Bei der Übertragung von Energie durch ein Fluid muss die Richtung bestimmt werden, und eine kontinuierliche, vollständige Steuerung muss aufrechterhalten werden. Ohne vollständige Kontrolle ist die Energie nutzlos oder – noch schlimmer – die Maschine könnte beschädigt werden. Einer der Hauptvorteile der Hydrauliktechnik ist die Möglichkeit, die Energie mit hydraulischen Steuerventilen relativ einfach zu steuern.

Hydraulische Steuerungsventile

Ein hydraulisches Steuerventil ist ein mechanisches Bauteil, das aus einem Ventilgehäuse mit internen Kanälen besteht, die den Fluidstrom verbinden oder unterbrechen können, sowie aus inneren beweglichen Teilen. Die Gehäusekanäle dienen zum Transport von Öl. Durch die Bewegung der inneren beweglichen Teile wird der maximale Druck, die Strömungsrichtung und die Durchflussmenge des Systems gesteuert.

Systemdruckregelung

Hydraulische Energie kann auf einen Hydraulikzylinder übertragen werden. Wenn die resultierende Arbeit erfolgreich ist, ist diese Arbeit nach vollständiger Ausfahrung des Zylinders erledigt. Die Verdrängerpumpe nimmt weiterhin zusätzliche Energie von ihrem Antriebsmotor auf. Dadurch steigt der Druck im Öl an. (Hinweis: Der geringste Widerstand im System bestimmt den angewendeten hydraulischen Druck.) Während sich der Zylinder weiter ausfährt, wird die mechanische Festigkeit des Systems zum geringsten Widerstand.

Die Pumpe erhöht den Druck, um diesen Widerstand zu überwinden. Druckbegrenzungsventile werden eingesetzt, um den Systemdruck innerhalb eines sicheren Bereichs zu halten.

Druckregelventil

Die inneren beweglichen Teile eines Druckregelventils arbeiten druckgesteuert. Sobald der Systemdruck einen bestimmten eingestellten Wert erreicht, verbinden oder sperren die inneren beweglichen Teile einen der Kanäle im Ventilgehäuse, wodurch Öl in diesen Kanal strömt oder der Ölstrom in diesen Kanal unterbunden wird.

Aufbau eines Druckregelventils

Ein Druckregelventil besteht aus einem Ventilkörper mit primären und sekundären Durchlässen sowie inneren beweglichen Teilen (dem Kolben). Die externen Anschlüsse an die Durchlässe werden als primärer Anschluss und sekundärer Anschluss bezeichnet.

So funktioniert ein Druckregelventil

Das innere bewegliche Teil eines Druckregelventils ist typischerweise ein Kolben. Wenn sich der Kolben in einer Endstellung befindet, sind die inneren Durchlässe verbunden, sodass ein Durchfluss möglich ist. Befindet er sich in der anderen Endstellung, ist der innere Durchlass gesperrt und der Durchfluss durch das Ventil unterbrochen.

Bei einem Druckregelventil ist der Kolben federbelastet und befindet sich in einer Endstellung. In dieser normalen Schließstellung ist der innere Durchlass gesperrt und der Durchflussweg durch das Ventil geschlossen. Dieser Typ wird als normalerweise geschlossenes Druckregelventil bezeichnet.

Das Druckregelventil erfasst den Druck an der Unterseite des Kolbens. Diese untere Leitung ist mit dem Primäranschluss verbunden. Wenn der Systemdruck die Federkraft übersteigt, bewegt sich der Kolben, um die innere Leitung zu verbinden und dadurch einen Durchfluss durch das Ventil zu ermöglichen.

(Der hydraulische Druck, der zur Steuerung der Kolbenbewegung verwendet wird, wird als Pilotdruck bezeichnet. Die Steuerung eines Ventils mittels Pilotdruck wird als Pilotsteuerung bezeichnet und ist die gebräuchlichste Methode zur Steuerung aller Arten hydraulischer Ventile.)

Wenn bei dieser Art von Druckregelventil der Primäranschluss mit der Systemdruckseite verbunden ist und der vom Pumpendruck erzeugte Druck zu hoch ist, kann der Pumpenstrom über dieses Ventil in den Öltank abgeleitet werden – diese Art von normalerweise geschlossenem Druckregelventil wird als Sicherheitsventil bezeichnet.

Abbildung 7-2: Normalerweise geschlossenes Druckregelventil (Betrieb als Sicherheitsventil). Die Feder hält den Kolben geschlossen, bis der Systemdruck die Einstellung der Feder überschreitet; dann verschiebt sich der Kolben und öffnet einen Pfad zum Tank.

Abbildung 7-3 Ein einfacher hydraulischer Kreislauf mit Druckregelung (Überdruckventil). Wenn der Zylinder das Ende seines Hubes erreicht, öffnet sich das Überdruckventil und leitet den Pumpenstrom zurück in den Tank, wodurch der maximale Systemdruck begrenzt wird.

Richtungssteuerung von Stellgliedern

Sobald ein hydraulischer Zylinder vollständig ausgefahren ist, muss er wieder eingefahren werden, damit die Arbeit erneut ausgeführt werden kann. Aus diesem Grund verwenden Zylinder, die sich in zwei Richtungen bewegen müssen, normalerweise zweifachwirkende hydraulische Zylinder mit zwei Anschlüssen.

Doppeltwirkenden Hydraulikzylinder

Ein zweifachwirkender hydraulischer Zylinder verfügt über je einen Anschluss an jedem Ende des Zylinderrohrs, sodass Öl ein- und austreten kann und der Kolben sich daher in beide Richtungen bewegen kann (zweifachwirkend). Um die beiden Anschlüsse eines zweifachwirkenden Zylinders zu unterscheiden, kennzeichnen wir einen Anschluss mit „A“ und den anderen mit „B“.

Richtungssteuerventil

Die inneren beweglichen Teile eines Richtungssteuerventils haben die Aufgabe, die internen Kanäle des Ventilgehäuses zu verbinden oder zu sperren und dadurch die Richtung des Ölstroms zu steuern.

Ausführungsform des Richtungssteuerventils

Ein typisches Richtungssteuerventil verfügt über vier innere Kanäle im Ventilkörper und einen verschiebbaren Kolben (Spule), der diese Kanäle verbinden oder sperren kann.

Funktionsweise eines Richtungssteuerventils

Wenn sich die Spule in einer Endstellung befindet, ist der Druckkanal mit dem Arbeitskanal A verbunden und der Rücklaufkanal mit dem Arbeitskanal B. Wenn die Spule in die andere Endstellung wechselt, ist der Druckkanal mit dem Arbeitskanal A verbunden und der Rücklaufkanal mit dem Arbeitskanal B. Durch das Umschalten der Spulenrichtung wird die Ölströmungsrichtung in den Hydraulikzylinder umgekehrt.

Wenn die Zylinderstange vollständig ausgefahren und eingefahren wird, wie erforderlich, ist die Arbeit erledigt. Wenn die Spule in die andere Endstellung wechselt, strömt Öl auf die andere Seite des Zylinders – und die Zylinderstange fährt ein.

Abbildung 7-4: Richtungssteuerventil in einem doppeltwirkenden Zylinderkreis. Durch Verschieben der Spule wird die Ölströmungsrichtung umgekehrt, wodurch sich auch die Bewegungsrichtung des Zylinders umkehrt.

Geschwindigkeitsregelung von Stellgliedern

In vielen Anwendungen muss die Arbeitsgeschwindigkeit des Stellglieds gesteuert und manchmal sogar sehr präzise geregelt werden. Wie zuvor erläutert, hängt die Geschwindigkeit von Stellgliedern (Zylindern, Hydromotoren) direkt von der Ölzuflussrate ab – die Geschwindigkeit des Stellglieds wird durch die zugeführte Volumenstromrate bestimmt.

Da die Pumpenverdrängung fest sein kann, ist es möglich, die Pumpenfördermenge auf Grundlage der erforderlichen Stellgliedgeschwindigkeit auszuwählen. Dies ist jedoch nur in Systemen mit einem einzigen Stellglied praktikabel.

Üblicherweise sind in einem hydraulischen System mehrere Stellglieder vorhanden. Wenn das System erfordert, dass jeder hydraulische Zylinder unabhängig arbeitet, sollte die Pumpenfördermenge auf Grundlage des größten hydraulischen Zylinders ausgewählt werden, der die höchste Geschwindigkeit benötigt. Das bedeutet, dass kleinere Stellglieder schneller bewegt werden, was möglicherweise nicht erwünscht ist. Um den Durchfluss zu diesen oder anderen Stellgliedern zu reduzieren, muss ein Durchflussregelventil eingesetzt werden.

Durchflussregelventil

Bei Verwendung eines Durchflussregelventils ist es stets möglich, den Durchfluss von der Pumpe zum Stellglied zu reduzieren.

Aufbau eines Durchflussregelventils

Ein typisches Durchflussregelventil besteht aus einem Ventilgehäuse und einem beweglichen Teil. In unserem Beispiel ist das bewegliche Teil eine justierbare Nadel mit konischem Ende. Da die Nadel während des Betriebs nicht tatsächlich bewegt wird (sondern vorab auf eine bestimmte Position eingestellt wird), ist es treffender, die beweglichen Teile des Durchflussregelventils als „justierbar“ statt als „beweglich“ zu bezeichnen.

Funktionsweise eines Durchflussregelventils

In einem hydraulischen System arbeitet das Durchflussregelventil stets zusammen mit dem Druckbegrenzungsventil (Überdruckventil). Das Durchflussregelventil stellt einen Widerstand dar. Dadurch erzeugt die Hydraulikpumpe einen höheren Druck. Dieser Druck kann bewirken, dass ein Teil des Pumpendurchflusses das Überdruckventil öffnet, wodurch der Durchfluss durch das Durchflussregelventil reduziert und der Durchfluss zum Stellglied entsprechend geregelt wird.

Abbildung 7-5: Durchflussregelschaltung. Das Drosselventil begrenzt den Durchfluss zum Zylinder. Der überschüssige Pumpendurchfluss wird über das Überdruckventil in den Tank abgeleitet. Die Öffnungsweite des Drosselventils bestimmt die Geschwindigkeit des Zylinders.

Ein einfaches hydraulisches System

Alle oben vorgestellten Komponenten können ein einfaches hydraulisches System bilden. Da die hydraulische Energie in diesem System steuerbar ist, kann das System nützliche Arbeit verrichten.

Hydraulische Systeme werden in zahlreichen Bereichen weit verbreitet eingesetzt – von der Luft- und Raumfahrt, Flugzeugen und militärischer Ausrüstung bis hin zur Industrie, mobilen Maschinen und Stahlanlagen. Die Funktionsprinzipien hydraulischer Systeme sind in all diesen Anwendungen identisch mit denen, die oben beschrieben wurden. Der einzige Unterschied zwischen den verschiedenen „Arten“ hydraulischer Systeme liegt in den verwendeten Komponenten.

In den folgenden Kapiteln werden wir verschiedene Arten von Komponenten ausführlich behandeln – sie werden in industriellen hydraulischen Systemen eingesetzt. Um zu erläutern, wie diese Komponenten verwendet werden, entwerfen wir zudem einige grundlegende hydraulische Schaltungen.

Hydraulische Schaltzeichen

In früheren Diskussionen zu hydraulischen Komponenten und Grundsystemen wurde alles grafisch erläutert – unter Verwendung von Schnittdarstellungen, um die internen Vorgänge der Komponenten anschaulich darzustellen. Diese Methode ist hilfreich, um Probleme zu erklären, doch aus der täglichen Praxis heraus ist sie unpraktikabel.

Wie andere technische Fachgebiete verwendet auch die Hydraulik grafische Symbole zur Darstellung von Komponenten und Systemen. Die verschiedenen zuvor behandelten hydraulischen Komponenten und einfachen Systeme können sämtlich mit den hydraulischen und pneumatischen Grafiksymbolen nach ANSI Y32.10 oder ISO 1219 dargestellt werden.

Neben den bereits behandelten Komponenten umfassen die Bestandteile eines hydraulischen Systems zudem Elektromotoren, hydraulische Filter usw. Hydraulische Systeme werden üblicherweise von Elektromotoren angetrieben. Um zudem ein angemessenes Sauberkeitsniveau zu gewährleisten, sollten hydraulische Systeme hydraulische Filter einsetzen, um das Öl vor Verunreinigungen zu schützen.

Abbildung 7-7 Standard-Hydraulik-Symbolschreibweise (ANSI Y32.10 / ISO 1219). Diese Symbole werden auf allen hydraulischen Schaltplänen anstelle von Schnittdarstellungen verwendet.

Abbildung 7-8 Ein vollständiger, einfacher hydraulischer Schaltkreis, dargestellt mit den standardisierten grafischen Symbolen. So werden hydraulische Schaltkreise in der technischen Praxis gezeichnet.