Fluidtechnik - Skript
Das Online-Skript zum Thema Hydraulik. In diesem Skript kann man die Grundlagen der Hydraulik lernen.
In der Hydraulik werden Signale, Kräfte und Energie mit Hilfe von Flüssigkeiten übertragen. Die Hydraulik ist ein Teilgebiet der Fluidtechnik. In den folgenden Artikeln lernen Sie die grundlegenden Berechnungsformeln, Hydraulik-Komponenten und Gesetzmäßigkeiten kennen.
Die Lehre der Hydraulik befasst sich mit dem Strömungsverhalten der Flüssigkeiten. In der Technik und im Maschinenbau geht es bei der Hydraulik um die Übertragung von Signalen, Kräften und Energie. Die Hydraulik ist ein Teilgebiet der Fluidtechnik. Das Wort Hydraulik stammt aus dem Griechischen und kann hergeleitet werden aus der Zusammensetzung der beiden Wörter hýdor „das Wasser“ und aulós „das Rohr“.
In diesem Hydraulik-Skript kann man die Grundlagen der Hydraulik und Fluidtechnik lernen.
Eigenschaften hydraulischer Systeme
Eine Anlage wird als hydraulisches System bezeichnet, wenn sie nach dem hydraulischen Prinzip arbeitet.
Wie bereits zu beginn dieses Hydraulik-Skripts beschrieben, bedeutet dies, dass Kräfte, Energie und Signale über eine Flüssigkeit übertragen werden. Verwendete Flüssigkeiten hierfür sind Mineralöl, biologisch abbaubare Flüssigkeiten, schwer entflammbare Flüssigkeiten sowie Wasser.
Hydraulikflüssigkeiten
- Mineralöl
- biologisch abbaubare Flüssigkeiten
- schwer entflammbare Flüssigkeiten
- Wasser
Kräfte, die in einem hydraulischen System übertragen werden, entstehen durch Druck. Bewegung entsteht durch einen Volumenstrom. Aus den Faktoren Druck und Volumenstrom ergibt sich die übertragene Leistung.
Der erforderliche Druck und 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 (nur bei der Wasserhydraulik kann drauf verzichtet werden). Das bedeutet es gibt einen Hin- und Rücklauf für die Hydraulikflüssigkeit. Zum Beispiel kann die Hydraulikflüssigkeit durch eine Pumpe zu einem Verbraucher (z.B. Hydraulikzylinder) gefördert werden und wird von dort aus über eine Rücklaufleitung zum Flüssigkeitsbehälter zurückgefördert.
Prinzipiell funktioniert die Hydraulik genauso wie die Pneumatik. Bei der Pneumatik dient jedoch Druckluft zur Kraft- und Signalübertragung, während es in der Hydraulik Flüssigkeiten sind. Darüber hinaus besteht in der Pneumatik kein Kreislauf der Druckluft (Hin- und Rücklauf). Die Abluft wird (i.d.R. über einen Schalldämpfer) einfach in die Umgebung abgeblasen. Vorteile der Hydraulik gegenüber der Pneumatik sind, dass wesentlich höhere Kräfte übertragen werden können und sehr exakte und gleichförmige Fahrbewegungen realisierbar sind.
Aufbau einer Hydraulikanlage
Eine Anlage, die nach dem hydraulischen Prinzip funktioniert besteht in der Regel aus einer Flüssigkeitsbehälter, einer Hydropumpe, einem Verbraucher (Hydromotor oder Hydraulikzylinder), der die von der Pumpe übertragene hydraulische Energie in mechanische Energie umwandelt und Steuerelementen (z.B. Ventile).
Bereiche der Hydraulik
Die Hydraulik kann ich folgende Bereiche unterteilt werden:
- Stationärhydraulik
- Mobilhydraulik
- Flugzeughydraulik
- Fahrzeughydraulik
Vorteile und Nachteile der Hydraulik
Hydraulische Systeme haben folgende Vor- und Nachteile
Vorteile
- Übertragung hoher Kräfte und hoher Leistungen bei kleinem Bauvolumen möglich
- Bewegungen können unter Volllast auch aus dem Stillstand erfolgen
- Kraft und Geschwindigkeit sind stufenlos regelbar
- Schutz vor Überlastung kann einfach und sicher realisiert werden
Nachteile
- Temperaturempfindlichkeit der Flüssigkeit der Flüssigkeit schränkt die Hydraulik ein
- Hohe Anforderungen an die Filtrierung der Hydraulikflüssigkeit
- Gefahr von Leckagen
- Kompressibilität der Flüssigkeit
Anwendungen der Hydraulik
Typische Anwendungsbereiche der Hydraulik sind Hydraulikzylinder, die in unterschiedlichsten Gebieten eingesetzt werden wie zum Beispiel Gabelstapler, Bagger, Hebebühnen usw. Hydraulische Systeme finden sich auch in Autos, Flugzeugen zur Steuerung der Flügelklappen und zum Ausfahren des Fahrwerks, in Kränen, Werkzeugmaschinen und vielem mehr.
Druck ist eine physikalische Größe die in Kraft pro Fläche gemessen wird. Das bedeutet, dass der Druck angibt wie viel Kraft (in N) senkrecht auf einer Fläche lastet.
Statischer Druck
Der statische Druck wird einfach über die Formel Kraft pro Fläche bestimmt wie oben beschrieben. Es ergibt sich somit die folgende Berechnungsformel:
Die Darstellung unten verbildlicht die Bedeutung der Größe Druck. In dem Bild ist ein Flüssigkeitsbehälter zu sehen, der durch einen beweglichen Deckel (dicht) verschlossen ist. Auf den Deckel mit der Fläche A wirkt eine Kraft F. Dadurch entsteht im Behälter ein Druck p. Der Druck ist in dieser vereinfachten Betrachtung an allen Stellen im Behälter gleich groß.
Entstehung von Druck in einem Behälter durch eine Kraft F auf eine Wirkfläche A
Lagedruck / Schweredruck
Der Lagedruck bzw. Schweredruck ist abhängig vom betrachteten Punkt innerhalb eines Fluids (Höhe), der Dichte des Fluids und der Erdbeschleunigung. Es handelt sich dabei um den Druck, der durch die Masse des Fluids und der Erdbeschleunigung entsteht. Der Lagedruck/Schweredruck wird über die folgende Formel berechnet:
Dabei ist ρ die Dichte in kg/m3, g die Erdbeschleunigung in m/s2, und h die Höhe in m.
Das Bild unten macht es einfacher das Prinzip des Lagedrucks zu verstehen. Das Bild zeigt einen Behälter, in dem der Druck an zwei Stellen unterschiedlicher Höhe gemessen wird. Da die höher liegende Flüssigkeit auf die darunter liegende drück, erhöht sich der Druck nach unten hin. Somit ist der Druck an höher gelegener Stelle geringer, als der Druck im unteren Bereich des Behälters.
Messung des Drucks in einem Behälter in unterschiedlicher Höhe
Dynamischer Druck / Staudruck
Der dynamische Druck ergibt durch die kinetische Energie einer strömenden Flüssigkeit an der Oberfläche eines Körpers, der sich in dieser Strömung befindet. Der dynamische Druck wird auch als Staudruck bezeichnet, da sich die strömende Flüssigkeit an dem entsprechenden Körper staut.
Der dynamische Druck ist abhängig von der Dichte der Flüssigkeit und ihrer Strömungs-Geschwindigkeit. Er errechnet sich mit folgender Formel:
pdyn = ρ/2 . v2
Dabei ist ρ die Dichte in kg/m3, und v die Geschwindigkeit (die mit der Potenz 2 in die Berechnung eingeht).
Die Darstellung unten verbildlicht die Messung des Staudrucks. Es ist eine Rohrleitung dargestellt, in der eine Flüssigkeit strömt. Eine weitere Leitung mit einer anderen Flüssigkeit steht in der Strömung. Durch das strömende Fluid wird die Flüssigkeit in der zweiten Röhre verdrängt. Über die in grün dargestellte Höhendifferenz der zweiten Flüssigkeit, kann die Höhe des Staudrucks gemessen und sichtbar gemacht werden.
Sichtbare Messung des Staudrucks, der in einem strömenden Fluid in einer Rohrleitung entsteht
Zusammenfassung
In diesem Skript zum Thema Hydraulik und Fluidtechnik wurden die drei Arten des hydraulischen Drucks dargestellt: Hydrostatischer Druck, Lagedruck/Schweredruck und Dynamischer Druck bzw. Staudruck.
In der Regel ist in hydraulischen Anlagen der Staudruck und der Lagedruck zu vernachlässigen, da der statische Druck deutlich höher ist.
Wie im vorhergehenden Skript zum Thema „Hydraulischer Druck“ bereits beschrieben, ergibt sich die physikalische Größe Druck aus Kraft pro Fläche – d.h. N/m2.
Die SI-Einheit des Druckes ist die Einheit Pa (= Pascal) ausgedrückt. Dabei entspricht ein Pascal dem Druck von einem Newton pro Quadratmeter (1 N/m2). Allgemein bekannter ist jedoch die Einheit bar, die 100.000 Pa entspricht.
Bar in Pascal: 1 bar = 105 Pa = 0,1 MPa = 105 N/m2
Pascal in bar: 1 Pa = 0,00001 bar = 0,01 mbar
Weitere Einheiten für den Druck sind:
1 psi = 6894,757293168 Pa
1 Torr = 1 mm Hg = 1 mm Quecksilbersäule = ca. 133,3 Pa
1 Zoll Quecksilber (inch of mercury, inHg) = 3386,389 Pa bei 0 °C
1 Meter Wassersäule (mWS) = 9806,65 Pa
1 Technische Atmosphäre (at) = ca. 98066,5 Pa
1 Physikalische Atmosphäre (atm) = 101325 Pa
Druck Umrechnungs-Tabelle
Mit Hilfe der folgenden Druck-Umrechnungs-Tabelle kann man verschiedene Einheiten für Druck in eine beliebige andere Einheit einfach umrechnen.
| Pa |
bar |
psi |
Torr |
Technische Atmosphäre (at) | Physikalische Atmosphäre (atm) |
|
| ≡ 1 N/m² | ≡ 1 Mdyn/cm² | ≡ 1 lbF/in² | ≡ 1 mm Hg | ≡ 1 kp/cm² | ≡ pSTP | |
| 1 Pa | 1 | 1,0000 • 10−5 | 1,4504 • 10−4 | 7,5006 • 10−3 | 1,0197 • 10−5 | 9,8692 • 10−6 |
| 1 bar | 1,0 • 105 | 1 | 14,504 | 7,5006 • 102 | 1,0197 | 9,8692 • 10−1 |
| 1 psi | 6,8948 • 103 | 6,8948 • 10−2 | 1 | 51,715 | 7,0307 • 10−2 | 6,8046 • 10−2 |
| 1 Torr | 1,3332 • 102 | 1,3332 • 10−3 | 1,9337 • 10−2 | 1 | 1,3595 • 10−3 | 1,3158 • 10−3 |
| 1 at | 9,8067 • 104 | 9,8067 • 10−1 | 14,223 | 7,3556 • 102 | 1 | 9,6784 • 10−1 |
| 1 atm | 1,0133 • 105 | 1,0133 | 14,696 | 7,6000 • 102 | 1,0332 | 1 |
In einem hydraulischen System kann wie bereits beschrieben Druck und Kraft übertragen werden. Es können jedoch auch Kräfte und Drücke übersetzt werden - also verringert oder erhöht werden. Dieses Skript zeigt wie man die Kraftübersetzung in einem hydraulischen System berechnen kann.
Kraftübersetzung berechnen
Die Kraftübersetzung und Druckübersetzung erfolgt über verschiedengroße Flächen, auf die die jeweilige Kraft bzw. der Druck wirkt. Im Bild unten ist ein Beispiel gezeigt, dass das Prinzip der Kraft- und Druckübersetzung leicht verständlich darstellt.
Man sieht darin zwei bewegliche Scheiben, auf die die Kräfte F1 und F2 wirken. Im Flüssigkeitsbehälter entsteht durch die Kräfte ein bestimmter (statischer) Druck pSt. Durch die Kraft F1 entsteht eine resultierende Kraft F2. Beide Kräfte stehen im Verhältnis zueinander.
Da sich der Druck aus Kraft/Fläche ergibt, kann man für das obige Beispiel folgende Gleichung aufstellen:
Bereits mit dieser Gleichung kann man die Kraftübersetzung berechnen.
Volumenverdrängung und Arbeit
Für den Fall, dass sich die beiden Kräfte nicht im statischen Gleichgewicht befinden, werden die beiden Flächen in Bewegung versetzt. Hierbei findet eine Volumenverdrängung statt. Es ist zu beachten, dass auf den beiden Seiten bei gleichem Verschiebeweg der Scheiben ein anderes Volumen verdrängt wird, da die Scheiben unterschiedliche Flächen besitzen. Das verdrängte Volumen VFl ergibt sich aus der Fläche A und dem Verschiebeweg s.
Volumenverdrängung:
Über die wirkende Kraft kann auch die verrichtete Arbeit berechnet werden.
Arbeit:
Zusammenfassung - Kraftübersetzung
Eine Kraftübersetzung kann in einem hydraulischen System also durch unterschiedlich große Flächen erzeugt werden. Die Berechnung erfolg aus dem Zusammenhang zwischen Kraft und Fläche.
Mit Hilfe der Hydraulik können wie bereits beschrieben Drücke und Kräfte übertragen, aber auch übersetzt werden. Das bedeutet ein Druck oder eine Kraft wird mit Hilfe eines hydraulischen Systems verstärkt oder verringert. In diesem Hydraulik-Skript wird beschrieben wie man die Druckübersetzung berechnen kann.
Druckübersetzung berechnen
Die Grafik unten zeigt ein einfaches Prinzip der Druckübersetzung. Zu sehen ist darin ein Druckübersetzer mit zwei Druckkammern, die jeweils unterschiedlich große Zylinderflächen besitzen. In der linken Kammer wird durch eine Pumpe der Druck p1 erzeugt. Durch den Druck p1 (der auf die Fläche F1 wirk) resultiert eine Kraft F1, die über die Kolbenstange übertragen wird. Da das System statisch ist (nicht in Bewegung) resultiert aus der Kraft F1 eine Gegenkraft F2, welche in der rechten Kammer über die Fläche A2 den Druck p2 verursacht.
Es ergeben sich folgende Gleichungen:
F1 = p1*A1
F2 = p2*A2
Da das System statisch ist, müssen die beiden Kräfte F1 und F2 gleich sein.
F1 = F2
=> p1*A1 = p2*A2
Aus den obigen Gleichungen ergibt sich die Berechnungsformel für den Druck p2 und damit die Druckübersetzung:
Für den Fall, dass A1/A2 größer ist als 1 folgt, dass p2 größer ist als p1:
A1/A2 > 1 => p2 > p1
Zusammenfassung - Druckübersetzung
Eine Druckübersetzung ist also durch das Zusammenspiel unterschiedlich großer Flächen erzeugbar, die miteinander verbunden sind. Die Berechnung erfolgt durch den Zusammenhang von Druck und Fläche.