das Verständnis. Wege-, Druck- und Stromventile, Hydraulik ... · Festo/Merkle 210 RZ 21495X 22.04.2004 15:32 Uhr Seite 1 aulik Merkle · Schrader Thomes 1 123 eomes Hydraulik Grundstufe

Festo/Merkle 210 RZ 21495X 22.04.2004 15:32 Uhr Seite 1

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1

123

D. Merkle · B. Schrader · M. Thomes

HydraulikGrundstufe2., aktualisierte Auflage

Den vielfältigen Einsatzbereichen der Hydraulik in dermodernen Automatisierungstechnik trägt dieses BuchRechnung. Aufbauend auf den physikalischen Grund-lagen der Hydraulik wird eine umfassende Darstellungder Bestandteile und des Aufbaus einer Hydraulikan-lage gegeben. Bei der Beschreibung der einzelnenKomponenten unterstützen zahlreiche Abbildungendas Verständnis. Wege-, Druck- und Stromventile,Pumpen, Motoren und Zylinder werden detailliertbeschrieben. Auch Filter, Rohrleitungen, Schlauch-verbindungen und Messgeräte werden behandelt.

Die Neuauflage wurde aktualisiert, aktuelle Normenund Richtlinien wurden dabei berücksichtigt undneuere Bauteile aufgenommen. Neu gestaltet undbei geringfügig erweitertem Inhalt noch kompakterpräsentiert sich dieses eingeführte Lehrbuch, wobeidas beliebte Seitenformat beibehalten wurde.

0932

80

783540 2149539

ISBN 3-540-21495-X

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2. Au

flage

Bestell-Nr.: 093280

Benennung: HYDRAUL.LEHRB.

Bezeichnung: D:LB-501-DE

Stand: 11/2003

Autoren: D. Merkle, B. Schrader, M. Thomes

Grafik: Doris Schwarzenberger

Layout: 25.11.2003, Melanie Heinrich, Verena Fuchs

© Festo Didactic GmbH & Co. KG, 73770 Denkendorf, 2003

Internet: www.festo.com/didactic

E-Mail: [email protected]

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seines Inhalts verboten, soweit nicht ausdrücklich gestattet. Zuwiderhandlungen

verpflichten zu Schadenersatz. Alle Rechte vorbehalten, insbesondere das Recht,

Patent-, Gebrauchsmuster- oder Geschmacksmusteranmeldungen durchzuführen.

Inhalt

1 Aufgaben einer Hydraulikanlage__________________________________ 7

1.1 Stationär-Hydraulik _____________________________________________ 8

1.2 Mobil-Hydraulik _______________________________________________ 10

1.3 Hydraulik im Vergleich _________________________________________ 11

2 Physikalische Grundlagen der Hydraulik __________________________ 13

2.1 Druck _______________________________________________________ 13

2.2 Druckfortpflanzung ____________________________________________ 18

2.3 Kraftübersetzung ______________________________________________ 19

2.4 Wegübersetzung ______________________________________________ 21

2.5 Druckübersetzung _____________________________________________ 23

2.6 Volumenstrom ________________________________________________ 25

2.7 Kontinuitätsgleichung __________________________________________ 26

2.8 Druckmessung ________________________________________________ 30

2.9 Temperaturmessung ___________________________________________ 31

2.10 Volumenstrommessung ________________________________________ 31

2.11 Strömungsarten_______________________________________________ 31

2.12 Reibung, Wärme, Druckabfall____________________________________ 35

2.13 Energie und Leistung___________________________________________ 41

2.14 Kavitation ____________________________________________________ 51

2.15 Drosselstellen ________________________________________________ 53

3 Druckflüssigkeit ______________________________________________ 57

3.1 Aufgaben von Druckflüssigkeiten _________________________________ 57

3.2 Arten von Druckflüssigkeiten ____________________________________ 58

3.3 Eigenschaften und Anforderungen ________________________________ 59

3.4 Viskosität ____________________________________________________ 60

4 Bestandteile einer Hydraulikanlage ______________________________ 67

4.1 Energieversorgungsteil _________________________________________ 67

4.2 Druckflüssigkeit_______________________________________________ 67

4.3 Ventile ______________________________________________________ 68

4.4 Zylinder (Linearantriebe)________________________________________ 70

4.5 Motoren (Rotationsantriebe) ____________________________________ 71

© Festo Didactic GmbH & Co. KG • TP 501 3

Inhalt

5 Symbole und Bildzeichen_______________________________________ 73

5.1 Pumpen und Motoren __________________________________________ 73

5.2 Wegeventile __________________________________________________ 74

5.3 Betätigungsarten ______________________________________________ 75

5.4 Druckventile__________________________________________________ 76

5.5 Stromventile__________________________________________________ 78

5.6 Sperrventile __________________________________________________ 79

5.7 Zylinder _____________________________________________________ 80

5.8 Energieübertragung und Aufbereitung_____________________________ 82

5.9 Messgeräte __________________________________________________ 83

5.10 Gerätekombination ____________________________________________ 83

6 Aufbau und Darstellung einer Hydraulikanlage_____________________ 85

6.1 Signalsteuerteil _______________________________________________ 86

6.2 Energieversorgungsteil _________________________________________ 87

6.3 Lageplan_____________________________________________________ 90

6.4 Schaltplan ___________________________________________________ 91

6.5 Technische Angaben bei den Geräten _____________________________ 92

6.6 Funktionsdiagramm____________________________________________ 94

6.7 Funktionsplan ________________________________________________ 95

7 Bestandteile des Energieversorgungsteils_________________________ 97

7.1 Antrieb ______________________________________________________ 97

7.2 Pumpe ______________________________________________________ 99

7.3 Kupplung ___________________________________________________ 107

7.4 Behälter ____________________________________________________ 107

7.5 Filter _______________________________________________________ 109

7.6 Kühler ______________________________________________________ 120

7.7 Heizung ____________________________________________________ 122

8 Ventile _____________________________________________________ 123

8.1 Nenngröße __________________________________________________ 123

8.2 Bauart______________________________________________________ 125

8.3 Sitzventile __________________________________________________ 126

8.4 Schieberprinzip ______________________________________________ 127

8.5 Kolbenüberdeckung __________________________________________ 129

8.6 Steuerkanten ________________________________________________ 134

4 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • TP 501

Inhalt

9 Druckventile ________________________________________________ 137

9.1 Druckbegrenzungsventile (DBV)_________________________________ 137

9.2 Druckregelventile (DRV) _______________________________________ 144

10 Wegeventile_________________________________________________ 149

10.1 2/2-Wegeventil ______________________________________________ 153

10.2 3/2-Wegeventil ______________________________________________ 157

10.3 4/2-Wegeventil ______________________________________________ 159

10.4 4/3-Wegeventil ______________________________________________ 162

11 Sperrventile_________________________________________________ 167

11.1 Rückschlagventil _____________________________________________ 168

11.2 Entsperrbares Rückschlagventil _________________________________ 172

11.3 Entsperrbares Doppelrückschlagventil____________________________ 175

12 Stromventile ________________________________________________ 179

12.1 Drossel- und Blendenventile____________________________________ 180

12.2 Drosselrückschlagventil _______________________________________ 184

12.3 Stromregelventile ____________________________________________ 185

13 Hydrozylinder _______________________________________________ 193

13.1 Einfachwirkende Zylinder ______________________________________ 194

13.2 Doppeltwirkende Zylinder ______________________________________ 196

13.3 Endlagendämpfung ___________________________________________ 199

13.4 Dichtungen__________________________________________________ 200

13.5 Befestigungsarten ____________________________________________ 202

13.6 Entlüftung___________________________________________________ 202

13.7 Kenndaten __________________________________________________ 203

13.8 Knicksicherheit ______________________________________________ 205

13.9 Auswahl eines Zylinders _______________________________________ 207

14 Hydromotoren _______________________________________________ 211


Inhalt

15 Zubehör ____________________________________________________ 215

15.1 Schlauchleitungen____________________________________________ 217

15.2 Rohrleitungen _______________________________________________ 223

15.3 Anschlussplatten _____________________________________________ 226

15.4 Entlüftungsventile ____________________________________________ 228

15.5 Druckmessgerät______________________________________________ 229

15.6 Drucksensoren_______________________________________________ 230

15.7 Durchflussmessgerät__________________________________________ 231

16 Anhang_____________________________________________________ 233


1. Aufgaben einer Hydraulikanlage

Hydraulische Anlagen werden in modernen Produktionsanlagen und

Fertigungseinrichtungen eingesetzt.

Unter Hydraulik versteht man das Erzeugen von Kräften und Bewegungen durch

Druckflüssigkeiten.

Dabei sind die Druckflüssigkeiten das Energieübertragungsmedium.

Ziel dieses Buches ist es, dass Sie mehr über Hydraulik und ihre Einsatzgebiete

erfahren. Mit dem letzten Punkt wird begonnen, und zwar mit einer

Zusammenstellung der Hydraulik-Einsatzgebiete.

Den Stellenwert der Hydraulik in der (modernen) Automatisierungstechnik zeigt die

Vielzahl der Einsatzgebiete. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen:

• Stationär-Hydraulik

• Mobil-Hydraulik

Die Mobil-Hydraulik bewegt sich z. B. auf Rädern oder Ketten, im Gegensatz zur

Stationär-Hydraulik, die fest an einen Ort gebunden ist. Charakteristisches Merkmal

der Mobil-Hydraulik ist, dass die Ventile häufig direkt mit der Hand betätigt werden.

Dagegen werden bei der Stationär-Hydraulik vorwiegend elektromagnetische

Ventile verwendet.

Weiterhin gibt es die Bereiche Schiffs-, Bergbau- und Flugzeugtechnik. Die

Flugzeughydraulik nimmt eine Sonderstellung ein, weil dort Sicherheitsmaßnahmen

von großer Bedeutung sind. Zur Verdeutlichung der Aufgaben, die von

Hydraulikanlagen übernommen werden können, sind auf den nächsten Seiten einige

typische Anwendungsbeispiele gezeigt

Was versteht man

unter Hydraulik?



In der Stationär-Hydraulik sind folgende Einsatzgebiete von Bedeutung:

• Fertigungs- und Montagemaschinen aller Art

• Transferstraßen

• Hub- und Förderzeuge

• Pressen

• Spritzgussmaschinen

• Walzstraßen

• Aufzüge

Ein typisches Einsatzgebiet ist der Werkzeugmaschinenbau.

Drehmaschine

Bei modernen CNC-gesteuerten Werkzeugmaschinen werden Werkzeuge und

Werkstücke hydraulisch gespannt. Vorschübe und Spindelantrieb können ebenfalls

hydraulisch ausgeführt werden.

1.1

Stationär-Hydraulik



Presse mit Hochbehälter



Einsatzgebiete der Mobil-Hydraulik sind:

• Baumaschinen

• Kipper, Greifarme, Ladebühnen

• Hebe- und Förderzeuge

• Landwirtschaftliche Maschinen

In der Baumaschinenindustrie findet die Hydraulik in vielfältiger Weise Anwendung.

Bei einem Bagger z. B. erfolgt neben der Erzeugung aller Arbeitsbewegungen

(Heben, Greifen, Schwenken, usw.) auch der Fahrantrieb hydraulisch. Die

geradlinigen Arbeitsbewegungen werden durch Linearantrieb (Zylinder) und die

Drehbewegungen durch Rotationsantriebe (Motoren, Schwenkantriebe) erzeugt.

Mobil-Hydraulik

1.2

Mobil-Hydraulik



Es gibt neben der Hydraulik weitere Techniken, mit deren Hilfe in der

Steuerungstechnik Kräfte, Bewegungen und Signale erzeugt werden:

• Mechanik

• Elektrik

• Pneumatik

Dabei ist zu berücksichtigen, dass jede Technik ihre bevorzugten

Einsatzmöglichkeiten hat. Um dies zu verdeutlichen, wird in der Tabelle auf der

folgenden Seite ein Vergleich von typischen Daten der drei am meisten eingesetzten

Techniken – Elektrik, Pneumatik mit Hydraulik – durchgeführt.

Daraus ergeben sich wesentliche Vorzüge der Hydraulik:

• Übertragung großer Kräfte bei Einsatz kleiner Bauelemente, d. h.

große Leistungsdichte

• exaktes Positionieren

• Anfahren aus dem Stillstand unter Höchstlast

• gleichmäßige, lastunabhängige Bewegung, da Flüssigkeiten kaum

komprimierbar sind und Regelventile eingesetzt werden können

• weiches Arbeiten und Umschalten

• gute Steuer- und Regelbarkeit

• günstige Wärmeabfuhr

Im Vergleich mit anderen Techniken weist die Hydraulik folgende Nachteile auf:

• Verschmutzung der Umgebung durch Lecköl (Brandgefahr, Unfallgefahr)

• Schmutzempfindlichkeit

• Gefahr durch hohe Drücke (Schneidstrahl)

• Temperaturabhängigkeit (Viskositätsänderung)

• ungünstiger Wirkungsgrad

1.3

Hydraulik im Vergleich



Elektrik Hydraulik Pneumatik

Leckagen Verschmutzung keine Nachteile

außer Energieverlust

Umwelteinflüsse Explosionsgefahr in bestimmten

Bereichen,

temperaturunempfindlich

empfindlich bei

Temperaturschwankung,

Brandgefahr bei Leckagen

explosionssicher,

temperaturempfindlich

Energiespeicherung schwierig, nur in kleinen Mengen

mit Batterien

begrenzt, mit Hilfe von Gasen leicht

Energietransport unbegrenzt, mit Energieverlust bis 100 m

Strömungsgeschwindigkeit

v = 2 – 6 m/s,

Signalgeschwindigkeit bis

1000 m/s

bis 1000 m

Strömungsgeschwindigkeit

v = 20 – 40 m/s,

Signalgeschwindigkeit

20 – 40 m/s

Arbeitsgeschwindigkeit v = 0,5 m/s v = 1,5 m/s

gering hoch sehr hoch Energieversorgungskosten

0,25 : 1 : 2,5

Linearbewegung schwierig und teuer, kleine Kräfte,

Regelung der Geschwindigkeit nur

mit großem Aufwand

einfach mit Zylindern, gute

Regelbarkeit der

Geschwindigkeit, sehr große

Kräfte

einfach mit Zylindern,

begrenzte Kräfte,

Geschwindigkeit stark

lastabhängig

Rotationsbewegung einfach und leistungsfähig einfach, hohe Drehmomente,

niedrige Drehzahl

einfach, nicht leistungsfähig,

hohe Drehzahl

Positioniergenauigkeit Genauigkeit bis ±1 mm und besser

erreichbar

Je nach Aufwand können

Genauigkeiten von ±1 mm

erzielt werden

ohne Lastwechsel möglich bis

1/10 mm

Steifigkeit sehr gute Werte durch

mechanische Zwischenglieder

erreichbar

gut, da Öl annähernd

inkompressibel ist, außerdem

ist das Druckniveau wesentlich

höher als in der Pneumatik

schlecht, Luft ist kompressibel

Kräfte nicht überlastbar, schlechter

Wirkungsgrad durch

nachgeschaltete mechanische

Glieder, sehr hohe Kräfte

realisierbar

überlastsicher, bei großem

Systemdruck bis 600 bar

können sehr große Kräfte

erzeugt werden

F < 3000 kN

überlastsicher, Kräfte begrenzt

durch Luftdruck und

Zylinderdurchmesser

F < 30 kN bis 6 bar


Hydraulik ist die Lehre von Kräften und Bewegungen, die durch Flüssigkeiten

übertragen werden. Sie ist der Hydromechanik zuzuordnen. Dabei unterscheidet

man die Hydrostatik – Kraftwirkung durch Druck mal Fläche – und die Hydrodynamik

– Kraftwirkung durch Masse mal Beschleunigung.

Hydromechanik

Unter dem hydrostatischen Druck versteht man den Druck, der im Inneren einer

Flüssigkeit durch das Gewicht der Flüssigkeitsmasse über einer Höhe entsteht:

pTsT

= h ⋅ ρ ⋅ g

pTsT

= Hydrostatischer Druck (Schweredruck) [Pa]

h = Höhe der Flüssigkeitssäule [m]

ρ = Dichte der Flüssigkeit [kg/mT

3T]

g = Erdbeschleunigung [m/sT

2T]

2. Physikalische Grundlagen der Hydraulik

2.1

Druck

Flüssigkeitsdruck

(Hydrostatischer Druck)



Der hydrostatische Druck wird laut internationalem Einheitensystem SI in Pascal und

bar angegeben. Die Höhe der Flüssigkeitssäule erhält die Einheit Meter, die Dichte

der Flüssigkeit Kilogramm pro Kubikmeter und die Erdbeschleunigung Meter pro

Sekunde im Quadrat.

Der hydrostatische Druck, oder kurz Druck genannt, ist unabhängig von der Form

des Gefäßes. Er ist nur von der Höhe und Dichte der Flüssigkeitssäule abhängig.

Hydrostatischer Druck

Turm: h = 300 m

ρ = 1000 kg/m T

3T

g = 9,81 m/sT

2T = 10 m/sT

2T

pTST

= h ⋅ ρ ⋅ g = 300 m ⋅ 1000 3m

kg ⋅ 10

2s

m = 3 000 000

23 sm

mkgm

⋅

⋅⋅

= 3 000 000 2m

N

pTST

= 3 000 000 Pa = 30 bar

Stausee: h = 15 m

ρ = 1000 kg/m T

3T

g = 9,81 m/sT

2T = 10 m/sT

2T

pTST

= h ⋅ ρ ⋅ g = 15 m ⋅ 1000 3m

kg ⋅ 10

2s

m = 150 000

23 sm

mkgm

⋅

⋅⋅

= 150 000 2m

N

pTST

= 150 000 Pa = 1,5 bar

Hochbehälter: h = 5 m

ρ = 1000 kg/m T

3T

g = 9,81 m/sT

2T = 10 m/sT

2T

pTST

= h ⋅ ρ ⋅ g = 5 m ⋅ 1000 3m

kg ⋅ 10

2s

m = 50 000

23 sm

mkgm

⋅

⋅⋅

= 50 000 2m

N

pTST

= 50 000 Pa = 0,5 bar



Jeder Körper übt auf seine Unterlage einen bestimmten Druck p aus. Die Größe des

Drucks ist abhängig von der Gewichtskraft F des Körpers und von der Größe der

Fläche A auf die die Gewichtskraft wirkt.

A1

A2

F

F

Kraft, Fläche

In der Abbildung sind zwei Körper mit unterschiedlichen Grundflächen (A T1T

und AT2T

)

dargestellt. Bei gleicher Masse der Körper wirkt auf die Unterlage die gleiche

Gewichtskraft (F), aber der Druck ist wegen der unterschiedlichen Grundflächen

verschieden. Bei kleiner Grundfläche entsteht bei gleicher Gewichtskraft ein

größerer Druck als bei größerer Grundfläche (Bleistifteffekt).

Dieser Sachverhalt wird durch folgende Formel ausgedrückt:

A

Fp =

Einheit: 1 Pa = 1 2

m

N

2m

N 1 bar = 100 000 = 10T

5T Pa

p = Druck Pascal [Pa]

F = Kraft Newton [N] 1 N = 1 2s

mkg ⋅

A = Fläche Quadratmeter [mT

2T]

Durch Umstellen ergeben sich die Formeln zur Berechnung der Kraft sowie der

Fläche.


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