Oleohydraulik: Aufbau, Funktion und Komponenten

Grundlagen der Hydraulik (Oleohydraulik)

Vorteile und Nachteile gegenüber der Pneumatik

Vorteile der Hydraulik

• Einfache Geschwindigkeitsregulierung: Präzise Steuerung des Ölflusses ermöglicht die Regulierung auch großer Geschwindigkeiten.
• Hohe Leistungsübertragung: Geeignet für die Übertragung großer Kräfte und Leistungen.
• Präzise Positionskontrolle: Dank der geringen Kompressibilität der verwendeten Flüssigkeit.
• Reversibilität: Die Flüssigkeit kann in eine oder beide Richtungen im System bewegt werden.
• Schutz und Sicherheit: Einsatz von Sicherheitsventilen möglich.
• Start- und Stopp-Möglichkeiten: Probleme bei Arbeitslasten können kontrolliert werden.

Nachteile der Hydraulik

• Langsamere Bewegungen.
• Hohe Kosten und komplizierter Aufbau.
• Energie kann nur übertragen, aber nicht gespeichert werden.

Eigenschaften von Hydraulikflüssigkeiten

Hydraulikflüssigkeiten müssen spezifische Merkmale erfüllen, um in einer hydraulischen Anlage optimal genutzt werden zu können. Dazu gehören:

• Gute Schmiereigenschaften.
• Hohe thermische und chemische Stabilität.
• Sehr geringe Kompressibilität.
• Korrosionsschutz, etc.

Grundlagen der Oleohydraulik: Das Gesetz von Pascal

Das grundlegende Prinzip der Oleohydraulik ist das Pascalsche Gesetz: Der Druck, der auf eine ruhende, inkompressible Flüssigkeit an einem Punkt ausgeübt wird, überträgt sich vollständig und gleichmäßig in alle Richtungen innerhalb der flüssigen Masse.

Der mathematische Ausdruck lautet: P1 = P2, was bedeutet: F1/A1 = F2/A2.

Auf diese Weise kann eine sehr große Kraft aus einer kleineren Kraft gewonnen werden, indem die Fläche des Kolbens, auf den die Kraft wirkt, vergrößert wird.

Aufbau eines Hydraulikkreislaufs

Ein Hydraulikkreislauf besteht aus einer Reihe von Elementen, die so angeordnet sind, dass das Öl Arbeit verrichtet oder eine Reihe von Aktionen in den Mechanismen ausführt. Die Hauptkomponenten sind:

1. Motor (Antrieb).
2. Pumpe.
3. Elemente zur Übertragung oder zum Transport (Leitungen).
4. Regulierungs- und Steuerungsvorrichtungen (Ventile).
5. Aktoren (Arbeitselemente).

Hydraulikpumpen: Umwandlung mechanischer Energie

Hydraulikpumpen wandeln mechanische Energie in hydraulische Energie um und ermöglichen so die Bewegung der Flüssigkeit durch die Kanäle der Anlage. Man unterscheidet zwei Haupttypen: hydrostatische und hydrodynamische Pumpen.

Hydrodynamische Pumpen

Diese Pumpen werden selten in hydraulischen Kreisläufen verwendet. Sie arbeiten nach dem Prinzip der Zentrifugalkraft, die der Flüssigkeit eine bestimmte Richtung verleiht.

Hydrostatische Pumpen (Verdrängerpumpen)

Diese Pumpen fördern in jedem Zyklus oder jeder Umdrehung des Förderelements die gleiche Menge an Flüssigkeit. Die wichtigsten Typen sind:

• Außenzahnradpumpen.
• Drehschieberpumpen.
• Kolbenpumpen.

Außenzahnradpumpen

Sie erzeugen einen Flüssigkeitsstrom, indem sie die Flüssigkeit zwischen den Zähnen der beiden ineinandergreifenden Zahnräder transportieren. Ein Zahnrad wird direkt von der Pumpenwelle (Motor) angetrieben und dreht das andere Zahnrad. Dieser Pumpentyp wird aufgrund seiner Einfachheit am häufigsten verwendet, ist jedoch oft lauter und weist einen geringeren Wirkungsgrad auf.

Drehschieberpumpen (Flügelzellenpumpen)

Diese hydrostatischen Pumpen können einen festen oder variablen Volumenstrom erzeugen. Ihr Funktionsprinzip basiert auf einem Rotor, der bewegliche Schieber (Paletten) dreht, die in einem Gehäuse oder Ring untergebracht sind. Die Pumpkammern werden zwischen den Schiebern, dem Rotor und dem Gehäuse gebildet.

Kolbenpumpen

Kolbenpumpen nutzen das Prinzip oszillierender Bewegungen, um einen Volumenstrom zu erzeugen. Anstelle eines einzelnen Zylinders verfügen viele dieser Pumpen über mehrere Kolben-Zylinder-Einheiten. Ein Teil des Mechanismus dreht sich um eine Motorachse, wodurch die Hubbewegung des Kolbens im Zylinder erzeugt wird. Dies erzeugt während des Expansionshubs ein Vakuum, das die Flüssigkeit ansaugt, und während des Kompressionshubs die Ausstoßung, wodurch der Flüssigkeitsstrom erzeugt wird.

Man unterscheidet zwei Klassen:

• Axiale Kolbenpumpen.
• Radiale Kolbenpumpen.

Kolbenpumpen weisen in der Regel den besten Wirkungsgrad aller Pumpentypen auf.

Hydraulikmotoren

Hydraulikmotoren sind Elemente, die hydraulische Energie in mechanische Drehbewegung umwandeln. Sie funktionieren umgekehrt zu den Pumpen. Die gängigsten Typen sind:

• Kolbenmotoren (am häufigsten genutzt, dank hervorragender Leistung).
• Zahnradmotoren (bekannt für niedrige Kosten).
• Flügelzellenmotoren.

Regulierungs- und Steuerungselemente (Ventile)

Nachdem der Flüssigkeitsdruck von der Pumpe in den Kreislauf eingespeist wurde, muss er kontrolliert, reguliert und entsprechend den Anforderungen verteilt werden. Ventile erfüllen diese Funktion, indem sie die Parameter Druck und Volumenstrom regeln und steuern sowie den Durchgang der Flüssigkeit zu den Aktoren leiten oder blockieren.

Ventile werden in folgende Hauptkategorien eingeteilt:

• Wegeventile (Verteilung).
• Stromregelventile (Steuerung des Volumenstroms).
• Druckregelventile.

Wegeventile (Verteiler)

Wegeventile sind hydraulische Komponenten, die den Durchgang öffnen und schließen und den Flüssigkeitsstrom durch verschiedene Leitungen der Anlage lenken, um die Arbeitsweise der Elemente zu steuern.

Rückschlagventile (Unidirektionale Ventile)

Diese Ventile erlauben den Durchgang der Flüssigkeit nur in einer Bewegungsrichtung. Es gibt zwei Haupttypen:

1. Einfache Rückschlagventile: Sie arbeiten oft mit einer Kugel oder einem Kegel, der durch eine Feder gehalten wird. Bei umgekehrter Strömungsrichtung drückt der Druck die Kugel gegen den Sitz, und die Flüssigkeit kann nicht passieren.
2. Entsperrbare Rückschlagventile (Pilotventile): Diese ermöglichen den Durchgang der Flüssigkeit in die entgegengesetzte Richtung nur unter bestimmten, anwendungsspezifischen Voraussetzungen (durch einen Steuerdruck).

2/2-Wegeventil

Dies ist das einfachste Wegeventil. Es kann normal offen (NO) oder normal geschlossen (NC) sein. Es dient als einfacher Schalter; die Flüssigkeit strömt nur, wenn das Ventil betätigt wird.

4/2-Wegeventil

Dieses Ventil wird zur Steuerung von doppeltwirkenden Hydraulikzylindern verwendet und ermöglicht den Flüssigkeitsübergang in beide Richtungen. Bei Betätigung werden die Wege umgeschaltet, um die entgegengesetzte Bewegung des Zylinders zu ermöglichen.

4/3-Wegeventil

Dieses Ventil dient ebenfalls zur Steuerung doppeltwirkender Zylinder. Es verfügt jedoch über eine mittlere Position, die verschiedene Anwendungsmöglichkeiten bietet, beispielsweise das Blockieren des Aktors in einer Zwischenposition. Die Betätigung kann axial oder radial erfolgen.

Stromregelventile (Volumenstromregelung)

Stromregelventile dienen dazu, den Volumenstrom der Flüssigkeit zu variieren und damit die Geschwindigkeit der Aktoren zu steuern. Sie werden in Festwert- und variable Stromregelventile eingeteilt.

Variable Stromregelventile

Die einfachste Form ist das Drossel- oder Nadelventil. Durch Öffnen des Ventils wird der Durchfluss erhöht. Diese Ventile sind oft nicht druckkompensiert, was bedeutet, dass überschüssige Energie in Wärme umgewandelt wird, wodurch Energieverluste entstehen. Der Volumenstrom hängt hier stark vom Druck ab.

Druckkompensierte Stromregelventile werden verwendet, um eine stabilere Geschwindigkeit zu gewährleisten, da sie einen konstanten Volumenstrom unabhängig vom Lastdruck sicherstellen. Solche Ventile werden oft mit einem Rückschlagventil kombiniert, da die Regelung meist nur in eine Richtung erfolgt.

Druckregelventile

Druckregelventile dienen dazu, den Druck in einem Kreislauf zu reduzieren oder zu begrenzen. Man unterscheidet zwischen direktgesteuerten und vorgesteuerten (pilotierten) Ventilen.

Druckbegrenzungsventil (Sicherheitsventil)

Dies ist eine wichtige Sicherheitsvorrichtung. Wenn der Flüssigkeitsdruck einen voreingestellten Grenzwert überschreitet, öffnet das Ventil und leitet den überschüssigen Volumenstrom ab, wodurch mögliche Unfälle oder Schäden vermieden werden.

Hydraulikzylinder (Aktoren)

Hydraulikzylinder sind Aktoren, die hydraulische Energie in eine lineare Bewegung oder Kraft umwandeln. Man unterscheidet zwischen einfach- und doppeltwirkenden Zylindern.

• Einfachwirkende Zylinder: Erzeugen Kraft nur in eine Richtung. Die Rückstellung erfolgt meist durch eine Feder oder durch äußere Last.
• Doppeltwirkende Zylinder: Ermöglichen die Bewegung des Kolbens in beide Richtungen, abhängig davon, in welche Kammer die Flüssigkeit eintritt.

Zusätzlich gibt es spezielle Zylindertypen wie:

• Gleichlaufzylinder (Doppelkolbenstange).
• Teleskopzylinder.
• Plungerzylinder.