Grundlagen der Fluidmechanik: Hydraulik, Pneumatik und Messgeräte

Flüssigkeiten: Definition und Klassifikation

Flüssigkeiten sind Stoffe, die die Form des Behälters annehmen, in dem sie sich befinden, und durch Kanäle (Leitungen) fließen. Ihre Hauptaufgabe ist die Übertragung von Kräften und die Anwendung in technischen Prozessen.

Unterteilung der Fluide

• Flüssige Stoffe (Hydraulik): Die Wissenschaft, die sich mit flüssigen Stoffen befasst, wird Hydraulik genannt (z. B. Öl, Kraftstoff, Kühlflüssigkeit).
• Gasförmige Stoffe (Pneumatik): Die Wissenschaft, die sich mit gasförmigen Stoffen befasst, wird Pneumatik genannt (z. B. Luft, Stickstoff, Kältemittel R-134a).

Hydraulische Anwendungen in Fahrzeugen

Hydraulische Kreisläufe in Fahrzeugen umfassen:

• Schmiersysteme
• Kühlung von Komponenten
• Automatikgetriebe
• Hydraulische Bremsen und Kupplungen

Wesentlicher Unterschied zwischen Gas und Flüssigkeit

Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass Gase komprimiert werden können, während Flüssigkeiten nahezu inkompressibel sind.

Wichtige Eigenschaften von Fluiden

Dichte

Die Dichte ist das Verhältnis zwischen der Masse und dem Volumen eines Stoffes.

• Öl wechselt bei ca. 400 °C vom flüssigen in den gasförmigen Zustand.
• Kältemittel (R-134a) siedet bei ca. -26,5 °C.

Viskosität

Die Viskosität ist der Widerstand, den eine Flüssigkeit bei einer bestimmten Temperatur ihrer Verschiebung entgegensetzt. Je höher die Viskosität, desto größer der Widerstand.

Die Viskosität wird gemessen, indem die Zeit erfasst wird, die eine bekannte Menge Flüssigkeit benötigt, um durch eine kalibrierte Öffnung zu fließen.

Der am häufigsten verwendete Standard zur Messung der Viskosität von Ölen ist die SAE (Society of Automotive Engineers).

Mess- und Steuerelemente in Fluidkreisläufen

Manometer (Druckmessung)

Dient zur Messung des Drucks in pneumatischen oder hydraulischen Schaltungen.

Arten von Manometern:

• Hochdruck: Kann bis zu 300 bar erreichen (wird in der Hydraulik verwendet).
• Niederdruck: Misst typischerweise zwischen 0 und 20 bar (wird in der Pneumatik verwendet).

Manometer verfügen über zwei Arten von Anschlüssen: konische oder Gewinde-Schnellkupplungen. Die Standardeinheit ist der Bar; auch die Einheit PSI (Pounds per Square Inch) wird verwendet.

Durchflussmesser (Flowmeter)

Wird zur Messung des Durchflusses (Menge der Flüssigkeit, die pro Zeiteinheit durch eine Leitung strömt) verwendet. Die Funktion basiert auf einer Turbine, die durch die strömende Flüssigkeit in Bewegung gesetzt wird und ein elektrisches Signal erzeugt.

Druckschalter (Presostat)

Ein Element, das für die Umwandlung eines Drucksignals in ein elektrisches Signal verantwortlich ist. Druckschalter werden in Kreisläufen eingesetzt, um einen elektrischen oder hydraulischen Motor zu aktivieren oder zu deaktivieren.

Beispiel: In Druckluftanlagen (Werkstätten) misst der Druckschalter den Kesseldruck und steuert den Elektromotor (Kompressor), um sicherzustellen, dass der maximale Druck nicht überschritten wird.

Grundlegende Gesetze der Fluidmechanik

Gasgesetze

• Boyle-Mariotte: Bei konstanter Temperatur gilt: Mehr Volumen bedeutet weniger Druck, und mehr Druck bedeutet weniger Volumen. (P * V = konstant).
• Gay-Lussac: Steigende Temperatur führt bei konstantem Druck zu einer Erhöhung des Gasvolumens. Sinkende Temperatur verringert das Volumen. Dieses Phänomen tritt aufgrund der erhöhten Kollision der Gasmoleküle bei steigender Temperatur auf.

Alle Gase haben den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten: 1/273.

Pascalsches Gesetz (Hydrostatik)

Der auf einen Kolben in einem bestimmten Querschnitt ausgeübte Druck wird gleichmäßig und unvermindert auf alle Teile der Flüssigkeit übertragen. Dies ermöglicht die Erhöhung der Kraft am Ausgang (z. B. durch einen größeren Kolben), wobei stets mit dem gleichen Druck gearbeitet wird.

Gesetz der Kontinuität (Durchfluss)

Der Durchfluss (Q) ist die Menge an Flüssigkeit, die pro Zeiteinheit durch einen Querschnitt strömt. Er kann entweder als Massen- oder Volumenstrom gemessen werden.