Eigenschaften von Fluiden und Komponenten in Hydraulik und Pneumatik

Eigenschaften von Fluiden

Der Stofftransport in Hydraulik- und Pneumatikkreisläufen erfolgt durch ein Fluid. In Hydraulikkreisläufen wird eine Flüssigkeit verwendet, in Pneumatikkreisläufen ein gasförmiges Fluid.

Als Hydraulikflüssigkeit wird häufig Öl verwendet, aber auch andere Flüssigkeiten wie Wasser, Sauerstoff oder Stickstoff können zum Einsatz kommen. Pneumatische Schaltungen nutzen ein Gasgemisch, meist Luft.

Eigenschaften von Flüssigkeiten

Flüssigkeiten haben ein Volumen, das nicht leicht komprimierbar ist. Andererseits haben sie keine eigene Form, sondern nehmen die Form des Gefäßes an, in dem sie sich befinden.

Eigenschaften von Gasen

Gase haben keine eigene Form und kein eigenes Volumen, sondern füllen den Behälter aus, in dem sie eingeschlossen sind. Sie sind leicht komprimierbar.

Druck

Die Geschwindigkeit, mit der Fluide durch pneumatische und hydraulische Schaltungen zirkulieren, sowie die Kraftübertragung basieren auf dem Prinzip des Drucks. Eine Flüssigkeit, die in einem Behälter gelagert ist, übt eine Kraft auf dessen Wände aus. Diese Kraft pro Fläche wird als Druck bezeichnet.

Die Luft aus der Atmosphäre übt ebenfalls Druck aus, den sogenannten atmosphärischen Druck. Der Druck, der zusätzlich zum atmosphärischen Druck gemessen wird, wird als relativer Druck bezeichnet. Sensoren, die den Druck einer Flüssigkeit messen, nennt man Manometer.

Pascalsches Prinzip und Hydraulikpresse

Dem Physiker Blaise Pascal verdanken wir das grundlegende Prinzip der Hydrostatik: Der Druck, der auf eine Flüssigkeitsmasse an einem Punkt ausgeübt wird, überträgt sich gleichmäßig in alle Richtungen. Eine wichtige Anwendung dieses Prinzips ist die Hydraulikpresse, die im Wesentlichen aus zwei unterschiedlich großen, mit Flüssigkeit gefüllten Zylindern besteht.

Kontinuitäts- und Bernoulli-Gleichung

Die Bewegung eines nicht-viskosen Fluids in einer Leitung wird durch die Kontinuitätsgleichung und die Bernoulli-Gleichung beschrieben.

Das ideale Gasmodell

Für die Untersuchung von Gasen, die sich wie ein ideales Gas verhalten, gelten zwei Bedingungen: Die Kräfte zwischen den Molekülen und das Volumen der Moleküle sind im Vergleich zum Volumen des Behälters vernachlässigbar. Reale Gase weichen bei hohem Druck und niedrigen Temperaturen von diesem Verhalten ab.

Hydraulik- vs. Pneumatikkreisläufe

Unterschiede und Anwendungen

Obwohl sowohl Hydraulik- als auch Pneumatikkreisläufe Fluide nutzen (im einen Fall flüssig, im anderen gasförmig), weisen sie eine Reihe von Unterschieden auf:

• Das in pneumatischen Schaltungen verwendete Fluid (Luft) ist frei verfügbar und muss nach getaner Arbeit nicht zurückgeführt werden, sondern wird in die Atmosphäre abgelassen.
• Die in hydraulischen Schaltungen verwendeten Flüssigkeiten müssen über Rücklaufleitungen zurückgeführt werden.
• Sowohl die aus der Atmosphäre angesaugte Luft als auch die in Hydraulikkreisläufen verwendeten Flüssigkeiten enthalten Partikel, die für einen störungsfreien Betrieb des Kreislaufs entfernt werden müssen.
• Die Aufbereitung der Luft für Transport und Lagerung erfordert keine komplizierten Anlagen.
• Pneumatik eignet sich für Kräfte bis zu etwa 30.000 N. Hydraulik wird für höhere Kräfte eingesetzt.

Elemente von Fluidkreisläufen

Elemente in Fluidkreisläufen können in verschiedene Kategorien eingeteilt werden:

• Aktive Elemente: Sie führen dem Fluid Energie zu.
• Passive Elemente: Sie verbrauchen, übertragen, steuern oder regeln die Energie im Kreislauf.

Aktive Elemente

Kompressoren (Pneumatik)

In pneumatischen Kreisläufen sind die aktiven Elemente Kompressoren. Ihre Aufgabe ist es, Luft anzusaugen und zu verdichten, um sie für die Arbeit (z. B. das Bewegen eines Kolbens oder das Antreiben einer Turbine) bereitzustellen. Kompressoren nutzen das Prinzip des Boyle-Mariotte-Gesetzes, das besagt, dass der Druck eines Gases steigt, wenn sein Volumen verringert wird.

Es gibt verschiedene Arten von Kompressoren:

• Verdrängerkompressoren: Basieren auf der Verringerung eines eingeschlossenen Volumens (z. B. Kolbenkompressoren).
• Dynamische Kompressoren: Basieren auf der Beschleunigung des Fluids und anschließender Umwandlung der kinetischen Energie in Druck.

Beim Verdichten eines Gases steigt neben dem Druck auch die Temperatur.

Pumpen (Hydraulik)

In hydraulischen Kreisläufen kann kein Kompressor verwendet werden, da Flüssigkeiten nahezu inkompressibel sind. Hier kommen Pumpen zum Einsatz. Ihre Aufgabe ist es, der Flüssigkeit Bewegung und damit Energie zuzuführen.

Akkumulatoren

Akkumulatoren dienen der Speicherung von Druckenergie, entweder in Form von Druckluft oder Druckflüssigkeit.

• In pneumatischen Kreisläufen ist ein Druckluftspeicher (Akkumulator) aus verschiedenen Gründen notwendig: Er gleicht Druckschwankungen aus, die durch den Kompressor entstehen, versorgt Verbraucher mit hohem kurzzeitigem Bedarf und ermöglicht das Abschalten des Kompressors bei geringem Bedarf. Druckluftspeicher sind oft mit Druck- und Temperatursensoren ausgestattet.
• In hydraulischen Kreisläufen wird ein Hydraulikspeicher verwendet, um Druckflüssigkeit zu speichern. Er hilft auch dabei, Luft und Fremdstoffe abzuscheiden. Der Behälter ist mit Druck- und Temperatursensoren sowie einem Ablasshahn ausgestattet.

Schutzelemente

Schutzelemente sind dafür verantwortlich, Verunreinigungen zu entfernen und den Kreislauf zu schützen.

• Filter: Sie haben zwei Hauptfunktionen: Entfernen von Wasser und anderen Partikeln und Verunreinigungen, die in Suspension enthalten sind. Es gibt verschiedene Filtertypen, die Verunreinigungen durch ein poröses Material zurückhalten, das regelmäßig ersetzt werden muss.
• Öler (Pneumatik): Sie injizieren sehr feine Öltröpfchen in den Luftstrom, wodurch eine Art Ölnebel entsteht. Dies soll übermäßigen Verschleiß der Elemente im Kreislauf verhindern.
• Druckbegrenzer und Sicherheitsventile: Sie sorgen dafür, dass der Druck im Kreislauf einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet. Ein Sicherheitsventil öffnet, wenn der Druck zu hoch wird, und leitet das Fluid ab (in Pneumatik in die Atmosphäre, in Hydraulik zurück in den Tank).
• Schalldämpfer (Pneumatik): Da die Abluft in pneumatischen Kreisläufen nach getaner Arbeit oft unter hohem Druck ausgestoßen wird, sollte dies durch einen Schalldämpfer erfolgen, um Lärm zu reduzieren. In hydraulischen Kreisläufen ist dies nicht notwendig, da die Flüssigkeit nicht in die Atmosphäre abgelassen wird.

Transportelemente

Transportelemente sind dafür verantwortlich, das Fluid zu den Verbrauchern in pneumatischen und hydraulischen Schaltungen zu leiten.

• In pneumatischen Kreisläufen müssen die Rohre und Schläuche so beschaffen sein, dass der Druckverlust minimal ist. Ihre Innenflächen sollten glatt sein. In bestimmten Fällen, wie bei einem Presslufthammer, ist ein flexibler Schlauch (Latiguillo) erforderlich.
• In hydraulischen Kreisläufen erfolgt der Transport der Flüssigkeit ebenfalls über Rohre und Schläuche. Die gleichen Überlegungen bezüglich Druckverlust und Oberflächengüte gelten hier.

In Schaltplänen werden Rohre und Schläuche durch durchgezogene Linien dargestellt. Hilfsleitungen werden anders dargestellt. Wenn drei oder mehr Leitungen an einem Punkt zusammenlaufen, wird die Verbindung durch einen Kreis dargestellt.

Steuerelemente

Es gibt eine Reihe von Elementen, die für die Steuerung des Fluids vom Einspeisepunkt bis zum Verbraucher verantwortlich sind. Sie regeln Flussrichtung, Druck und Durchfluss.

• Ventile: Sie ermöglichen oder blockieren den Fluidfluss oder ändern dessen Richtung.
• Wegeventile: Sie steuern die Flussrichtung und werden oft als Verteiler bezeichnet.
• Druckregelventile: Wie bereits bei den Schutzelementen erwähnt (Sicherheitsventile), halten sie den Druck unter einem bestimmten Grenzwert.
• Stromregelventile: Sie ermöglichen die Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit des Fluids, indem sie den Durchfluss begrenzen.
• Rückschlagventile: Sie erlauben den Fluss nur in eine Richtung. Sie werden verwendet, um z. B. die schnelle Bewegung eines Zylinders zu gewährleisten.

Wenn eine gleichzeitige Bewegung mehrerer Aktoren gewünscht ist, werden spezielle Ventile verwendet.