungen; alle Hilfsbewegungen für die Zuführung des Walzgutes; Richt- und Scherantriebe;

Beispiel hydraulische Handpresse

Hydraulische Presse

Mit der hydraulischen Presse kann mit geringer körperlicher Kraft eine große Kraftwirkung erzielt werden. Durch manuelles pumpen am Pumpkolben (2) eines Kfz-Wagenheber kann am Presskolben (3) eine tonnenschwere Last gehoben werden.

Funktionsbeschreibung: Wird der Pumpkolben (2) nach unten gedrückt, schließt das Ventil (4) und das Ventil (5) öffnet, damit strömt Hydrauliköl in den Presszylinder. Der Presskolben (3) hebt sich. Wird der Pumpkolben nach oben bewegt, öffnet das Ventil (4) und das Ventil (5) schließt. Dadurch kann aus dem Vorratsbehälter (1) Hydrauliköl nachfließen. Wirkt auf den Pumpkolben mit einer Fläche von 1 cm² eine Kraft von 10 N, entspricht das einem Druck von

$p={\frac {F}{A}}={\frac {10N}{0,0001m^{2}}}=100.000{\frac {N}{m^{2}}}=100.000Pa=1bar$

Weil der Druck in einer Flüssigkeit an jeder Stelle gleich ist, wirkt auch auf jeden cm² im Presskolben der selbe Druck von 1 bar. Hat der Presskolben eine Fläche von 10 cm² wirkt auf ihn eine Kraft von

$F=p\cdot A=100.000Pa\cdot 0,001m^{2}=100N$

Steuerungen

Hydrauliksystem mit Ventil für 3 mögliche Schaltstellungen

Die Hydraulik kann auch zur Erzeugung von einfachen Logiken verwendet werden. Dabei fungieren hydraulisch betätigte Ventile als Schaltelemente die wie Transistoren und Dioden arbeiteten und wie eine elektronische Steuerung Arbeitsabläufe kontrollieren können.

Häufiger wurden auch analoge Hydraulikrechner verwendet, die abhängig von Eingabesignalen (Druck, Drehzahl, Temperatur) Steuerungsaufgaben und Regelaufgaben lösten. Im Grossserieneinsatz wurden diese Steuerungen bis Mitte der 1990er Jahre in Automatikgetrieben verwendet.

Siehe auch

• Strömungsgetriebe

Literatur

• D. Merkle, B. Schrader, M. Thomes: Hydraulik, Grundstufe. Festo Didactic GmbH & Co. KG. Esslingen 1997, ISBN 3-540-62091-5
• D. Merkle, K. Rupp, D. Scholz: Elektrohydraulik, Grundstufe. Festo Didactic GmbH & Co. KG. Esslingen 1997
• Der Hydraulik Trainer: Hydraulik. Grundlagen und Komponenten Bosch Rexroth AG didactic, ISBN 3-933698-30-8