Eine Hydraulikpumpe, ein Ventil und ein Zylinder mögen zwar jeweils ihre individuellen Spezifikationen erfüllen, doch das bedeutet nicht zwangsläufig, dass sie gut zusammenarbeiten. In vielen Hydrauliksystemen ist eine schlechte Leistung eher auf eine Fehlanpassung der Komponenten als auf ein defektes Bauteil zurückzuführen.
Der Zylinder bestimmt, wie viel Kraft und Ölfluss die Maschine benötigt. Die Pumpe muss den erforderlichen Durchfluss bei dem geforderten Druck liefern, während die Ventile diesen Durchfluss regeln müssen, ohne dass dabei übermäßige Druckverluste entstehen oder die Bewegung des Stellantriebs eingeschränkt wird.
Eine praktische Abfolge für den Abgleich lautet:
Last und Drehzahl → Zylinder → Erforderlicher Druck und Durchfluss → Pumpe → Ventile → Systemüberprüfung
Das Verständnis dieses Zusammenhangs hilft dabei, häufige Probleme wie unzureichende Zylinderkraft, langsame Bewegungen, übermäßige Wärmeentwicklung und unnötigen Energieverbrauch zu vermeiden.
Beginnen Sie die Anpassung des Hydrauliksystems mit dem Zylinder
Bei der Auswahl von Hydraulikkomponenten ist der Zylinder in der Regel der beste Ausgangspunkt, da er die hydraulische Energie in die von der Maschine tatsächlich benötigte Kraft und Bewegung umwandelt.
Die wichtigsten Zylinderparameter sind Bohrungsdurchmesser, Kolbenstangendurchmesser, Hub, Betriebsdruck und erforderliche Bewegungsgeschwindigkeit. Die Bohrungsgröße bestimmt die Kolbenfläche und hat daher einen starken Einfluss sowohl auf die Kraft als auch auf den Ölbedarf.
Die grundlegende Beziehung zwischen Zylinder und Kraft lautet:
F = P × A
wobei F ist Kraft, P ist Druck und A ist die wirksame Kolbenfläche.
Ein größerer Durchmesser erzeugt bei gleichem Druck eine höhere Kraft, erfordert jedoch bei gleicher Bewegungsgeschwindigkeit auch mehr Hydrauliköl. Das bedeutet, dass eine Änderung der Zylindergröße Auswirkungen sowohl auf die Anforderungen an die Pumpe als auch an das Ventil haben kann.
Bei einem Einstangenzylinder sollte auch die Rückzugskraft separat überprüft werden, da die Stange den wirksamen Querschnitt auf der Stangenseite verringert. Die Rückzugskraft ist daher geringer als die Ausfahrkraft, während die Rückzugsgeschwindigkeit bei gleicher Durchflussmenge in der Regel höher ist.
Den Druck der Hydraulikpumpe an die Zylinderkraft anpassen
Sobald die Zylinderbohrung und die erforderliche Maschinenkraft bekannt sind, lässt sich der ungefähre Betriebsdruck berechnen.
Beispielsweise hat ein Zylinder mit einer Bohrung von 80 mm eine Kolbenfläche von etwa 5.027 mm². Bei 160 bar beträgt seine theoretische Ausfahrkraft etwa:
F = P × A ≈ 80 kN
Die tatsächliche Zylinderleistung fällt aufgrund mechanischer Reibung und hydraulischer Druckverluste etwas geringer aus.
Die Pumpe muss daher mit einem Druck betrieben werden, der ausreicht, um die Last und die Leitungsverluste zu überwinden. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Wahl einer Pumpe mit deutlich höherem Druck automatisch zu einer Verbesserung der Systemleistung führt.
Zylinder, Pumpe, Ventile, Schläuche, Anschlüsse und Verteiler sind alle mit Druckwerten angegeben. Der Betriebsdruck des Hydrauliksystems und die Einstellwerte der Überdruckventile müssen innerhalb der zulässigen Werte des gesamten Kreislaufs liegen.
Ein häufiger Fehler bei der Auswahl ist der Versuch, eine unzureichende Zylinderkraft allein durch eine Erhöhung des Systemdrucks zu beheben. Ist der Zylinder für die Last zu klein, kann die Wahl der richtigen Zylindergröße eine bessere Lösung sein als eine ständige Druckerhöhung.
Den Durchfluss der Hydraulikpumpe an die Zylindergeschwindigkeit anpassen
Der Druck bestimmt, ob der Zylinder die Last bewältigen kann, während der Durchfluss bestimmt, wie schnell er sich bewegt.
Die Zylindergeschwindigkeit lässt sich wie folgt abschätzen:
v = Q ÷ A
wobei v ist die Zylindergeschwindigkeit, Q ist Fluss und A ist die wirksame Kolbenfläche.
Angenommen, ein Zylinder mit 80 mm Bohrung benötigt eine Ausfahrgeschwindigkeit von 0,08 m/s. Der erforderliche theoretische Durchfluss beträgt ungefähr:
24 l/min
Die Pumpe muss daher ungefähr diese Menge an nutzbarem Durchfluss liefern, wenn der Zylinder die Solldrehzahl erreichen soll.
Der Hubraum der Pumpe, die Drehzahl und der volumetrische Wirkungsgrad bestimmen den verfügbaren Durchfluss:
Pumpendurchfluss ≈ Hubvolumen × Drehzahl × volumetrischer Wirkungsgrad
Bei der Auswahl der eigentlichen Pumpe sollten die Systemverluste und die tatsächlichen Betriebsbedingungen berücksichtigt werden, anstatt den theoretischen Zylinderbedarf exakt abzudecken.
Wenn mehrere Zylinder oder Hydraulikmotoren gleichzeitig betrieben werden müssen, müssen auch ihre Durchflussanforderungen gemeinsam berücksichtigt werden. Eine Pumpe, die nur für einen Aktuator ausgelegt ist, kann dazu führen, dass alle Funktionen langsamer arbeiten, wenn mehrere Funktionen gleichzeitig ausgeführt werden.
Hydraulikventile auf den Pumpendurchfluss abstimmen
Sobald der Pumpendurchfluss hergestellt ist, müssen die Ventile diesen Durchfluss effizient bewältigen können.
Ein zu kleines Ventil führt zu einem Durchflussengpass. Wenn Öl durch einen engen Strömungsweg fließt, sinkt der Druck am Ventil. Dadurch verringert sich der für den Stellantrieb verfügbare Druck, und hydraulische Energie wird in Wärme umgewandelt.
Aus diesem Grund sollten bei der Auswahl der Ventile folgende Aspekte berücksichtigt werden: Nenn-Durchfluss und erwarteter Druckabfall, nicht nur die Portgröße.
Wenn der Zylinder beispielsweise einen Durchfluss von etwa 24 l/min benötigt, sollte das Wegeventil eine Dauerdurchflusskapazität aufweisen, die deutlich über dem tatsächlichen Betriebsdurchfluss unter den zu erwartenden Druckbedingungen liegt. Sofern verfügbar, sollten die Durchfluss-Druck-Kennlinien des Herstellers überprüft werden.
Das gleiche Prinzip gilt für Durchflussregler, Rückschlagventile, Ausgleichsventile und Verteilerkanäle. Schon ein einziges zu klein dimensioniertes Bauteil kann die Leistung des gesamten Hydrauliksystems beeinträchtigen.
Hydraulikventilfunktionen an das Zylinderverhalten anpassen
Die Durchflusskapazität ist nur ein Aspekt bei der Auswahl eines Ventils. Die Ventilkonfiguration muss zudem auf die voraussichtliche Funktionsweise des Zylinders abgestimmt sein.
Ein doppeltwirkender Zylinder benötigt in der Regel ein Wegeventil, das Öl in beide Zylinderkammern zuführen und aus diesen abführen kann. Bei einem einfachwirkenden Zylinder kann eine andere Ventilanordnung zum Einsatz kommen, da der Hydraulikdruck den Zylinder normalerweise nur in eine Richtung bewegt.
Auch die Belastungsbedingungen spielen eine Rolle. Bei einem vertikal belasteten Zylinder ist unter Umständen ein vorgesteuertes Rückschlagventil oder ein Ausgleichsventil erforderlich, um unkontrollierte Bewegungen zu verhindern. Ein Zylinder, bei dem die Geschwindigkeit einstellbar sein muss, erfordert möglicherweise eine Durchflussregelung, während bei Anwendungen, die eine stufenlose Drehzahl- oder Positionsregelung erfordern, eine proportionale Regelung zum Einsatz kommen kann.
Daher sollte die Ventilauswahl zwei Fragen beantworten:
Kann das Ventil den erforderlichen Druck und Durchfluss bewältigen?
und
Erfüllt das Ventil die vom Stellantrieb geforderte Regelungsfunktion?
Beides muss korrekt sein, damit das Hydrauliksystem ordnungsgemäß funktioniert.
Überprüfen Sie den Druckverlust im gesamten Hydraulikkreislauf
Der Pumpendruck entspricht nicht dem Druck, der letztendlich den Zylinder erreicht.
Das Öl kann durch Wegeventile, Durchflussregler, Schläuche, Armaturen, Filter und Verteiler fließen, bevor es den Stellantrieb erreicht. Jede Komponente verursacht einen gewissen Druckverlust.
Wenn beispielsweise der Ausgangsdruck der Pumpe 160 bar beträgt, der Kreislauf jedoch vor dem Zylinder 10 bar verliert, stehen unter diesen Betriebsbedingungen am Stellantrieb nur etwa 150 bar zur Verfügung.
Auch Druckverluste erzeugen Wärme. Die ungefähre hydraulische Leistung, die durch eine Drossel verloren geht, lässt sich anhand folgender Formel abschätzen:
Leistungsverlust (kW) = Druckabfall (bar) × Durchfluss (l/min) ÷ 600
Aus diesem Grund ist es in der Regel ineffizient, die Pumpe überdimensioniert auszuwählen und den Durchfluss anschließend über ein Ventil stark zu drosseln. Das System erreicht zwar möglicherweise noch die erforderliche Zylindergeschwindigkeit, doch wird unnötiger Pumpendurchfluss in Wärme umgewandelt.
Eine gute Abstimmung der Hydraulikkomponenten zielt darauf ab, den erforderlichen Druck und Durchfluss bereitzustellen, ohne dabei übermäßige Strömungsdrosselungen zu verursachen.
Beispiel für die Abstimmung von Pumpe, Ventil und Zylinder
Betrachten wir ein einfaches Hydrauliksystem mit folgenden Anforderungen an den Zylinder:
| Parameter | Beispiel |
|---|---|
| Zylinderdurchmesser | 80 mm |
| Stangendurchmesser | 40 mm |
| Erforderliche Ausfahrgeschwindigkeit | 0,08 m/s |
| Betriebsdruck | 160 bar |
| Anforderung an den Durchfluss der Verlängerung | ca. 24 l/min |
| Theoretische Dehnungskraft | ca. 80 kN |
Aus der Zylinderanforderung geht hervor, dass die Pumpe ungefähr 24 l/min nutzbarer Durchfluss bei dem erforderlichen Betriebsdruck.
Die Pumpe sollte daher entsprechend dem Soll-Durchfluss, dem Betriebsdruck, der Pumpendrehzahl und dem erwarteten Wirkungsgrad ausgewählt werden. Das Wegeventil und andere Regelventile sollten Druckwerte aufweisen, die für das System geeignet sind, sowie Durchflusskapazitäten, die deutlich über dem tatsächlichen Arbeitsdurchfluss liegen.
Die vollständige Abgleichlogik lautet wie folgt:
80-mm-Zylinder
→ erfordert ungefähr 160 bar als Sollkraft
→ erfordert ungefähr 24 l/min bei der Soll-Drehzahl
→ bestimmt den erforderlichen Pumpendruck und Fördermenge
→ bestimmt den erforderlichen Ventildruck und Durchflussleistung
→ gefolgt von der Überprüfung von Druckverlust, Wärmeentwicklung und Regelverhalten
Dies ist zuverlässiger, als Pumpe, Ventil und Zylinder einzeln auszuwählen.
Häufige Fehler bei der Auswahl von Hydraulikkomponenten
Ein häufiger Fehler besteht darin, Komponenten ausschließlich anhand ihres Maximaldrucks aufeinander abzustimmen. Zwei Komponenten können zwar beide für 250 bar ausgelegt sein, doch bedeutet dies nicht, dass ihre Durchflusskapazitäten oder Regelcharakteristiken miteinander kompatibel sind.
Ein weiterer Fehler besteht darin, Ventile ausschließlich anhand der Anschlussgröße auszuwählen. Zwei Ventile mit derselben Anschlussgröße können sehr unterschiedliche Durchflussleistungen und Druckverluste aufweisen.
Auch überdimensionierte Pumpen können Probleme verursachen. Ein höherer Durchfluss ist nicht immer besser. Wenn der Zylinder den zusätzlichen Durchfluss nicht benötigt, muss dieser möglicherweise gedrosselt oder in den Vorratsbehälter zurückgeführt werden, was den Energieverbrauch und die Wärmeentwicklung erhöht.
Der Schlüssel liegt darin, Stellen Sie sicher, dass die Anforderungen an Zylinderkraft und -geschwindigkeit mit dem Pumpendruck und dem Durchfluss übereinstimmen, und stellen Sie anschließend sicher, dass die Ventile diesen Durchfluss effizient und sicher regeln können.
Fazit: Das Hydrauliksystem als ein einheitliches System auslegen
Hydraulikpumpen, Ventile und Zylinder sollten niemals als völlig unabhängige Komponenten ausgewählt werden.
Gehen Sie zunächst von der Last und der erforderlichen Bewegung aus. Legen Sie anhand dieser Anforderungen die Zylindergröße, den Betriebsdruck und den erforderlichen Durchfluss fest. Wählen Sie anschließend eine Pumpe aus, die diesen Druck und Durchfluss liefern kann, sowie Ventile, die die erforderliche Durchflusskapazität bewältigen und die richtigen Steuerungsfunktionen bieten.
Die grundlegende Zuordnungsbeziehung lautet:
Zylinderkraft → Druck
Zylindergeschwindigkeit → Durchfluss
Pumpe → liefert Druck und Durchfluss
Ventile → Regelung von Druck, Durchfluss und Durchflussrichtung
Wenn diese Komponenten richtig aufeinander abgestimmt sind, kann das Hydrauliksystem die erforderliche Kraft, Geschwindigkeit und Steuerung erzielen und gleichzeitig unnötige Druckverluste, Wärmeentwicklung und eine überdimensionierte Auslegung der Komponenten reduzieren.
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