AGRARTECHNIK SEP 200278

1. Grundlagen

Wird heute in der Land- und Baumaschi-nentechnik von Hydraulik gesprochen, soversteht man darunter die praktische An-

Hydraulische Anlagen und ihre Komponentenin Land- und Baumaschinen

1.1 Hydrostatik und Hydro-dynamik

Hydrostatik und Hydrodynamik sind Teile der physikalischen Lehre von

Der Begriff Hydraulik wird abgeleitet vom griechischen

Wort hydor, was zu deutsch Wasser bedeutet.

Mit Hydraulik sind die physikalischen Gesetzmigkeiten

verbunden, die allgemein fr Flssigkeiten gelten.

Dieser und weitere Beitrge widmen sich den Grund-

lagen, die mit fortschreitender Ausbildung fr das

Verstndnis ganzer Anlagen notwendig sind.

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W E R K S TAT T & T E C H N I K

Agrartechnische LehrbriefeKapitel 1.14:Hydraulik

Bild 1: Druck durch uere Krfte.

Kriterium Hydraulik Pneumatik Elektrik/Elektronik Mechanik

Energietrger l (allgemein Flssigkeiten) Luft Elektronen Wellen, Gestnge, Riemen,Ketten, Rder usw.

Energieleitung Rohre, Schluche, Rohre, Schluche, elektr. Leitermaterial Wellen, Gestnge, Riemen,Bohrungen Bohrungen (Kabel usw.) Ketten, Rder usw.

Umwandlung aus bzw, Pumpen, Zylinder, Verdichter, Zylinder, Generatoren, Batterien, E-Motoren,in mechanische Energie HY-Motoren PN-Motoren Motoren, Magnete, Linearmotoren

wichtigste Kenngren Druck p (30-400 bar) Druck p (ca. 6 bar) Spannung U, elektr. Strom Kraft, Drehmoment, Volumenstrom V Volumenstrom V Geschwindigkeit, Drehzahl

sehr gut; durch hohe Betriebs- gut; jedoch Einschrn- weniger gut; Leistungsgewicht von gut; da keine Energieumwand-

Leistungsdichte drcke bis ca. 400 bar, kung durch max. E-Motoren ca. 10xgrer als von lung; Einschrnkung, wenn kleine, preiswerte Bauelemente; Betriebsdruck von 6 bar HY-Motoren. Schalter gegenber hohe Anforderung an Steuer-undeinfachster Linearmotor=Zylinder Wegeventil jedoch gnstig Regelbarkeit gestellt werden

Weggenauigkeit (kann bei sehr gut; da l kaum weniger gut; da Luft sehr unterschiedliche Hysterese, sehr gut; durch Form- bzw. Kraft-allen Systemen durch Lage- kompressibel kompressibel Schlupf einerseits, Synchronmotoren, bzw. Stoffschluss (Verzahnung regelung verbessert werden) Schrittmotoren andererseits usw.)

Wirkungsgrad weniger gut; volumetrische und Reibungsverluste bei prim- gut; sofern Elektrizitt bereits als gut; da keine Energieumwandlung;rer und sekundrer Energieumwandlung sowie bei Steuerung Primrenergie verfgbar mechanische Reibungsverlusteund Regelung in Ventilen

sehr gut; ber Ventile und Ver- sehr gut; ber Ventile (fr kleine Leistungen: sehr gut; grere

Steuer- und Regelbarkeit stellpumpen; Servoventile in kleine bis mittlere Leis- Leistungen: weniger gut ber Schal- weniger gut; ber Getriebe, Regeltechnik tungen) ter, Relais, Halbleiter, Regelmotoren, Hebelsysteme usw.Verbesserung in Kombination mit Elektrik/ Elektronik variable Widerstnde usw.

Erzeugung linearer sehr einfach ber Zylinder sehr einfach ber Zylinder weniger einfach ber Linear- einfach ber Kurbeltriebe, Bewegungen motoren, Gewindespindeln Spindeln usw.

Bearbeitung von Werkstcken, Handling, Montageeinrich- Rotationsantriebe, Vorschuban- allgemeine Energiebertragungtypische Anwendung Vorschubantribe, Pressen, tung, Komfortausstattung triebe, Spindelantriebe auf geringe EntfernungenRotation (groe Krfte) (geringe Krfte)

wendung der physikalischen Gesetzm-igkeiten bei der bertragung, Steuerungund Regelung von Krften und Bewegun-gen mit Hilfe von Flssigkeiten. In Land-und Baumaschinen werden als Flssig-keiten fast nur Hydraulikle eingesetzt. Vorteile, die sich beim Einsatz von hydrau-lischen Anlagen ergeben, sind aus dem Systemvergleich in Tabelle 1 abzulesen.

den Flssigkeiten, also der Hydrome-chanik.1.1.1 Hydrostatik ist die Lehre von denGleichgewichtszustnden ruhender,nicht zusammenpressbarer Flssigkei-ten unter dem Einfluss uerer Krfte.Dass sich die Flssigkeiten tatschlichein wenig zusammenpressen lassen,soll hier nicht bercksichtigt werden.

Bild 1 zeigt, dass die auf eine ruhende Flssigkeit wirkende Kraft sich in alle Richtungen innerhalb der Flssigkeit gleich-mig fortpflanzt. Die Gre des Druckes p in der Flssigkeit ergibt sich aus der KraftF und der Flche A.Bild 2 zeigt eine einfache Hydraulikanlage,die aus einer Handpumpe und einem be-lasteten Kolben (Lastkolben) in einem Zylin-

Hydraulik-Grundwissen

Tabelle 1: Systemvergleich zwischen Hydraulik, Pneumatik, Elektrik/Elektronik und Mechanik.

..

Rechenbeispiel zu einem Druckberset-zer mit sehr unterschiedlichen Flchen:Gegeben:

Gesucht:

Formel:

79AGRARTECHNIK SEP 2002

der besteht. Der Raum zwischen der Hand-pumpe und dem Lastkolben ist mit Hydraulik-l gefllt. Wird auf die Handpumpe keine Kraftausgebt, so steht der Lastkolben in seinemunteren Totpunkt (der Kolben steht im unte-ren Totpunkt auf vernachlssigbar kleinenHaltepunkten knapp oberhalb der Zulauf-bohrung) und im Hydraulikl herrscht atmos-phrischer Druck (Annahme: Der Kolben derPumpe ist masselos!). Wird auf den Hand-hebel der Pumpe gedrckt, so muss dieseDruckkraft stndig erhht werden, damit ir-gendwann die Last gehoben werden kann.Dieser Punkt ist erreicht, wenn die ber denHandhebel in die Anlage eingeleitete Kraft so gro ist, dass der entstehende Druck in der Anlage ausreicht, um die Last des Lastkolbens gerade eben heben zu knnen. Soll die Last gehoben werden, muss der Pum-penkolben nur noch mit gleich bleibenderKraft weiter nach unten bewegt werden. Pumpenkolben und Lastkolben legen dabeigleich lange Strecken zurck, wenn beideKolben gleiche Durchmesser aufweisen. ImLeitungssystem bleibt der vorher schon auf-gebaute Hebedruck unverndert. Wird dieLast erhht, mssen sich auch Hebekraft unddamit der Druck in der Anlage erhhen, umdie grere Last bewegen zu knnen.

1. Ermitteln Sie fr die beiden Hydrau-liksysteme in den Bildern 4 und 5 a) die Kolbenflchenb) die Krftec) die Kolbenwege sowied) die Kolbengeschwindigkeiten.2. Formulieren Sie die aus den L-sungen gewonnenen Erkenntnisse.

gleichem Druck versorgt. Weil beideFlchen des Kolbens gleich gro sind,bleibt der Kolben in Ruhestellung. Der doppelt wirkende Zylinder mit einseitigerKolbenstange in Bild 7 erhlt durch beideLeitungsanschlsse Hydraulikl unter einemDruck von p = 60 bar. Trotz des gleichenDruckes links und rechts vom Kolben be-wegt sich die Kolbenstange nach rechts.Dies geschieht deshalb, weil die vom Druckbeaufschlagte Kolbenflche links grerist als die Flche der Kolbenstangenseiterechts. In Bild 8 ist ein Druckbersetzerdargestellt. Auf die Flche A1, die doppeltso gro ist wie die Flche A2 des Doppel-kolbens, wirkt der Druck p1. Daraus ent-steht die Kraft F, die auf die Flche A2drckt. Dadurch entsteht der Druck p2, derdoppelt so gro ist wie p1.

Bild 2: Aufbau einer einfachen hydraulischen Anlage.

Der Druck in einer hydraulischen Anlage ist bestimmt durch den Widerstand

(die Last), der (die) dem Strmen der Hydraulikflssigkeit entgegensteht.

Merksatz:

Die Bilder 3, 4 und 5 zeigen drei Hydraulikanlagen, die sich in den Durch-messern der Pumpen- und Lastkolben unterscheiden. Mit Hilfe der bisherigen Ausfhrungen und eines Tabellenbuchessind dazu folgende Aufgaben zu lsen:

Bild 3: Pumpen- und Lastkolben haben gleichgroe Flchen.

AP = AL = 200 cm2 vP = vL = 1 FP = FL = 1000 N t = 0,1 SekundesP = sL = 10 cm P=Pumpenkolben; L=Lastkolben

Bild 4: Die Flche des Lastkolbens ist fnfmalgrer als die Flche des Pumpenkolbens.

AP = 200 cm2 AL = ?FP = 1000 N FL = ?sP = 10 cm sL = ?vP = 1 vL = ?t = 0,1 Sekunde

Bild 5: Die Flche des Lastkolbens ist fnfmalkleiner als die Flche des Pumpenkolbens.

AP = 200 cm2 AL = ?FP = 1000 N FL = ?sP = 10 cm sL = ?vP = 1 vL = ?t = 0,1 Sekunde

Weitere Auswirkungen der Druck- undFlchenverhltnisse in hydraulischen An-lagen zeigen die Bilder 6 bis 8. In Bild 6wird der doppelt wirkende Zylinder mitzweiseitiger Kolbenstange durch beide Leitungsanschlsse mit Hydraulikl unter

Bild 6: Doppelt wirkender Zylinder mit zweiseitiger Kolbenstange.

Bild 7: Doppelt wirkender Zylinder mit einseitiger Kolbenstange.

Bild 8: Druckbersetzer.

A1 = 8,0 cm2

p1 = 2000 (=200 bar)

A2 = 1 cm2cm2N

sm

sm

sm

p2 = ? cm2N

F1 = A1 * p1 = F2 = A2 * p2 = F

A1 * p1 = A2 * p2

A1 * p1 = p2A2

8 cm2 * 2000 1 cm2

= 16000 (=1600 bar)cm2N

cm2N

Turbulente Strmungen sind durch un-geordnete Bewegungen der Flssigkeits-teilchen gekennzeichnet. Deshalb steigtdie Reibung, die zu erhhtem Druckver-lust fhrt.

1.1 Energieumwandlung beihydraulischen AnlagenBild 13 zeigt am Beispiel eines Radladers,auf welche Weise die Energie einer hy-draulischen Anlage zugefhrt wird und wie die hydraulische Anlage die Energieweitergibt. Der Verbrennungsmotor erhltchemische Energie in Form von Kraftstoff

und wandelt diese Energie durchVerbrennung in Wrmeenergieum. Aus der Wrmeenergie entsteht fr den Antrieb vonSchwungrad und Nebenaggre-gaten mechanische Energie, dieauch die Hydraulikpumpe an-treibt. Von der Hydraulikpumpewird die mechanische Energiein hydraulische Energie umge-wandelt und durch Steuerventile(Wegeventile) im unten ange-

fhrten Beispiel einem Hydraulikzylinderzugefhrt, welcher die Schaufel bettigtund dadurch die hydraulische Energie inmechanische umformt.

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Mit Worten ausgedrckt: Der Ausgangs-druck wird um das Sovielfache grer alsder Eingangsdruck, wie die Ausgangsflchekleiner als die Eingangsflche ist.1.1.1 Hydrodynamik, auch Hydrokinetikgenannt, ist die Lehre von den Bewe-gungsgesetzen der Flssigk