Hydraulik – Grundlagen

Hydraulik – Grundlagen

Das Wort Hydraulik stammt aus dem Griechischen und kann hergeleitet werden aus der Zusammensetzung der beiden Wörter hýdor „das Wasser“ und aulós „das Rohr“.

Die Lehre der Hydraulik ist die Lehre vom Strömungsverhalten der Flüssigkeiten. In der Technik und im Maschinenbau geht es bei der Hydraulik um die Übertragung von Kräften, Energie und Signalen sowie zur Schmierung.

Es geht um Druck und es geht um Volumen, um Geschwindigkeit und Reibung, um Kinetik und Statik, und um potentielle und kinetische Energie. Hydraulik ist vielseitig und vielfältig einzusetzen.

Als einer der „Väter der Hydraulik gilt in der Antike Archimedes. Die Geschichte der Prüfung einer goldenen Krone und seinem Geistesblitz in der Badewanne ist eine bis heute viel erzählte Geschichte. Der Auftrieb eines Körpers in einer Flüssigkeit soll die Geburtsstunde der Hydraulik sein, Heureka ich habe es hat er gerufen!

Auftrieb und Verdrängung von Gegenständen im Wasser ist auch Thema der Hydraulik.
In diesem Hydraulik-Trainer kann man die Grundlagen der Hydraulik und Fluidtechnik kennenlernen.

Wo treffen sie heute als erstes auf eine hoffentlich funktionierende Hydraulik?

Zuerst wäre da die Heizungsanlage ihrer Wohnung. Sie funktioniert hydraulisch. Das erhitzte Wasser wird mittels einer „Umwälzpumpe“ bis zu den „Verbrauchern“, den Heizkörpern und der Dusche, gefördert und in einem Vorratsspeicher aufbewahrt. Dann geht es beim morgendlichen Gang aufs WC weiter, hoffentlich funktioniert ihre Hydraulikanlage, sie werden es merken, wenn sie das „Ventil“ der WC Spülung betätigen. Gott sei Dank, das Wasser spült die Sachen weg. Und der Spülkasten wird automatisch mit Wasser befüllt und schaltet bei Erreichen des eingestellten Füllstands das „Füllventil“ ab.

Zähne putzen und waschen, sie drehen das „Mischventil“ des Wasserhahns auf und es kommt Wasser in der gewünschten Menge und Temperatur. Alles dank der funktionierenden hydraulischen Wasseranlage in ihrem Haus.

Damit das alles funktioniert muss die hydraulische Anlage einen Volumenstrom erzeugen. Dieser „Volumenstrom“ trifft auf verschiedene „Wiederstände“ wie Reibung im Rohr und Steigung der Rohre etc.

Aus dem Widerstand, den aufzubringenden Kräften, entsteht dann der „Druck“ in hydraulischen Anlagen.

Kräfte, die in einem hydraulischen System übertragen werden, entstehen durch den von der Pumpe erzeugten Volumenstrom. Bewegung durch einen Volumenstrom stößt in hydraulischen System auf Widerstand (z.B. die Kraft die ein Zylinder benötigt um seine Arbeit zu verrichten). Aus den Faktoren Volumenstrom und Widerstand bzw. benötigte Kraft ergibt sich der entstehende Druck.
Der erforderliche Volumenstrom wird in der Hydraulik in der Regel durch eine Pumpe erzeugt, die mittels eines elektrischen Motors angetrieben wird. Die Hydraulikflüssigkeit bleibt bei einem hydraulischen System immer im Kreislauf, in einem geschlossenen System (bei der Wasserhydraulik kann drauf verzichtet werden). Das bedeutet es gibt einen Vor- und Rücklauf für die Hydraulikflüssigkeit. Zum Beispiel kann die Hydraulikflüssigkeit durch eine Pumpe zu einem Verbraucher wie einem Hydraulikzylinder gefördert werden und wird von dort aus über eine Rücklaufleitung zum Vorratstank zurückgeleitet.

Grundlagen und Formeln der Hydraulik

Das Pascalsches Gesetz

Die Wirkung einer Kraft (F) auf eine ruhende Flüssigkeit erzeugt in dieser einen Druck (p), der sich in alle Richtungen gleichmäßig fortpflanzt und stets senkrecht auf die Begrenzungsflächen der Flüssigkeit wirkt.

Die Bewegungsrichtung in der Hydraulik und der Hydrostatik sind zwei Themen. Das heißt, dass bei der Verwendung mehrerer Zylinder jeder einzelne Zylinder entsprechend der Kraft, die zum Heben der Last an der betreffenden Stelle erforderlich ist, ausfahren wird. Die die leichteste Last hebenden Zylinder fahren zuerst aus, und die die schwerste Last hebenden Zylinder fahren zuletzt aus. Voraussetzung ist, die Zylinder haben die gleiche Druckkraft. Das bedeutet in der Praxis, Druck nimmt immer den Weg des geringsten Widerstands.

Für den Gleichlauf von 2 und mehr Zylindern gibt es verschiedene Systeme wie z.B. die Graetz Gleichrichterplatte. Oder es werden Zylinder mit Wegmesssystem verwendet.

Nach dem Gesetzt von Pascal breitet sich eine auf eine ruhende Flüssigkeit wirkende Kraft nach allen Richtungen gleich aus. Deshalb ist die Form eines Behälters oder Tank nicht von Bedeutung.

Wir finden die Anwendung des hydrostatischen Drucks im Bereich der Wasserversorgung mit Hochbehältern oder großen Wasserreservoirs auf Dächern von Häusern. Die Tower Bridge in London bewegt sich seit Jahrzehnten hydraulisch. Anfangs wurde die Brücke mittels Dampfmaschinen und Wasserdruck, mittlerweile dank einer Hochleistungshydraulik hochgeschwenkt.

Die Kraft, die ein hydraulischer Zylinder erzeugen kann, ist gleich dem hydraulischen Druck multipliziert mit der “wirksamen Kolbenfläche” des Zylinders. F= p x A

Die Leistung der Hydraulikpumpe setzt sich aus den Größen P= p x qv zusammen. P= Leistung in Watt. p= Druck in bar und qv= Volumenstrom: Sekunde.

Der Volumenstrom setzt sich aus den Größen der Querschnittsfläche der Rohre (A) und der Geschwindigkeit der Flüssigkeiten (v) zusammen. Q= A x v

Druck breitet sich in geschlossenen Systemen nach allen Seiten gleich aus. Flüssigkeiten sind frei formbar und nehmen die Gestalt des Behälters an.

Die Größe der wirksamen Kolbenfläche bestimmt durch den Druck die Kraft eines Zylinders.

Eigenschaften von Flüssigkeiten die in der Hydraulik von Bedeutung sind.

Die Viskosität ist die Fließfähigkeit einer Flüssigkeit. Die Viskosität beschreibt die Wirkung der inneren Reibung eines Fluids, das bedeutet je größer die innere Reibung umso höher ist die Viskosität.

Die Viskosität ist ein Maß für die innere Reibung infolge des Widerstandes, der bei gegenseitiger Verschiebung benachbarter Schichten in einer Flüssigkeit auftritt.

Medien mit hoher Viskosität überwinden Widerstände im hydraulischen Systemen schwerer. Der Strömungswiderstand ist höher als bei niedriger Viskosität.

Eine weitere wichtige Eigenschaft des Hydrauliköls ist die Schmierfähigkeit. Die äußere Reibung ist ein Widerstand der vom Hydrauliköl überwunden werden muss.

Die Geschwindigkeit mit der eine Flüssigkeit durch ein Hydrauliksystem strömt ist wiederum abhängig von der Viskosität und der Schmierfähigkeit.

Der nächste zu betrachtende Punkt ist die Kompressibilität der verwendeten Flüssigkeiten. Während Luft unter Druck sein Volumen beträchtlich verringern kann bleiben Öl und Wasser nahezu ohne nennenswerten Volumenverlust unter Druck. Allerdings sind in der Praxis immer Lufteinschlüsse im Fluid und das muss beachtet werden.

Mit der Geschwindigkeit und der Kompressibilität von Flüssigkeiten kommen weitere Einflussgrößen hinzu.

Die Strömung von Hydrauliköl hat entscheidenden Einfluss auf z.B. den Energieverlust einer Hydraulikanlage.

 

Fluidtechnik