Bei der Auslegung eines Hydrauliksystems sollte man von den Anforderungen der Maschine ausgehen und nicht von einer aus einem Katalog ausgewählten Pumpe, einem Ventil oder einem Hydraulikaggregat. Bevor man sich für eine Hydraulikkomponente entscheidet, ist es wichtig zu wissen, wie viel Kraft die Maschine benötigt, wie schnell sich der Antrieb bewegen muss, wie oft das System in Betrieb sein wird und welches Maß an Steuerung und Sicherheit erforderlich ist.
Diese Anforderungen bestimmen die Größe des Stellantriebs, den Betriebsdruck, den Durchflussbedarf, die Pumpenleistung, die Ventilkonfiguration und den Aufbau des Hydraulikkreislaufs. Ein praktischer Auslegungsprozess für Hydrauliksysteme lässt sich wie folgt zusammenfassen:
Lastanforderungen → Stellantrieb → Druck → Durchfluss → Pumpe und Motor → Ventile → Schaltungsarchitektur → Systemüberprüfung
Definieren Sie die Anforderungen an das Hydrauliksystem
Der erste Schritt besteht darin, genau zu definieren, welche Aufgaben das Hydrauliksystem erfüllen muss. Bei einem zylinderbasierten System umfassen die wichtigsten Angaben in der Regel die erforderliche Kraft, den Hub, die Bewegungsgeschwindigkeit, den Arbeitszyklus, die Anzahl der Aktuatoren, die Betriebsabfolge und die verfügbare Stromversorgung. Auch die Betriebsumgebung und die erforderliche Steuerungsmethode sollten berücksichtigt werden.
Zwei Maschinen können zwar die gleiche Zylinderkraft erfordern, benötigen aber dennoch sehr unterschiedliche Hydrauliksysteme. So kann beispielsweise eine Maschine nur einige Male pro Stunde in Betrieb sein, während eine andere im Dauerbetrieb läuft. Ihr Kraftbedarf mag zwar identisch sein, doch die Anforderungen an Pumpe, Motor, Vorratsbehälter und Kühlung können sehr unterschiedlich sein.
Aus diesem Grund sollte die Auslegung des Hydrauliksystems auf dem gesamten Maschinenzyklus basieren und nicht nur auf der maximalen Belastung.
Bestimmung der Kraft des Hydraulikzylinders und der Größe des Stellantriebs
Bei einem Hydraulikzylinder gilt folgendes grundlegendes Kräfteverhältnis:
F = P × A
wobei F ist die Zylinderkraft, P ist der Hydraulikdruck und A ist die wirksame Kolbenfläche.
Die tatsächliche Auslegungskraft sollte in der Regel eine angemessene Sicherheitsmarge für Reibung, mechanische Verluste, Beschleunigung und wechselnde Belastungsbedingungen enthalten. Wenn eine Maschine eine Auslegungskraft von etwa 65 kN benötigt und der gewählte Betriebsdruck 160 bar beträgt, lässt sich die erforderliche Kolbenfläche wie folgt berechnen:
A = F ÷ P
Daraus ergibt sich ein theoretischer Bohrungsdurchmesser von etwa 72 mm. In der Praxis kann nach Prüfung der verfügbaren Zylindergrößen, des Einbauraums und der erforderlichen Sicherheitsreserve ein Standardbohrungsdurchmesser, beispielsweise 80 mm, gewählt werden.
Zylinderbohrung und Systemdruck sollten stets gemeinsam betrachtet werden. Ein größerer Zylinder kann bei gleichem Druck mehr Kraft erzeugen, benötigt jedoch auch mehr Öl, um die gleiche Bewegungsgeschwindigkeit zu erreichen.
Druck und Durchfluss im Hydrauliksystem berechnen
Druck und Durchfluss spielen in einem Hydrauliksystem unterschiedliche Rollen. Der Druck hängt hauptsächlich mit der Last zusammen, die der Aktuator überwinden kann, während der Durchfluss hauptsächlich mit der Geschwindigkeit des Aktuators zusammenhängt.
Sobald die Zylindergröße ausgewählt wurde, lässt sich der erforderliche Durchfluss wie folgt berechnen:
Q = A × v
wobei Q ist Fluss, A ist die wirksame Kolbenfläche und v ist die Kolbengeschwindigkeit.
Bei einem Zylinder mit 80 mm Bohrung, der sich mit 0,1 m/s bewegt, beträgt der theoretische Durchflussbedarf etwa 30 l/min. In einem realen System sollten zudem der Wirkungsgrad der Pumpe, interne Leckagen und Kreislaufverluste berücksichtigt werden.
Diese Zusammenhänge sind auch bei der Fehlersuche von Bedeutung. Wenn ein Zylinder zwar über ausreichende Kraft verfügt, sich aber zu langsam bewegt, ist eine Erhöhung des Drucks in der Regel nicht die richtige Lösung. Stattdessen sollten der verfügbare Durchfluss und eventuelle Engpässe im Hydraulikkreislauf überprüft werden.
Wählen Sie die Hydraulikpumpe und den Hydraulikmotor aus
Sobald der erforderliche Druck und der erforderliche Durchfluss bekannt sind, kann die Hydraulikpumpe ausgewählt werden. Die Pumpe muss einen Durchfluss liefern, der für die gewünschte Stellgliedgeschwindigkeit ausreicht, und gleichzeitig bei dem erforderlichen Systemdruck zuverlässig arbeiten.
Zahnradpumpen werden häufig in relativ einfachen Hydrauliksystemen eingesetzt, während Flügelzellen- oder Kolbenpumpen gewählt werden können, wenn höherer Druck, besserer Wirkungsgrad, geringere Geräuschentwicklung oder ein variabler Durchfluss erforderlich sind. Die Wahl des richtigen Pumpentyps hängt von der jeweiligen Anwendung insgesamt ab und nicht allein vom Druck.
Die hydraulische Leistung lässt sich anhand folgender Formel abschätzen:
Hydraulische Leistung (kW) = Druck (bar) × Durchfluss (L/min) ÷ 600
Wenn das System bei 160 bar und 30 l/min betrieben wird, beträgt die theoretische hydraulische Leistung etwa 8 kW. Der tatsächlich eingesetzte Motor sollte über zusätzliche Leistung verfügen, um Verluste durch die Pumpe und mechanische Wirkungsgradverluste auszugleichen, wobei auch Spitzenlasten und der Arbeitszyklus zu berücksichtigen sind.
Die Auswahl der Pumpe sollte daher erst erfolgen, nachdem die Anforderungen an den Antrieb festgelegt wurden, und nicht vorher.
Wählen Sie die richtigen Hydraulikventile aus
Sobald der Leistungsbedarf festgelegt ist, besteht der nächste Schritt darin, zu steuern, wohin das Öl fließt und wie sich der Stellantrieb verhält. Ein typisches Hydrauliksystem benötigt möglicherweise Druck-, Wege-, Durchfluss- und Lastregelventile.
Ein Überdruckventil begrenzt den maximalen Systemdruck, während ein Wegeventil das Aus- und Einfahren des Zylinders steuert. Durchflussregelventile können die Geschwindigkeit des Stellglieds regulieren, und Rückschlagventile verhindern einen unerwünschten Rückfluss. Systeme mit schwebenden oder nachlaufenden Lasten erfordern unter Umständen auch vorgesteuerte Rückschlagventile oder Ausgleichsventile.
Die Auswahl eines Ventils sollte sich nicht ausschließlich nach der Anschlussgröße richten. Nenndruck, Durchflussleistung, Druckverlust, Leckageverhalten und Steuerungsart können die Leistung eines Hydrauliksystems beeinflussen. Ein zu klein dimensioniertes Ventil kann unnötige Druckverluste verursachen, die verfügbare Antriebsleistung verringern und zusätzliche Wärme erzeugen.
Wählen Sie die Architektur des Hydraulikkreislaufs aus
Nachdem die Funktionen von Pumpe, Stellantrieb und Ventil festgelegt wurden, kann die gesamte Architektur des Hydraulikkreislaufs ausgewählt werden. Die richtige Architektur hängt von der Komplexität der Maschine, der Anzahl der Funktionen, der erforderlichen Regelgenauigkeit und den Energieeffizienzzielen ab.
An Hydrauliksystem mit offenem Kreislauf Normalerweise lässt es den Pumpenstrom in den Vorratsbehälter zurückfließen, wenn sich das Wegeventil in der Neutralstellung befindet. Es wird häufig bei Festverdrängerpumpen eingesetzt und eignet sich für viele einfache mobile und industrielle Systeme.
A Hydrauliksystem mit geschlossenem Kreislauf steuert oder sperrt den Hauptströmungsweg anders, wenn sich die Maschine nicht bewegt. Diese Systeme werden häufig mit druckkompensierten oder Pumpen mit variablem Fördervolumen kombiniert und sind dort sinnvoll, wo eine komplexere Steuerung erforderlich ist.
A Lastabhängiges Hydrauliksystem passt die Förderleistung der Pumpe an den Druck- und Durchflussbedarf der aktiven Funktion an. Dadurch lässt sich unnötiger Energieverbrauch reduzieren, insbesondere bei Maschinen, bei denen sich die Last und der erforderliche Durchfluss häufig ändern.
Die technisch fortschrittlichste Schaltung ist nicht immer die beste Wahl. Die Architektur sollte den tatsächlichen Betriebsanforderungen, dem Kostenziel und dem erforderlichen Kontrollgrad entsprechen.
Überprüfen Sie die gesamte Auslegung des Hydrauliksystems
Nachdem der Hauptkreislauf entworfen wurde, müssen auch die zugehörigen Komponenten überprüft werden. Der Vorratsbehälter muss ein ausreichendes Arbeitsölvolumen bereitstellen und die Wärmeableitung sowie die Luftabscheidung gewährleisten, während die Filterung den Reinheitsanforderungen der Pumpe und der Steuerungskomponenten entsprechen sollte.
Schläuche, Rohre, Armaturen und Verteiler sollten so dimensioniert sein, dass übermäßige Druckverluste vermieden werden. Ist der Durchflussweg zu eng, sinkt die verfügbare Antriebsleistung, und es wird mehr hydraulische Energie in Wärme umgewandelt.
Die thermische Leistung muss ebenfalls im Hinblick auf den tatsächlichen Arbeitszyklus überprüft werden. Dauerbetrieb, übermäßige Drosselung, Verluste durch Überdruckventile und interne Leckagen können die Öltemperatur erhöhen. Alle druckführenden Bauteile sollten zudem mit Sicherheitsreserven ausgelegt sein, die über den erwarteten Betriebsbedingungen liegen.
Beispiel für die Auslegung eines Hydrauliksystems
Betrachten wir eine Maschine mit den folgenden Anforderungen:
| Parameter | Beispiel |
|---|---|
| Erforderliche Auslegungskraft | 65 kN |
| Betriebsdruck | 160 bar |
| Zylinderdurchmesser | 80 mm |
| Zylinderhub | 500 mm |
| Sollgeschwindigkeit | 0,1 m/s |
| Benötigte Durchflussmenge | ca. 30 l/min |
| Theoretische hydraulische Leistung | ca. 8 kW |
Der Entwurfsablauf würde wie folgt aussehen:
Maschinenbelastung → Zylinderauswahl → Betriebsdruck → Erforderlicher Durchfluss → Pumpenauswahl → Motorauswahl → Ventilfunktionen → Hydraulikkreis → Systemüberprüfung
Entscheidend ist, dass diese Parameter miteinander zusammenhängen. Ändert sich der Zylinderbohrungsdurchmesser, können sich auch der erforderliche Druck und der Durchfluss ändern. Steigt die Solldrehzahl, müssen möglicherweise auch die Fördermenge der Pumpe und die Motorleistung erhöht werden. Ändert sich der Betriebszyklus von intermittierendem zu Dauerbetrieb, können die Anforderungen an die Kühlung an Bedeutung gewinnen.
Die Auslegung von Hydrauliksystemen ist daher eher ein iterativer Prozess als eine einfache Auswahl von Bauteilen.
Häufige Fehler bei der Auslegung von Hydrauliksystemen
Ein häufiger Fehler besteht darin, zunächst die Pumpe auszuwählen und dann zu versuchen, den Rest des Hydrauliksystems darauf abzustimmen. Ein weiterer Fehler ist, sich ausschließlich auf den Maximaldruck zu konzentrieren und dabei den erforderlichen Durchfluss, die Geschwindigkeit und den Arbeitszyklus außer Acht zu lassen.
Eine Überdimensionierung kann ebenfalls zu Problemen führen. Eine Pumpe, die einen deutlich höheren Durchfluss liefert, als die Maschine tatsächlich benötigt, kann den Motorleistungsbedarf erhöhen, unnötige Drosselungen verursachen und mehr Wärme erzeugen.
Ein besserer Ansatz besteht darin, Kraft, Druck, Durchfluss, Geschwindigkeit, Leistung und Regelung als miteinander verbundene Konstruktionsparameter hydraulischer Systeme.
Fazit: Aufbau eines optimal abgestimmten Hydrauliksystems
Ein Hydrauliksystem sollte ausgehend von den Anforderungen der Maschine entworfen werden. Zunächst sind die erforderliche Last und die Bewegung zu bestimmen, anschließend sind der Aktuator und der Arbeitsdruck auszuwählen, der erforderliche Durchfluss zu berechnen, die Pumpe und der Motor auszuwählen, die Ventilfunktionen zu definieren und die geeignete Schaltungsarchitektur auszuwählen.
Überprüfen Sie abschließend den Vorratsbehälter, die Filterung, die Druckverluste, die Temperatur sowie die Sicherheitsanforderungen. Sind diese Komponenten richtig aufeinander abgestimmt, kann das Hydrauliksystem die erforderliche Kraft, Geschwindigkeit und Steuerung ohne unnötige Überdimensionierung oder Energieverluste bereitstellen.
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