Ein Hydrauliksystem nutzt unter Druck stehende Flüssigkeit zur Kraftübertragung und zur Steuerung mechanischer Bewegungen. Es kann lineare Bewegungen über Hydraulikzylinder oder Drehbewegungen über Hydraulikmotoren erzeugen, weshalb Hydraulik in Industriemaschinen, mobilen Geräten, Landmaschinen, Hebesystemen, Pressen und automatisierten Produktionsanlagen weit verbreitet ist.
Um ein Hydrauliksystem zu verstehen, reicht es jedoch nicht aus, nur seine einzelnen Komponenten zu kennen. Druck, Durchfluss, Größe der Aktuatoren, Steuerventile und Schaltkreisauslegung müssen als ein System zusammenwirken. Der Druck bestimmt in erster Linie, wie viel Last das System bewältigen kann, während der Durchfluss die Geschwindigkeit der Aktuatoren maßgeblich beeinflusst. Pumpen erzeugen den Durchfluss, Ventile regeln diesen Durchfluss, Aktuatoren wandeln hydraulische Energie in mechanische Arbeit um, und der Schaltkreis bestimmt, wie all diese Elemente zusammenwirken.
Dieser Artikel erläutert diese Zusammenhänge und bietet eine praktische Grundlage für das Verständnis der Auslegung und Leistung von Hydrauliksystemen.
Was ist ein hydraulisches System?
Ein Hydrauliksystem ist ein Kraftübertragungs- und Steuerungssystem, das mithilfe von Hydraulikflüssigkeit Energie von einer Kraftquelle auf einen Aktuator überträgt.
Ein typisches System beginnt mit einer Antriebsmaschine, beispielsweise einem Elektromotor oder einem Dieselmotor, die eine Hydraulikpumpe antreibt. Die Pumpe fördert Öl aus dem Vorratsbehälter in den Hydraulikkreislauf. Ventile regeln dann den Druck, die Richtung und den Durchfluss des Öls, bevor es einen Zylinder oder einen Hydraulikmotor erreicht. Nach der Arbeitsausführung fließt das Öl in der Regel durch den Kreislauf zurück in den Vorratsbehälter.
Der gesamte Energiepfad lässt sich wie folgt vereinfachen:
Mechanische oder elektrische Energie → hydraulischer Durchfluss und Druck → gesteuerte Fluidkraft → mechanische Bewegung
Entscheidend ist, dass ein Hydrauliksystem eher als integriertes System betrachtet werden sollte als als eine Ansammlung unabhängiger Komponenten.
Druck und Durchfluss: Die beiden grundlegenden Größen in einem Hydrauliksystem
Druck und Durchfluss werden oft im Zusammenhang genannt, erfüllen jedoch unterschiedliche Funktionen.
Der Hydraulikdruck hängt in erster Linie mit der Last und der Kraft zusammen. Druck entsteht, wenn der Hydraulikstrom auf einen Widerstand trifft. Eine Pumpe erzeugt den Durchfluss; der durch die Last des Stellantriebs und den Hydraulikkreislauf verursachte Widerstand führt zu einem Druckanstieg.
Der Hydraulikdurchfluss hängt in erster Linie von der Geschwindigkeit des Stellglieds ab. Eine Erhöhung der Ölzufuhr zu einem Zylinder führt in der Regel zu einer Erhöhung seiner Bewegungsgeschwindigkeit, vorausgesetzt, die Zylindergröße und andere Bedingungen im Kreislauf bleiben unverändert.
| Hydraulische Variable | Wichtigste Einflüsse | Typische Einheiten |
|---|---|---|
| Druck | Kraft-/Drehmomentkapazität | bar, MPa, psi |
| Strömung | Aktuatorgeschwindigkeit | l/min, GPM |
| Zylinderdurchmesser | Verfügbare Zylinderkraft | mm, Zoll |
| Pumpenverdrängung / Drehzahl | Verfügbarer Durchfluss | cc/rev, U/min |
| Ventilkapazität | Durchflussregelung und Druckverlust | l/min, GPM |
Diese Unterscheidung ist sowohl bei der Systemauslegung als auch bei der Fehlerbehebung von Bedeutung. Ein Zylinder, der die erforderliche Last nicht anheben kann, weist möglicherweise ein Problem mit dem Druck oder der Dimensionierung des Stellantriebs auf, während ein Zylinder, der zwar ausreichend Kraft erzeugt, sich aber zu langsam bewegt, möglicherweise ein Problem im Zusammenhang mit dem Durchfluss hat.
Wie Druck die Kraft eines Hydraulikzylinders erzeugt
Eine der grundlegendsten hydraulischen Beziehungen lautet:
Kraft = Druck × Wirkfläche
oder:
F = P × A
Das bedeutet, dass die Zylinderkraft sowohl vom Betriebsdruck als auch von der wirksamen Kolbenfläche abhängt.
Bei gleichem Druck kann ein Zylinder mit größerem Innendurchmesser eine höhere Kraft erzeugen. Ebenso lässt sich die verfügbare Kraft durch eine Erhöhung des Systemdrucks steigern, vorausgesetzt, der Zylinder, die Pumpe, die Ventile, die Schläuche, die Anschlüsse und andere Komponenten sind für diesen Druck ausgelegt.
Aus diesem Grund ist eine bloße Erhöhung des Überdruckventildrucks nicht immer die geeignete Lösung, wenn einer Maschine die Kraft fehlt. Zunächst sollten der Gesamtdruck des Systems und die erforderliche Last bewertet werden.
Die Rückzugskraft des Zylinders kann bei einem herkömmlichen Einstangenzylinder ebenfalls geringer sein als die Ausfahrkraft, da die Stange einen Teil der wirksamen Fläche auf der Stangenseite einnimmt.
Wie der Durchfluss die Geschwindigkeit eines Hydraulikzylinders bestimmt
Die Zylindergeschwindigkeit hängt eng mit dem in den Aktuator einströmenden Durchfluss zusammen:
Geschwindigkeit = Durchfluss ÷ Wirkfläche
oder ungefähr:
v = Q / A
Wenn zwei Zylinder den gleichen Durchfluss erhalten, aber unterschiedliche Bohrungsdurchmesser haben, bewegt sich der kleinere Zylinder in der Regel schneller, da für denselben Kolbenhub ein geringeres Ölvolumen benötigt wird.
Dadurch entsteht eine wichtige gestalterische Beziehung.
Ein größerer Durchmesser kann zwar die verfügbare Kraft erhöhen, erfordert jedoch auch mehr Öl, um die gleiche Geschwindigkeit zu erreichen. Daher ist die Auswahl eines Hydraulikzylinders untrennbar mit der Auswahl der Pumpe und der erforderlichen Fördermenge verbunden.
Beispielsweise kann eine OEM-Maschine, die sowohl eine hohe Kraft als auch schnelle Bewegungen erfordert, eine größere Pumpe, einen anderen Betriebsdruck oder einen Kreislauf benötigen, der in den verschiedenen Phasen des Maschinenzyklus unterschiedliche Durchflussmengen liefert.
Wie die wichtigsten Hydraulikkomponenten zusammenwirken
Ein Hydrauliksystem besteht aus mehreren Funktionsgruppen. Ihre genaue Zusammensetzung hängt von den Anforderungen der jeweiligen Maschine ab, doch die meisten Systeme umfassen eine Energiequelle, Steuerelemente, Stellglieder und Komponenten für das Flüssigkeitsmanagement.
Hydraulikpumpe und Antriebsquelle
Der Elektromotor, der Verbrennungsmotor oder eine andere Antriebsmaschine treibt die Hydraulikpumpe an. Die Pumpe saugt Öl aus dem Vorratsbehälter an und erzeugt einen Hydraulikstrom.Zahnradpumpen werden üblicherweise für relativ einfache Systeme eingesetzt, während Flügelzellen- und Kolbenpumpen gewählt werden können, wenn unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich Druck, Wirkungsgrad, Geräuschentwicklung oder variabler Fördermenge bestehen.Die Pumpe muss sowohl auf den erforderlichen Systemdruck als auch auf den Durchfluss abgestimmt sein.
Hydraulikventile
Ventile steuern, was mit dem Öl geschieht, nachdem es die Pumpe verlassen hat.Wegeventile bestimmen, wohin die Flüssigkeit fließt. Druckregelventile begrenzen oder regeln den Druck, während Durchflussregelventile die Geschwindigkeit des Stellglieds beeinflussen. Komplexere Systeme können zudem Proportionalventile, Lasthalteventile, Ausgleichsventile oder Kartuschenventilblöcke umfassen.Die Wahl des Ventils wirkt sich daher nicht nur auf das Regelverhalten aus, sondern auch auf den Druckverlust, die Wärmeentwicklung und den Gesamtwirkungsgrad des Systems.
Hydraulikantriebe
Hydraulikzylinder wandeln Hydraulikleistung in lineare Kraft und Bewegung um, während Hydraulikmotoren eine Drehbewegung erzeugen. Bei der Dimensionierung eines Stellantriebs müssen die erforderliche Last, der Druck, die Bewegungsgeschwindigkeit, der Hub bzw. die Drehzahl, die Befestigungsart und die Betriebsumgebung berücksichtigt werden. Eine Pumpe mit der richtigen Größe kann einen falsch dimensionierten Stellantrieb nicht ausgleichen und umgekehrt.
Speicher, Filtration und Fluidaufbereitung
Der Vorratsbehälter dient zur Aufnahme von Hydrauliköl und trägt zudem zur Kühlung, Luftabscheidung und Flüssigkeitsaufbereitung bei.Filter tragen zur Eindämmung von Verunreinigungen bei, während zur Aufrechterhaltung einer geeigneten Betriebstemperatur unter Umständen Kühler oder Heizungen erforderlich sind. Schläuche, Rohre, Armaturen und Verteiler müssen zudem richtig dimensioniert sein, um übermäßige Druckverluste zu vermeiden und einen zuverlässigen Durchfluss zu gewährleisten.
Diese Komponenten mögen zwar nebensächlich erscheinen, doch ein mangelhaftes Flüssigkeitsmanagement kann die Zuverlässigkeit des Systems erheblich beeinträchtigen.
So funktioniert ein vollständiger Hydraulikkreislauf
Betrachten wir eine einfache Zylinderschaltung.
Das Öl wird im Vorratsbehälter gespeichert. Wenn die Antriebsmaschine anläuft, saugt die Pumpe Öl an und fördert es in die Druckleitung. Ein Überdruckventil legt den maximal zulässigen Systemdruck fest, während ein Wegeventil bestimmt, welche Seite des Zylinders mit Öl versorgt wird.
Wenn Öl in das Deckelende eines doppeltwirkenden Zylinders einströmt, erzeugt der auf den Kolben wirkende Druck eine Ausfahrkraft. Das Öl von der gegenüberliegenden Seite fließt durch das Ventil zurück in den Vorratsbehälter.
Um den Zylinder zurückzuziehen, ändert das Wegeventil den Durchflussweg. Der Pumpenstrom wird zur Kolbenstangenseite geleitet, während das Öl von der Kappenseite in den Tank zurückfließt.
Die tatsächliche Leistung der Maschine hängt davon ab, wie Druck, Durchfluss, Ventileigenschaften, Zylinderabmessungen und Last in diesem Kreislauf zusammenwirken.
Open-Center-, Closed-Center- und Load-Sensing-Kreisläufe
Nicht alle Hydrauliksysteme regeln den Pumpendurchfluss auf dieselbe Weise.
In einem System mit offenem Zentrum, hat der Pumpenstrom normalerweise einen offenen Rücklauf zum Vorratsbehälter, wenn sich die Steuerventile in der Neutralstellung befinden. Diese Bauweise ist bei relativ einfachen Pumpensystemen mit festem Fördervolumen üblich.
In einem System mit geschlossenem Zentrum, wird der Durchflussweg gesperrt oder anders geregelt, wenn keine Bewegung des Stellantriebs erforderlich ist. Diese Systeme werden häufig mit druckkompensierten oder Verstellpumpen kombiniert.
A Lastabhängiges Hydrauliksystem passt die Förderleistung der Pumpe an den von der aktiven Funktion benötigten Druck und Durchfluss an. Dies kann die Energieeffizienz bei Maschinen mit schwankendem Betriebsbedarf verbessern.
Die richtige Architektur hängt von Faktoren wie gleichzeitigen Funktionen, Arbeitszyklus, erforderlicher Regelgenauigkeit, Energieeffizienz und den Betriebsbedingungen der Maschine ab.
Warum Hydraulikkomponenten als System aufeinander abgestimmt sein müssen
Bei der Auslegung eines Hydrauliksystems sollte man in der Regel von den Anforderungen der Maschine ausgehen und nicht von einer einzelnen Pumpe oder einem einzelnen Ventil.
Ingenieure müssen zunächst die erforderliche Last, die Antriebskraft, die Bewegungsgeschwindigkeit, den Hub, den Arbeitszyklus und die Steuerungsanforderungen ermitteln. Diese Anforderungen werden dann in die Dimensionierung der Zylinder oder Motoren, den Systemdruck und den erforderlichen Durchfluss umgesetzt.
Auf dieser Grundlage können Pumpe, Motor, Ventile, Vorratsbehälter, Filteranlage, Kühlsystem, Rohrleitungen und Steuerungen ausgewählt werden.
Ein grundlegender Entwurfsablauf sieht wie folgt aus:
- Legen Sie die erforderliche Maschinenbewegung und die Last fest.
- Berechnen Sie die erforderlichen Kräfte oder Drehmomente des Stellantriebs.
- Wählen Sie einen geeigneten Betriebsdruck und eine geeignete Antriebsgröße aus.
- Berechnen Sie den für die Solldrehzahl erforderlichen Durchfluss.
- Wählen Sie die Pumpe und den Antrieb aus.
- Entwerfen Sie die Ventil- und Schaltungsarchitektur.
- Überprüfen Sie Druckverluste, Wärmeentwicklung, Filterung und den Arbeitszyklus.
- Überprüfen Sie die Druck- und Durchflusswerte der Komponenten.
Dieser systemweite Ansatz verringert das Risiko einer Überdimensionierung, unzureichender Leistung und unnötiger Wärmeentwicklung.
Wo kommen Hydrauliksysteme zum Einsatz?
Hydrauliksysteme sind besonders nützlich, wenn Anlagen eine hohe Kraft, kontrollierte Bewegungen oder einen zuverlässigen Betrieb unter hoher Belastung erfordern.
Zu den typischen Anwendungsbereichen zählen Landmaschinen, Baumaschinen, Hydraulikpressen, Hebebühnen, Fördertechnik, Abfallverdichtungsanlagen, Produktionsmaschinen, Schiffsausrüstung und spezielle Prüfsysteme.
Die Architektur kann je nach Anwendung erheblich variieren. Eine kompakte mobile Maschine kann mit einem kleinen integrierten Hydraulikaggregat ausgestattet sein, während eine industrielle Fertigungslinie möglicherweise einen großen Vorratsbehälter, mehrere Pumpen, Verteilerbaugruppen, Filter, Kühlsysteme und SPS-gesteuerte Proportionalventile erfordert.
Die grundlegenden Zusammenhänge zwischen Druck, Durchfluss, Komponenten und Stellgliedern bleiben jedoch unverändert.
Praktische Überlegungen für eine zuverlässige Leistung von Hydrauliksystemen
Ein Hydrauliksystem funktioniert nicht einwandfrei, nur weil jede einzelne Komponente über eine ausreichende maximale Nennleistung verfügt.
Die Durchflussleistung muss der erforderlichen Drehzahl entsprechen. Der Druck muss der Belastung angepasst sein, ohne das System unnötig zu belasten. Ventildurchgänge, Schläuche und Armaturen sollten übermäßige Druckverluste minimieren. Ölviskosität, Reinheit und Temperatur müssen innerhalb geeigneter Betriebsbereiche bleiben.
Bei der Fehlersuche sollten Techniker daher zunächst diese Zusammenhänge untersuchen, anstatt sofort einzelne Komponenten auszutauschen. Ein langsamer Zylinder kann beispielsweise auf einen unzureichenden Pumpendurchfluss, interne Leckagen, Ventildrosselungen, eine falsche Ölviskosität oder übermäßige Leitungsverluste zurückzuführen sein.
Wenn man den gesamten Schaltkreis versteht, lässt sich die eigentliche Ursache leichter ermitteln.
FAQ
F: Erzeugt eine Hydraulikpumpe Druck oder Durchfluss?
A:Eine Hydraulikpumpe erzeugt in erster Linie einen Durchfluss. Druck entsteht, wenn dieser Durchfluss auf einen Widerstand seitens der Last oder des Hydraulikkreislaufs trifft. Der maximale Druck wird in der Regel durch Komponenten wie ein Überdruckventil oder durch die Pumpensteuerung begrenzt. Diese Unterscheidung ist wichtig bei der Fehlerdiagnose von Systemen mit unzureichender Kraft oder ungewöhnlichen Druckwerten.
F: Wovon hängt die Kraft eines Hydraulikzylinders ab?
A:Die Zylinderkraft hängt hauptsächlich vom Hydraulikdruck und der wirksamen Kolbenfläche ab. Durch eine Vergrößerung des Bohrungsdurchmessers erhöht sich die Kolbenfläche und damit die bei gleichem Druck verfügbare Kraft. Die tatsächliche Leistung kann aufgrund von Reibung, Druckverlusten und dem Wirkungsgrad des Systems unter dem theoretischen Wert liegen.
F: Wovon hängt die Geschwindigkeit eines Hydraulikzylinders ab?
A:Die Zylindergeschwindigkeit wird hauptsächlich durch den dem Zylinder zugeführten Durchfluss und dessen wirksame Fläche bestimmt. Ein höherer Durchfluss führt in der Regel zu einer höheren Geschwindigkeit. Ein größerer Zylinder benötigt mehr Durchfluss, um die gleiche Bewegungsgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, weshalb der Pumpendurchfluss und die Zylinderbohrung gemeinsam ausgewählt werden müssen.
F: Warum kann ein Hydrauliksystem zwar über ausreichenden Druck verfügen, sich aber dennoch nur langsam bewegen?
A:Ein ausreichender Druck bedeutet nicht zwangsläufig einen ausreichenden Durchfluss. Eine langsame Bewegung kann durch eine unzureichende Förderleistung der Pumpe, verstopfte Ventile oder Leitungen, interne Leckagen, eine falsche Pumpendrehzahl oder eine zu hohe Viskosität der Flüssigkeit verursacht werden. Daher sollten Druck und Durchfluss bei der Diagnose einer langsamen hydraulischen Bewegung getrennt voneinander gemessen werden.
F: Welche Informationen werden für die Auslegung eines Hydrauliksystems benötigt?
A:Zu den typischen Ausgangsinformationen gehören die erforderliche Last oder Kraft, die Bewegung des Stellantriebs, der Hub, die Solldrehzahl, der Arbeitszyklus, die verfügbare Stromversorgung, die Betriebsumgebung und die Steuerungsanforderungen. Auf dieser Grundlage können Ingenieure dann die Größe des Stellantriebs, den Betriebsdruck, den erforderlichen Durchfluss, die Pumpenleistung, die Motorleistung, die Ventilkonfiguration und weitere Systemkomponenten bestimmen.
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