Bevor wir über die Energieübertragung durch Flüssigkeiten sprechen, müssen wir einige Eigenschaften von Flüssigkeiten sowie die Art und Weise verstehen, wie Kräfte durch sie übertragen werden. Dies hilft uns zu verstehen, warum die Hydraulik so funktioniert, wie sie es tut.

Wasser

Ein Fluid ist jede Substanz, die keine feste Form besitzt. Zu Fluiden zählen sowohl Flüssigkeiten als auch Gase.

Flüssigkeit

Eine Flüssigkeit besteht – ebenso wie ein Gas – aus Molekülen. Im Gegensatz zu einem Gas sind die Moleküle in einer Flüssigkeit jedoch stark aneinander gebunden, ohne jedoch so fest miteinander verankert zu sein wie in einem Feststoff. Daher fließt eine Flüssigkeit frei und nimmt die Form ihres Behälters an.

Abbildung 2-1: Flüssigmoleküle (unten) sind dicht gepackt und befinden sich ständig in Bewegung, während Gas-Moleküle (oben) weit voneinander entfernt sind.

Molekulare kinetische Energie

Die Moleküle innerhalb einer Flüssigkeit befinden sich stets in Bewegung – selbst dann, wenn die Flüssigkeit völlig ruhig erscheint. Sie gleiten ständig aneinander vorbei. Diese molekulare Bewegung wird als innere Energie der Flüssigkeit bezeichnet.

Flüssigkeiten nehmen die Form ihres Behälters an

Aufgrund dieses ständigen molekularen Gleitens fließt eine Flüssigkeit und füllt den jeweiligen Behälter vollständig aus. Unabhängig davon, ob sich viel oder wenig Flüssigkeit darin befindet, nimmt sie stets die Form des Behälters ein. Diese Eigenschaft hängt eng mit der Viskosität zusammen, die in späteren Kapiteln behandelt wird.

Flüssigkeiten sind relativ unverdichtbar

Da Flüssigkeitsmoleküle dicht gepackt sind, verhalten sich Flüssigkeiten in einer wichtigen Hinsicht wie Feststoffe: Sie sind relativ unverdichtbar – sie lassen sich nicht signifikant auf ein kleineres Volumen zusammendrücken.

Deshalb tauchen Taucher mit den Füßen oder Händen zuerst (der sogenannte „Messer-Einstieg“) ins Wasser ein, statt sich bäuchlings daraufzulegen. Das Wasser kann sich nicht schnell genug aus dem Weg bewegen, wenn es von einer großen, flachen Fläche getroffen wird, und der Aufprall fühlt sich daher an wie ein Schlag gegen einen festen Körper. Füße oder Hände teilen das Wasser mit einer kleinen Fläche, und diese kleine Fläche bedeutet eine deutlich geringere Aufprallkraft.

Da eine Flüssigkeit relativ unverformbar ist und die Form jedes Behälters annimmt, bietet sie beim Übertragen von Kräften einen echten Vorteil.

Kraftübertragung

Die vier Energieübertragungsmethoden (mechanisch, elektrisch, hydraulisch, pneumatisch) können sowohl statische Kräfte (potentielle Energie) als auch dynamische Kräfte (kinetische Energie) übertragen. Wenn eine statische Kraft in einer Flüssigkeit übertragen wird, geschieht etwas Besonderes.

Kraftübertragung durch eine Flüssigkeit

Im Gegensatz zu einer Kraft, die auf einen Festkörper wirkt, wird eine auf eine eingeschlossene Flüssigkeit ausgeübte Kraft als Druck im gesamten Flüssigkeitsvolumen übertragen – und dieser Druck ist an jedem Punkt innerhalb der Flüssigkeit gleich groß.

Wenn wir auf einen beweglichen Kolben drücken, der auf einem mit Flüssigkeit gefüllten Behälter sitzt, erzeugt die von uns ausgeübte Kraft einen Druck, der sich gleichmäßig in alle Richtungen durch die Flüssigkeit ausbreitet.

Unabhängig davon, wie der Druck erzeugt wurde – durch einen Kolben, eine Hand, die Schwerkraft, eine Feder, komprimierte Luft oder jede beliebige Kombination daraus – wird die Kraft innerhalb einer eingeschlossenen Flüssigkeit in Druck umgewandelt und gleichmäßig im gesamten Volumen übertragen.

Da eine Flüssigkeit die Form jedes Behälters annimmt, kann der Druck unabhängig von der Form des Behälters übertragen werden.

Abbildung 2-4: Die Kraft auf den Kolben wird in der Flüssigkeit zum Druck. Dieser Druck breitet sich gleichmäßig in alle Richtungen aus – dies ist das Grundprinzip der Hydraulik.

Pascalsches Gesetz

Die Eigenschaft einer Flüssigkeit, den Druck gleichmäßig in alle Richtungen zu übertragen, wird als Pascalsches Gesetz bezeichnet, benannt nach seinem Entdecker Blaise Pascal.

Die mathematische Formulierung des Pascalschen Gesetzes entspricht der im Kapitel 1 eingeführten Druckformel:

Druckmesser

Ein Manometer misst den Druck, der auf eine Flüssigkeit im System wirkt. Die beiden gebräuchlichsten Typen in hydraulischen Systemen sind das Bourdon-Rohr-Manometer und das Kolbenmanometer.

Bourdon-Rohr-Manometer

Ein Bourdon-Rohr-Manometer besteht aus einer Zifferblattfläche und einem Zeiger. Der Zeiger ist mit einem gebogenen, flexiblen Metallrohr – dem Bourdon-Rohr – verbunden. Der Systemdruck tritt durch den Einlass in das Rohr ein. Die Skala ist üblicherweise in psi, bar oder Pa eingeteilt.

Funktionsweise des Bourdon-Rohrs

Wenn der Systemdruck steigt, führt die Flächendifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite des gekrümmten Rohrs dazu, dass es sich zu strecken beginnt. Diese Streckbewegung bewegt den Zeiger über das Zifferblatt, um den Druck anzuzeigen. Bourdon-Rohr-Manometer sind Präzisionsinstrumente mit einer Genauigkeit von 0,1 % bis 3,0 % des Endwertes; sie werden in Laboruntersuchungen oder überall dort eingesetzt, wo eine hohe Genauigkeit bei der Druckmessung entscheidend ist.

Kolbenmanometer

Ein Kolbenmanometer besteht aus einem Kolben, einer Ausgleichsfeder, einem Zeiger und einer Skala. Der Systemdruck wirkt auf die Kolbenfläche und drückt diesen gegen die Feder. Die Bewegung des Kolbens bewegt den Zeiger über das Zifferblatt. Die Skala ist in psi (bar) kalibriert. Kolbenmanometer sind robust und kostengünstig – eine gängige Wahl für die tägliche Systemüberwachung.

Abbildung 2-6 Kolbenmanometer: Der Systemdruck drückt den Kolben gegen eine Feder. Die Kolbenverschiebung bewegt den Zeiger.

Umwandlung von Druck in mechanische Kraft

Die Übertragung von Druck über eine abgedichtete Flüssigkeit ist nur dann sinnvoll, wenn der Druck an einer anderen Stelle wieder in mechanische Kraft umgewandelt werden kann. Diese Aufgabe erfüllt der Aktuator (Ausführungselement) – er nimmt den hydraulischen Druck auf und wandelt ihn in mechanische Kraft um.

Ein Hydraulikzylinder ist eine Art Aktuator.

Hydraulikzylinder

Ein Hydraulikzylinder nimmt hydraulischen Druck auf und wandelt ihn in geradlinige (lineare) mechanische Kraft um. Mithilfe geeigneter mechanischer Verbindungen kann diese Kraft zudem auch in Drehbewegung umgewandelt werden.

Aufbau eines Zylinders

Die grundlegenden Komponenten eines Zylinders sind: der Zylinderrohrkörper (Rohr), die Endkappen, der Kolben, die Kolbenstange sowie die Ein- und Auslassanschlüsse. An jedem Ende befindet sich eine Endkappe. Der Kolben kann innerhalb des Zylinderrohrkörpers gleiten. Die Stange ist mit dem Kolben verbunden. Die Ein- und Auslassanschlüsse an beiden Enden des Zylinderrohrkörpers ermöglichen den Zu- und Abfluss der Arbeitsflüssigkeit.

Abbildung 2-8: Querschnitt eines Hydraulikzylinders. Öl tritt durch einen Anschluss ein, drückt den Kolben und bewirkt das Ausfahren der Stange. Das Öl, das durch den anderen Anschluss austritt, fließt zurück in den Tank.

Funktionsweise eines Zylinders

Wenn der Zylindereinlassanschluss mit dem System verbunden ist, wird der Zylinder Teil des Systems. Der Druck vom Punkt A überträgt sich über das System auf den Kolben im Zylinder. Dieser Druck, der auf die Kolbenfläche wirkt, erzeugt eine mechanische Kraft am Punkt B – am Stangenende.

Druck anwenden

Wenn Druck über eine abgedichtete Flüssigkeit übertragen wird, erzeugt ein bewegliches Teil diesen Druck. In allen bisherigen Beispielen ist dieses bewegliche Teil ein Kolben. Die Division der Kraft durch die Kolbenfläche ergibt den Druck im System (P = F/A).

Mechanische Kraftverstärkung

Hydraulik kann mechanische Kraft verstärken (multiplizieren). Der Verstärkungsfaktor hängt von der Fläche des Hydraulikzylinderkolbens (in² oder cm²) ab. Da der Druck in einer abgedichteten Flüssigkeit gleichmäßig übertragen wird, ist die Ausgangskraft größer als die Eingangskraft, wenn der Kolben des Ausgangszylinders größer ist als der Kolben des Eingangszylinders.

Beispiel: Eine Kraft von 5.000 lbs (22.200 N) wirkt auf einen Kolben mit einer Fläche von 10 in² (64,52 cm²) und erzeugt einen Druck von:

Dieselben 500 psi wirken auf einen Ausgangskolben mit einer Fläche von 15 in² (96,78 cm²):

Abbildung 2-9 Mechanische Kraftverstärkung. Derselbe Druck wirkt auf beide Kolben, doch der größere Kolben erzeugt eine höhere Kraft. F = P × A.

Druckverstärker

Ein Druckverstärker (auch Booster genannt) kann den hydraulischen Druck verstärken. Er besteht aus zwei Kolben, die durch eine gemeinsame Stange innerhalb eines einzigen Gehäuses verbunden sind und über Einlass-, Auslass- sowie Entlüftungsanschlüsse verfügen. Der große Kolben nimmt den Systemdruck wahr; die von ihm erzeugte Kraft wird auf den kleinen Kolben übertragen, der infolge seiner kleineren Fläche einen höheren Ausgangsdruck erzeugt.

Funktionsweise eines Druckverstärkers

Der große Kolben erfasst den Systemdruck und überträgt diese Kraft über die Stange auf den kleinen Kolben. Da der kleine Kolben eine kleinere Fläche besitzt, ist der Ausgangsdruck am Ende des kleinen Kolbens höher – der Druck wird verstärkt.

Beispiel: Eine Kraft von 5.000 lbs (22.200 N) wirkt auf den großen Kolben (Fläche: 15 in² / 96,78 cm²). Druck = 333 psi (22,9 bar). Diese Kraft wird auf den kleinen Kolben (Fläche: 0,76 cm²) übertragen. Ausgangsdruck = 5.000 lbs / 0,76 cm² × (1/10.000) = 2.000 psi (137,9 bar). Ausgangskraft = 30.000 lbs (133.200 N).

Ein häufiger Einsatzbereich für Druckverstärker sind Spannvorrichtungen.

Abbildung 2-11 Druckverstärker. Der große Kolben überträgt seine Kraft auf den kleinen Kolben, dessen Fläche deutlich kleiner ist – wodurch am Ausgang ein wesentlich höherer Druck entsteht.

Hydraulische Energieübertragung

Der Zweck der Verwendung von Hydraulik (oder einer anderen Energieübertragungsmethode) in einer Maschine besteht darin, nützliche Arbeit zu verrichten. Damit ein Zylinder Arbeit leisten kann, muss er eine Kraft auf die Last ausüben und sie über eine Strecke bewegen – das System benötigt daher eine Komponente, die Energie nutzen kann, um einen kontinuierlichen Flüssigkeitsstrom bereitzustellen.

Hydraulischer Akkumulator

Alles, was wir bisher betrachtet haben und das in einer abgeschlossenen Flüssigkeit Druck erzeugt, nutzt Kolben und Zylinder. Der Kolben übt eine Kraft aus; der Zylinder dichtet die Flüssigkeit ab. Eine solche Vorrichtung wird als Speicher (Accumulator) bezeichnet.

Ein Speicher (Accumulator) kann die potenzielle Energie einer unter Druck stehenden Flüssigkeit speichern. Diese gespeicherte potenzielle Energie kann in nutzbare Energie (Fluss und Druck) umgewandelt werden.

Beispiel: Ein Speicher (Accumulator) mit 500 psi (34,5 bar) stellt den Druck bereit, um eine Last zu bewegen. Von den gespeicherten 500 psi werden 400 psi (27,6 bar) zur Überwindung des Widerstands der Last genutzt, während der verbleibende Druck in Fluss umgewandelt wird, um die Last zu bewegen.

Akku­mu­la­to­ren weisen eine Ein­schrän­kung auf: Ist die Last sehr groß, kann der vor­han­de­ne Druck mög­lich­er­wei­se nicht aus­rei­chen, um sie zu über­win­den, sodass keine Arbeit geleis­tet wer­den kann. Zudem kommt der Durch­fluss zum Erlie­gen, sobald die gespei­cher­te Flüs­sig­keit voll­stän­dig ent­las­ten ist.

Um aus­rei­chen­den Druck auf­zu­brin­gen, um eine Last zu über­win­den und gleich­zei­tig einen kon­ti­nu­ier­li­chen Durch­fluss auf­rech­ter­hal­ten zu kön­nen, ist ein ande­res Gerät erfor­der­lich – die ver­drän­ger­ge­trie­be­ne Hyd­raulik­pum­pe.

Abbil­dung 2‑12: Funk­ti­ons­wei­se eines Akku­mu­la­tors. Der gespei­cher­te Druck kann eine Last bewe­gen; sobald jedoch die Flüs­sig­keit voll­stän­dig ent­las­ten ist, kommt der Durch­fluss zum Ste­hen – der Akku­mu­la­tor ver­mag allein kei­ne kon­ti­nu­ier­li­che Lei­stung auf­zu­brin­gen.

Verdrängerge­triebene Hydraulikpumpe

Eine ver­drän­ger­ge­trie­be­ne Pum­pe erzeugt durch wieder­hol­te hin- und her­ge­hen­de oder drehen­de innere Bewe­gung einen kon­ti­nu­ier­li­chen Flüs­sig­keits­durch­fluss. Sie liefert sowohl kine­ti­sche Ener­gie (Durch­fluss) als auch Druck­ener­gie – die Arbeits­ener­gie, die für eine kon­ti­nu­ier­li­che hyd­rau­li­sche Lei­stung erforder­lich ist.

Hubkolbenpumpe

Eine Kolbenpumpe mit hin- und herbewegtem Kolben besitzt einen Kolben, der über eine Kurbel oder Nockenwelle mit einer Antriebsmaschine (Motor oder Elektromotor) verbunden ist. Der Einlass und der Auslass sind jeweils mit einem Kugel-Rückschlagventil ausgestattet. Wenn der Kolben herausgezogen wird, vergrößert sich das innere Volumen, das Einlass-Kugelventil öffnet sich und Flüssigkeit strömt ein. Wenn der Kolben hineingedrückt wird, verringert sich das Volumen, der Druck steigt, das Einlass-Kugelventil schließt sich und das Auslass-Kugelventil öffnet sich – wodurch die Flüssigkeit in das System gedrückt wird. Eine kontinuierliche Hin-und-Her-Bewegung erzeugt einen pulsierenden Durchfluss; der Druck kann beliebig hoch sein, je nach Systemanforderung.

Abbildung 2-13: Kolbenpumpe mit hin- und herbewegtem Kolben. Der Kolben bewegt sich ein- und auswärts, saugt Öl über das Einlass-Rückschlagventil an und fördert es über das Auslass-Rückschlagventil ab.

Drehverdrängerpumpe

Die am häufigsten verwendete Pumpe in industriellen Hydrauliksystemen ist die Drehverdrängerpumpe. Sie erzeugt einen relativ gleichmäßigen, druckbeaufschlagten Durchfluss und lässt sich einfach mit einem Elektromotor oder Motor antreiben. Jede Umdrehung des rotierenden Elements verdrängt ein festes Flüssigkeitsvolumen.

Konstruktion einer Drehkolbenpumpe

Eine Drehkolbenpumpe besteht aus einem Gehäuse und einer rotierenden Baugruppe. Das Gehäuse verfügt über einen Einlass und einen Auslass. Die rotierende Baugruppe erzeugt Durchfluss und Druck. Das dargestellte Beispiel enthält einen Rotor und Lamellen, die sich frei in und aus den Nuten des Rotors bewegen können.

So funktioniert eine Drehpumpe

Die rotierende Baugruppe ist exzentrisch (außermittig) innerhalb des Gehäuses montiert und über die Antriebswelle mit der Antriebsmaschine verbunden – der Rotor dreht sich. Während sich der Rotor dreht, drückt die Fliehkraft die Lamellen nach außen gegen die Gehäusewand, wodurch abgedichtete Kammern entstehen. Auf der Einlassseite nimmt das Kammervolumen zu, wodurch Flüssigkeit angesaugt wird. Auf der Auslassseite verringert sich das Kammervolumen, der Druck steigt an und die Flüssigkeit wird aus dem System herausgedrückt. Die Pumpe erzeugt lediglich einen Druck, der der geringsten Widerstandskraft im System entspricht – nicht mehr.

Abbildung 2-15: Drehkolbenpumpe mit Lamellen. Die Lamellen, die gegen die Gehäusewand abdichten, bilden Kammern, die sich beim Drehen des Rotors erweitern (Einlass) bzw. verkleinern (Auslass).

Widerstand und Druck

In einem hydraulischen System stehen Druck und Widerstand in direktem Zusammenhang. Die Pumpe drückt Flüssigkeit in das System; die Druckhöhe wird durch die Höhe des Widerstands bestimmt. Hoher Widerstand → hoher Druck; niedriger Widerstand → niedriger Druck. Der Strömungswiderstand bestimmt, welcher Druck erzeugt wird.

Widerstand an einer Pumpe

Eine Pumpe steht vor zwei Arten von Widerständen: Lastwiderstand und Strömungswiderstand. Wenn wir den Strömungswiderstand vernachlässigen, bleibt allein der Lastwiderstand übrig. Falls zur Überwindung des Lastwiderstands ein Druck von 200 psi (13,8 bar) erforderlich ist, erzeugt die Pumpe diesen Druck von 200 psi und leitet hydraulische Arbeitsenergie in den Aktuator ein, der daraufhin die Last bewegt.

Der Strömungswiderstand ist stets vorhanden. Er zwingt die Pumpe, mehr Energie vom Antriebsmotor zu beziehen und einen höheren Druck zu erzeugen, um ihn zu überwinden.

Abbildung 2-16: Widerstand und Druck. Der Pumpendruck steigt an, um den gesamten Widerstand zu überwinden – also den Lastwiderstand sowie den Strömungs- (Reibungs-)widerstand.

Zusätzliche Energieumwandlung

Die zusätzliche Energie, die die Pumpe in die Flüssigkeit einbringt, um den Strömungswiderstand zu überwinden, wird am Aktuator nicht in nutzbare hydraulische Arbeitsenergie umgewandelt – sie wird durch die Strömungsreibung verbraucht. Diese „verbrauchte“ Energie geht im Sinne der Energieerhaltung nicht verloren; sie wird in Wärme umgewandelt, wodurch die Flüssigkeitstemperatur steigt. Diese Wärme stellt die Unwirksamkeit des Systems dar.

Geschwindigkeit und Volumenstrom

In einem dynamischen (strömenden) hydraulischen System bewegt sich die Flüssigkeit mit einer bestimmten Geschwindigkeit (Geschwindigkeitsbetrag) durch Rohre. Die Geschwindigkeit wird in ft/s (Fuß pro Sekunde) oder m/s gemessen.

Das Volumen an Flüssigkeit, das pro Zeiteinheit einen bestimmten Punkt passiert, wird als Volumenstrom bezeichnet. In hydraulischen Systemen wird üblicherweise die Einheit gpm (US-Gallonen pro Minute) oder L/min (Liter pro Minute) verwendet.

Geschwindigkeit und Volumenstrom stehen in Beziehung zueinander: Um einen 5-Gal-(18,95-L)-Behälter innerhalb einer Minute über ein großes Rohr zu füllen, bewegt sich die Flüssigkeit mit 10 ft/s (3,04 m/s). Über ein halb so großes Rohr muss sich die Flüssigkeit mit 20 ft/s (6,10 m/s) bewegen, um denselben Volumenstrom von 5 gpm bereitzustellen. Der Volumenstrom ist identisch; die Geschwindigkeit ist unterschiedlich.

Abbildung 2-17 Gleicher Volumenstrom, unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeit. In einem kleineren Rohr muss die Flüssigkeit schneller strömen, um das gleiche Volumen pro Minute zu transportieren.

Reibung erzeugt Wärme

Flüssigkeit, die durch hydraulische Leitungen strömt, erzeugt aufgrund der Reibung Wärme – je schneller sie fließt, desto mehr Wärme entsteht. In industriellen Anwendungen beträgt die empfohlene Fluidgeschwindigkeit innerhalb der Leitungen zwischen Pumpe und Stellglied 15 ft/s (4,572 m/s).

Krümmer erzeugen Wärme

Flüssigkeit, die in einem geraden Rohr strömt und auf einen Krümmer trifft, muss plötzlich ihre Richtung ändern. Die Fluidmoleküle stoßen dabei sowohl untereinander als auch mit der Rohrwand zusammen – dies erzeugt ebenfalls Wärme. Je nach Rohrgröße kann ein einzelner 90°-Krümmer genauso viel Wärme erzeugen wie mehrere Meter gerade Rohrleitung.

Druckdifferenz

Ein Druckunterschied ist die Differenz des Drucks zwischen zwei beliebigen Punkten in einem System. Ein Druckunterschied verrät Ihnen zwei Dinge:

1. Er zeigt an, dass hydraulische Arbeitsenergie (unter Druck stehende, strömende Flüssigkeit) zwischen diesen beiden Punkten vorhanden ist.
2. Es misst, wie viel hydraulische Energie zwischen diesen beiden Punkten in Wärme umgewandelt wird.

Beispiel: Der Druckmesser 1 zeigt 200 psi (13,79 bar), der Druckmesser 2 zeigt 180 psi (12,41 bar). Die Differenz beträgt 20 psi (1,38 bar). Das bedeutet:

3. Die Flüssigkeit strömt vom Messgerät 1 zum Messgerät 2.
4. 20 psi hydraulischer Energie wurden durch Strömungsreibung zwischen den beiden Messgeräten in Wärme umgewandelt.

Abbildung 2-19 Druckdifferenz. Der Druckabfall von 20 psi über diesen Rohrabschnitt zeigt an, dass eine Strömung vorhanden ist, und quantifiziert die durch Reibungswärme verlorene hydraulische Energie.

Konstruktion zur Reduzierung von Wärme in hydraulischen Systemen

Die Umwandlung hydraulischer Energie in Wärme bedeutet, dass das System Energie verschwendet. Um die Effizienz zu verbessern, müssen Konstrukteure die richtige Ölviskosität wählen, Rohre korrekt dimensionieren und die Anzahl an Bögen und Armaturen minimieren. All dies verringert den Strömungswiderstand und reduziert somit die als Wärme verlorene Energie.

Abbildung 2-20 Wärmeentwicklung in einer realen Schaltung. Jedes Rohr, jede Armatur, jeder Bogen und jedes Ventil trägt zum Druckabfall und zum Energieverlust bei.