Leseprobe

Horst-Walter Grollius

Grundlagen der Hydraulik

ISBN (Buch): 978-3-446-44275-7

ISBN (E-Book): 978-3-446-44104-0

Weitere Informationen oder Bestellungen unter

http://www.hanser-fachbuch.de/978-3-446-44275-7

sowie im Buchhandel.

© Carl Hanser Verlag, München

http://www.hanser-fachbuch.de/978-3-446-44275-7

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2 Physikalisches Basiswissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.1 Druck, Absolutdruck, berdruck, Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2 Gesetz von Pascal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3 Schweredruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.4 Kraft- und Weg bersetzung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.5 Druck bersetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.6 Hydraulische Arbeit, Leistung, Wirkungsgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.7 Kontinuit tsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.8 Bernoulli-Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.9 Strçmungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.10 Viskosit t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.11 Druckverluste in Rohren, Formst cken und Ventilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.12 Strçmung durch Drosselger te – Volumenstrommessung . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.13 Spaltstrçmungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.14 Hydraulische Widerst nde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.15 Kompressibilit t und Kompressionsmodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422.16 Kavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3 Genormte Symbole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4 Grundsätzlicher Aufbau eines Hydrosystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5 Einfache Schaltpläne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

6 Hydropumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 676.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 676.2 Verdr ngungsvolumen, theoretischer Fçrderstrom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 686.3 Theoretische Pumpenleistung, theoretisches Pumpenmoment . . . . . . . . . . . . . 696.4 Volumetrischer Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696.5 Hydraulisch-mechanischer Wirkungsgrad, Pumpenleistung . . . . . . . . . . . . . . . 716.6 Gesamtwirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716.7 Anordnung von Hydropumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726.8 Bauarten von Hydropumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

6.8.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 756.8.2 Zahnradpumpen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 766.8.3 Fl gelzellenpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 786.8.4 Schraubenspindelpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 806.8.5 Radialkolbenpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 816.8.6 Axialkolbenpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

6.9 Kennlinien/Kennfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

7 Hydromotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 957.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 957.2 Verdr ngungsvolumen, theoretischer Schluckstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

7.3 Theoretische Motorleistung, theoretisches Motormoment . . . . . . . . . . . . . . . . 977.4 Volumetrischer Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 977.5 Hydraulisch-mechanischer Wirkungsgrad, Motorleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . 987.6 Gesamtwirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 997.7 Kennlinien/Kennfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

8 Hydrozylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1028.1 Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

8.1.1 Doppeltwirkende Zylinder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1038.1.1.1 Differenzialzylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1048.1.1.2 Gleichgangzylinder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

8.1.2 Einfachwirkende Zylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1078.1.3 Teleskopzylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

8.1.3.1 Einfache Teleskopzylinder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1078.1.3.2 Gleichlauf-Teleskopzylinder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

8.2 Endlagend mpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1108.3 Befestigungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1118.4 Knicksicherheit, wichtige Durchmesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1118.5 Kolbenstangenkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

9 Schwenkmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

10 Hydroventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12310.1 Wegeventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12310.2 Sperrventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

10.2.1 Einfache R ckschlagventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13010.2.2 Entsperrbare R ckschlagventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13110.2.3 Drosselr ckschlagventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13410.2.4 Wechselventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13510.2.5 Rohrbruchsicherungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

10.3 Druckventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13610.3.1 Druckbegrenzungsventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13710.3.2 Druckminderventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13910.3.3 Druckverh ltnisventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14110.3.4 Differenzdruckregelventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14210.3.5 Verh ltnisdruckregelventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14310.3.6 Folgeventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

10.4 Stromventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14410.4.1 Drosselventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

10.4.1.1 Konstantdrosselventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14510.4.1.2 Verstelldrosselventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

10.4.2 Stromregelventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14510.4.2.1 2-Wege-Stromregelventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14610.4.2.2 3-Wege-Stromregelventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

10.4.3 Stromteilventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

11 Servoventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

8 Inhaltsverzeichnis

12 Weitere Schaltplanbeispiele. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

13 Hydrauliköle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16013.1 Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

13.1.1 Viskosit t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16213.1.2 Kompressibilit t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16513.1.3 Schmier- und Verschleißschutzvermçgen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16613.1.4 Schutz vor Korrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16613.1.5 Flammpunkt und Brennpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16613.1.6 Stockpunkt und Pourpoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16713.1.7 Schaumbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16713.1.8 Spezifische W rmekapazit t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

13.2 Arten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

14 Zubehörteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

15 Hinweise zur Projektierung von Hydrosystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

16 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

Quellen und weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

Inhaltsverzeichnis 9

Vorwort

Zum Erhalt der Konkurrenzf higkeit auf den Weltm rkten ist es f r industria-lisierte Gesellschaften unverzichtbar, den Automatisierungsgrad von Herstel-lungsabl ufen st ndig zu erhçhen, um Produkte in der nachgefragten Mengebei marktgerechten Preisen anbieten zu kçnnen. Trotz der damit verbundenengesellschaftlichen Probleme (Freisetzung von Arbeitskr ften, negative Einfl s-se auf die Umwelt) besteht zum Zwang der Entwicklung immer effizientererTechnik keine Alternative, da nur die Nationen Mittel f r die soziale Absiche-rung aufbringen kçnnen, die sich auf den globalen M rkten behaupten. Den inder Verantwortung stehenden Fachleuten stellen sich damit auch ethische undçkologische Fragen, die es zu beantworten gilt. Insofern sind die von AlbertEinstein im Jahre 1931 ge ußerten Worte weiterhin aktuell:

„Die Sorge um den Menschen und ihr Schicksal muss stets Hauptinteresse allentechnischen Strebens bilden, die großen ungelösten Fragen der Organisation derArbeit und der Güterverteilung, damit die Erzeugnisse unseres Geistes dem Men-schengeschlecht zum Segen gereichen und nicht zum Fluche. – Vergesst dies nieüber Euren Zeichnungen und Gleichungen.“

Zur Steigerung der Effizienz von Produktions- und Arbeitsabl ufen ist Wissenund dessen Anwendung aus vielf ltigen Technikdisziplinen erforderlich. Hierzugehçrt auch die mit dem Oberbegriff Fluidtechnik bezeichnete Disziplin, diesich in Hydraulik und Pneumatik untergliedert.Das vorliegende Buch verfolgt die Absicht, den Leser mit den wesentlichenGrundlagen der Hydraulik vertraut zu machen, wobei sein gestraffter Umfangder von Politik und Industrie gew nschten Reduzierung der StudienzeitenRechnung tr gt.So wird beispielsweise im Kapitel 6 (Hydropumpen) zur Erl uterung der Wir-kungsweise der in der Hydraulik verwendeten Bauarten von Hydropumpen le-diglich auf das ihnen zugrunde liegende Prinzip eingegangen; auf eine umfas-sende Darlegung konstruktiver Details dieser Aggregate muss – um denZweck des Buches zu erf llen – verzichtet werden.Den an Universit ten, Technischen Hochschulen, Fachhochschulen, Techniker-schulen und Meisterschulen in der Ausbildung stehenden Studentinnen undStudenten bietet das Buch deshalb die Mçglichkeit, sich ohne allzu großen zeit-lichen Aufwand Grundwissen auf dem Gebiet der Hydraulik anzueignen.Das Buch soll dar ber hinaus aber auch denjenigen eine Hilfe sein, die als tech-nisch T tige in der beruflichen Praxis stehen und ihr Grundwissen auf dem Ge-biet der Hydraulik in kurzer Zeit auffrischen mçchten.Zum Erwerb vertiefter Kenntnisse auf dem außergewçhnlich vielf ltigen Ge-biet der Hydraulik kann auf das Studium weiterf hrender Literatur nicht ver-zichtet werden.In Kapitel 16 findet der Leser einige Aufgaben, die neben der Aufgabenstellungdie ausf hrliche Darlegung des Lçsungsweges in Lçsungsschritten beinhalten,

wobei jeder Lçsungsschritt kommentiert wird. Dadurch sollen Klarheit undleichtes Nachvollziehen der Lçsungswege sichergestellt werden.Neben dem Lernen aus B chern bieten sich den Studentinnen und Studentenheutzutage durch die mediale Vielfalt weitere Mçglichkeiten f r den Erwerbvon Wissen, wodurch leicht der Eindruck entstehen kçnnte, dass der Wissens-erwerb heute weniger M he macht als fr her. Doch zur „Kultur der Anstren-gung“ besteht keine Alternative: Mit Selbstdisziplinierung sind Erkenntnisblo-ckaden zu beseitigen und Verst ndnisprobleme zu meistern, um so dieGenugtuung der den Widerst nden abgerungenen eigenen Leistung zu erfah-ren.Mçge die Besch ftigung mit diesem Buch nicht nur M he bereiten, sondernden Leser nach dem Einstieg in die grundlegenden Zusammenh nge der Hy-draulik auch motiviert haben, sich noch tiefer in dieses faszinierende und volks-wirtschaftlich bedeutsame Gebiet der Technik mit weiterf hrender Literatureinzuarbeiten.Der Verfasser dankt Frau Ute Eckardt, Frau Katrin Wulst und Herrn JochenHorn vom Fachbuchverlag Leipzig (im Carl Hanser Verlag) f r die vielen n tz-lichen Hinweise zur Gestaltung des Buches und die jederzeit gute Zusammen-arbeit.Weiterhin ist zu danken der Firma Technobox (Bochum), deren SoftwareCAD6 zur Erstellung von Bildern gedient hat und allen Firmen der Hydraulik-industrie, die Bilder und Diagramme f r dieses Buch bereitwillig zur Verf gunggestellt haben. Diese Firmen werden an geeigneter Stelle namentlich genannt.

Wuppertal, im November 2014 Horst-Walter Grollius

6 Vorwort

1 Einleitung

Hydraulik und Pneumatik sind Teilgebiete der mit dem Begriff Fluidtechnikbezeichneten Wissensdisziplin. Die in der Hydraulik zur Energie bertragungverwendeten Fluide sind Fl ssigkeiten; das zur Energie bertragung in derPneumatik verwendete Fluid ist ein Gas, n mlich Luft.In den Anf ngen der Hydraulik, die einige Jahrhunderte zur ckliegen, verwen-dete man Wasser (griechisch: Hydor) als Fluid zur Energie bertragung. SeitAnfang des 20. Jahrhunderts benutzt man als Energietr ger le, die auchgleichzeitig Schmier- und Korrosionsschutz bieten. Neuerdings wird in Einzel-f llen aus Gr nden des Umweltschutzes und der Kosten auch wieder Wasserals Fluid zur Energie bertragung verwendet. Man spricht in diesem Fall von„Wasserhydraulik“.Das vorliegende Buch befasst sich ausschließlich mit ölbetriebenen Hydrosyste-men ( lhydraulik). Die lhydraulik beinhaltet somit die Energie bertragungdurch l zum Betrieb von Maschinen und Anlagen, wobei insbesondere Mine-ralçle verwendet werden.Die lhydraulik unterteilt sich in die Gebiete der hydrodynamischen und derhydrostatischen Energie bertragung.Bei der hydrodynamischen Energieübertragung wird von einem Pumpenradmechanische Energie auf das l bertragen und als Strçmungsenergie zum An-trieb eines Turbinenrades verwendet. Man spricht in diesem Fall von einem hy-drodynamischen Antrieb. Beispiele f r Anlagen, bei denen eine hydrodyna-mische Energie bertragung stattfindet, sind z. B. Fçttinger-Wandler undFl ssigkeitskupplungen.Bei der hydrostatischen Energieübertragung erzeugt eine mechanisch angetrie-bene Pumpe (Hydropumpe) einen vorwiegend druckbeladenen Volumenstrom(Fçrderstrom), der zu einem Hydroverbraucher (Hydrozylinder oder Hydro-motor) geleitet wird. Darin wird die im Fçrderstrom enthaltene Druckenergiewieder in mechanische Energie umgewandelt. Man spricht in diesem Fall voneinem hydrostatischen Antrieb.Die kinetische Energie ist in Anlagen mit hydrostatischer Energie bertragunggegen ber der Druckenergie vernachl ssigbar klein. Umgekehrt kann bei hy-drodynamischer Energie bertragung die im Fçrderstrom enthaltene Druck-energie meist vernachl ssigt werden.Im Maschinenbau haben die hydrostatischen Antriebe eine wesentlich grçßereBedeutung als die hydrodynamischen Antriebe. Die hydrostatischen Antriebesind deshalb alleiniger Gegenstand der Behandlung in diesem Buch und werdenhier mit çlhydraulischen Antrieben oder einfach mit hydraulischen Antriebenbezeichnet. Anstelle des Begriffes hydraulischer Antrieb werden gleichbedeu-tend auch die Begriffe hydraulische Anlage, hydraulisches System oder Hydro-system verwendet.

2 Physikalisches Basiswissen

2.1 Druck, Absolutdruck, berdruck, Einheiten

Zur Erl uterung des Druckbegriffes wird ein aus der Fl ssigkeit eines Beh ltersheraus geschnittenes Volumen nach der im Bild 2.1 dargestellten Situation be-trachtet.

Bild 2.1: Zur Erl uterung des Druckbegriffes

Mit 0 wird ein Punkt der Fl ssigkeit gekennzeichnet, der auch gleichzeitig einauf der Berandungsfl che des herausgeschnittenen Fl ssigkeitsvolumens liegen-der Punkt ist. An dem am Punkt 0 vorliegenden Fl chenelement dA greift dieDruckkraft dF senkrecht an (Normalkraft). Der Quotient

p ¼ dFdA

ð2:1Þ

ist die Druckspannung, die auch kurz Druck genannt wird.Die Grçße des Druckes am Punkt 0 ist unabh ngig von der Lage der durch denPunkt 0 gelegten Schnittebene. Der Druck p ist also richtungsunabhängig unddamit eine skalare physikalische Grçße, die nur vom Ort in der Fl ssigkeit ab-h ngig ist.Die Maßeinheit (kurz: Einheit) des Druckes wird unter Verwendung der Basis-einheiten des Internationalen Einheitensystems (SI-Maßsystem) Kilogramm(Einheitenzeichen: kg), Meter (Einheitenzeichen: m) und Sekunde (Einheiten-zeichen: s) mit Pascal (Einheitenzeichen: Pa) festgelegt:

1 Pa ¼ 1 kg ms2

=m2 ¼ 1 N=m2: ð2:2Þ

Da die Einheit Pascal zu hohe Zahlenwerte ergibt, wird in der Praxis h ufig dieEinheit Bar (Einheitenzeichen: bar) verwendet:

1 bar ¼ 105 Pa ¼ 105 N=m2: ð2:3ÞKleine Dr cke werden in Millibar (Einheitenzeichen: mbar) oder in Hektopas-cal (Einheitenzeichen: hPa = 100 Pa) angegeben:

1 mbar ¼ 0,001 bar ¼ 1 hPa . ð2:4ÞIn den angels chsischen L ndern wird oft noch die Einheit Psi (Einheitenzei-chen: psi) verwendet:

1 bar ¼ 14,5 psi . ð2:5ÞZur Erl uterung der Begriffe Absolutdruck und Überdruck dienen die Skalenin Bild 2.2.

Bild 2.2: Absolutdruck- und berdruckskala

Die Absolutdruckskala (obere Skala in Bild 2.2) beginnt mit pabs = 0, da derAbsolutdruck der Druck gegen ber dem Druck Null des leeren Raumes ist.Die Differenz zwischen einem Absolutdruck pabs und dem aktuell vorliegenden(absoluten) Atmosph rendruck pamb ist die atmosph rische Druckdifferenz

pe ¼ pabs pamb; ð2:6Þdie in der Technik als Überdruck bezeichnet wird.

Ist der Absolutdruck pabs grçßer als der Atmosph rendruck pamb, nimmt derberdruck positive Werte an:

pe ¼ pabs pamb > 0 . ð2:7Þ

2.1 Druck, Absolutdruck, Überdruck, Einheiten 13

Bei einem Absolutdruck pabs, der kleiner als der Atmosph rendruck pamb ist,erh lt man f r den berdruck einen negativen Wert:

pe ¼ pabs pamb < 0 . ð2:8ÞDer Begriff Unterdruck, fr her definiert durch die Druckdifferenz pamb – pabsbei einem Absolutdruck, der kleiner als der Atmosph rendruck ist, wird nichtmehr verwendet. Der Unterdruckbereich wird nach Gl. (2.8) durch negativeWerte des berdruckes gekennzeichnet (Unterdruck wird ersetzt durch denBegriff negativer berdruck).Der Minimalwert pe,min der negativen berdruckskala (untere Skala inBild 2.2) wird durch den aktuell vorliegenden Atmosph rendruck pamb fest-gelegt. Liegt beispielsweise ein Atmosph rendruck von pamb = 1,05 bar vor, giltf r den Minimalwert des negativen berdruckes (pabs = 0 bar, leerer Raum):

pe,min ¼ 0 bar 1,05 bar ¼ 1,05 bar. ð2:9ÞDas Beispiel zeigt, dass die untere Grenze der negativen berdruckskala durchden Atmosph rendruck pamb bestimmt wird.In der Hydraulik wird meist nicht mit dem Absolutdruck pabs, sondern mit demberdruck pe gearbeitet.

Hinweis: Oft werden die Indizes „abs“ und „e“ zur eindeutigen Kennzeichnung von Ab-solut- und berdr cken weggelassen. F r den jeweils vorliegenden Fall ist aus dem Zu-sammenhang herauszufinden, ob es sich bei der Angabe von Dr cken um Absolutdr -cke oder berdr cke handelt.

2.2 Gesetz von Pascal

Das Gesetz von Pascal bildet das Grundgesetz der Hydrostatik und gilt f r in-kompressible und nicht der Schwerkraft unterworfene Fl ssigkeiten. Es besagtFolgendes:

Wird auf eine sich in einem Beh lter befindende Fl ssigkeit an irgendeinerStelle ein Druck ausge bt (z. B. durch einen mit einer Kraft belasteten Kol-ben), so herrscht berall an der Innenwand des Beh lters und im Innern derFl ssigkeit der gleiche Druck.

Zur Verdeutlichung des Gesetzes von Pascal dient Bild 2.3.Bei der Bewegung des oberen Kolbens um den Weg sK nach unten wird dasFl ssigkeitsvolumen VK ¼ AK sK verdr ngt, das in den beiden seitlichen Kam-mern, die durch reibungsfrei gef hrte Kolben leckfrei abgedichtet sind, Platzfindet. Es ist

VK ¼ V1 þ V2 ¼ s1 A1 þ s2 A2: ð2:10ÞBei der Verschiebung der seitlichen Kolben werden die r ckw rtig angeord-neten Druckfedern zusammengedr ckt, sodass die Federkr fte F1, F2 ber die

14 2 Physikalisches Basiswissen

Bild 2.3: Zum Gesetz von Pascal

Kolben auf die Fl ssigkeit wirken. Der von dem rechten Kolben auf die Fl ssig-keit ausge bte Druck ist

p1 ¼ F1A1 : ð2:11Þ

Der von dem linken Kolben auf die Fl ssigkeit ausge bte Druck ist

p2 ¼ F2A2 : ð2:12Þ

Sind die Federwege s1, s2, die Federraten der Druckfedern R1, R2 und die Kol-benfl chen A1, A2 bekannt, lassen sich nach den Gln. (2.11) und (2.12) mitF1 ¼ s1 R1 und F2 ¼ s2 R2 die Dr cke p1 und p2 berechnen. Man findetp1 ¼ p2 ; ð2:13Þwomit das Gesetz von Pascal best tigt wird.

F r den in der Beh lterfl ssigkeit herrschenden Druck, allgemein mit p be-zeichnet, gilt

p ¼ p1 ¼ p2 ¼ pK : ð2:14ÞDie Kraft FK, die auf den oberen Kolben in seiner Endlage wirkt, ist daher

FK ¼ pK AK : ð2:15Þ

2.2 Gesetz von Pascal 15

2.3 Schweredruck

Das Gesetz von Pascal gilt unter der Annahme, dass die Schwerkraft keinen Ein-fluss auf die Fl ssigkeit im Beh lter aus bt: die Fl ssigkeit wird also als gewichts-los betrachtet. In Wirklichkeit unterliegt die Fl ssigkeit jedoch der Schwerkraftund neben dem durch ußere Kr fte erzeugten Druck ist noch der durch dieSchwerkraft hervorgerufene Druck, der so genannte Schweredruck vorhanden.Bild 2.4 zeigt einen mit einer Fl ssigkeit gef llten, oben offenen Beh lter. Aufdem Fl ssigkeitsspiegel lastet der Atmosph rendruck pamb. Das Diagramm ne-ben dem Beh lter gibt den Druckverlauf in der Fl ssigkeit ber der Hçhen-koordinate h wieder.

Bild 2.4: Zum Schweredruck in einer Fl ssigkeit

Der allein von der Schwerkraft in der Fl ssigkeit erzeugte Druck ist gegeben durch

ph ¼ % g h : ð2:16ÞF r den Druck in der Fl ssigkeit des Beh lters nach Bild 2.4 gilt in der Tiefeh ¼ h0 unter Ber cksichtigung des Atmosph rendruckes pambpFl , h0 ¼ pamb þ ph0 ¼ pamb þ % g h0: (2.17)Am Beh lterboden mit h ¼ H herrscht der DruckpFl ,H ¼ pamb þ pH ¼ pamb þ % g H: (2.18)

Hinweis: Bei der Auslegung von hydraulischen Systemen ist zu pr fen, ob der Schwere-druck gegen ber den im System auftretenden Dr cken (Systemdr cken) eine beach-tenswerte Grçße annimmt. Meist findet der Schweredruck keine Ber cksichtigung, daer oft klein gegen ber den Systemdr cken ist.

16 2 Physikalisches Basiswissen

Sachwortverzeichnis

Absolutdruck 13Abtriebsleistung, mechanische 98Abtriebsmoment, mechanisches 98Additive 162Alterungsbest ndigkeit 168Anschlussplatten 175Antriebsleistung, mechanische 71Antriebsmoment, mechanisches 71Arbeit, hydraulische 19Atmosph rendruck 13Außenzahnradpumpe 76Axialkolben-Konstantmotor 100Axialkolbenpumpen 84

Bauarten von Hydropumpen 75Befestigungsarten 111Bet tigungseinrichtungen 49Blende 33Brennpunkt 166

Dampfblasen-Kavitation 45Differenzdruckmessung 35Differenzdruckregelventile 142Differenzialzylinder 103, 104Drosselr ckschlagventile 134Drosselventile 145Druck 12Druckbegrenzungsventile 137Druckdifferenz, atmosph rische 13Druckfl ssigkeiten, schwer entflammbare 168Druckform 22Druckmessger te 175Druckminderventile 139Druckreduzierventile 139Druckregelventile 139Druck bersetzung 18Druckventile 136Druckverh ltnisventile 141Druckverlust 28, 30Durchflusskoeffizient 35Durchflusszahl 35Durchmesser, hydraulischer 30D se 33

Einspannung, hydraulische 133Endlagend mpfung 104, 106, 111Energie, hydrostatische 67

Energieform 22Energiesteuerung 53Energieumformung 52Englergrade 162Entl ftungsventile 175Ersatzdurchmesser 30Eulersche Knickkraft-Gleichung 113Exzentrizit t 79, 82

Flammpunkt 166Fl gelzellenpumpe, direkt gesteuerte 80Fl gelzellenpumpen 78Folgeventile 144Fçrderstrom, effektiver 69–, theoretischer 69Formst cke 30Fressverschleiß 166F llungsverluste 70Funktionselemente 48

Gesamtdruckverlust 41Gesamtenergie 22Gesamtvolumenstrom 41Gesamtwiderstand 41Gesamtwirkungsgrad 19, 20, 71, 99Geschwindigkeit, kritische 25Gesetz von Pascal 14Gleichgangzylinder 103, 106Gleichlaufzylinder 103Gleichlauf-Teleskopzylinder 109Graetzschaltung 156Grundgesetz der Hydrostatik 14Grundsymbole 47

Haftvermçgen 166Hintereinanderschaltung 40Hçhenform 22Hub-Schwenkeinheit 120Hubfunktion 120Hubverdr ngermaschinen 75Hubvolumen 68Hydraulikçle 160, 169Hydromotoren 95Hydropumpen 67Hydroventile 123Hydrozylinder 102

Implosion 46Inhibitoren 166Innenzahnradpumpe 78

Kavitation 45Kavitationserosion 46Kavitationsl rm 46Kennlinien/Kennfelder 89, 99Kennlinienfelder 77Knickkraft 114Knicksicherheit 113, 114–, erforderliche 115Kolbenhub 85Kolbenstangenkraft 116Kompressibilit t 42, 165Kompressibilit tskoeffizient, isothermer 43Kompressionsmodul, mittlerer 43–, wahrer 43Kompressionsverlust 70Kompressionsvolumen 43Konstantdrosselventile 145Konstantpumpen 68, 76, 78Kontinuit tsgleichung 21Korrekturfaktor 30Korrosionsschutz-Inhibitoren 166Kraft- und Weg bersetzung 17Kraft bersetzung 17Kugelsitzventil 132

L ngsschieberventile 127Lastwiderstand 61Leckstrom 35–, ußerer 70–, innerer 70Leistung, hydraulische 19Leitungen 49Leitungsbruchsicherungen 136Leitungsverbindungen 49Linearmotoren 102Load Sensing-Regler 92Luftblasen-Kavitation 45, 167

Massenstrçme 21Mitschleppstrom 38Motorleistung 98–, theoretische 97Motormoment 98Motormoment, theoretisches 97

Null berdeckung 129

ffnungsdruckverh ltnis 133

Parallelschaltung 41Pourpoint 162, 167Presse, hydraulische 17Prim rsteuerung 158Projektierung von Hydrosystemen 177Proportionalmagnet 151Proportionalventile 123, 151Pumpe, selbstansaugende 72Pumpenleistung, theoretische 69Pumpenmoment 71–, theoretisches 69Pumpenumlauf 127

Radialkolben-Konstantmotor 99Radialkolbenpumpe, außenbeaufschlagte 83Radialkolbenpumpen 81Reibungsgesetz, newtonsches 25Reihenschaltung 40Reynolds-Zahl 24–, kritische 24Rohrbruchsicherungen 136Rohrleitungen 175Rohrreibungszahl 27R ckschlagventil, federbelastetes 155R ckschlagventile, einfache 130–, entsperrbare 131

Schaltplanbeispiele 155Schaltpl ne 62Schalt berdeckung 129Schaltverhalten 129Schaumbildung 167Schlauchkupplungen 175Schlauchleitungen 175Schleppstrom 37, 38Schluckstrom, theoretischer 96Schluckstrom, effektiver 97–, theoretischer 96Schluckvolumen 96Schmierfilm 160, 166Schr gachsenpumpen 84, 87Schr gscheibenpumpen 84Schraubenspindelpumpen 80Schwenkfunktion 120Schwenkmotoren 118, 120Schweredruck 16Sekantenkompressionsmodul 43Sekund rsteuerung 158, 159

Sachwortverzeichnis 223

Selbstz ndung 46Servoventile 123, 151Sicherheitsventile 137Spaltformel 36Spaltstrom 37Speicherung 52Sperrrichtung 131Sperrventile 130Spielausgleich, hydrostatischer 78Steilgewinde-Schwenkmotor 119Stetigventile 151Steuerkanten 129Stockpunkt 162, 167Stromlinien 23Stromregelventile 145, 156Stromteilventile 149Strçmung, laminare 23Strçmung, turbulente 24Strçmungsverluste 20Stromventile 144Symbole, genormte 47

Taumelscheibenpumpen 84Teleskopzylinder 107Torquemotor 153

berdruck 13Umlaufverdr ngermaschinen 75Unterdruck 14Unterschicht, laminare 24

Ventilkennlinien 32Venturirohr 33Verdr ngermaschinen 67Verdr ngerprinzip 95Verdr ngungsr ume 68Verdr ngungsvolumen 68–, geometrisches 68, 82–, maximales geometrisches 85

Verh ltnisdruckregelventile 143Verluste, volumetrische 70Verschraubungen 175Verstelldrosselventile 145Verstellpumpen 68, 78Viskosit t 25, 160, 162–, kinematische 25Viskosit ts-Polhçhe 164Viskosit ts-Richtungskonstante 164Viskosit ts-Temperatur-Druck-Verhalten 26Viskosit tsindex 164Volumeneinstellung 68Volumenstrom 19Volumenstrommessger te 176V,T-Diagramme 162

Wandrauigkeit, absolute 29W rmekapazit t, spezifische 167Wechselventile 1352-Wege-Stromregelventile 1463-Wege-Stromregelventile 147Wegeventile 1233/2-Wegeventil 623/3-Wegeventil 634/3-Wegeventil 64Weg bersetzung 18Wellenleistung 20Widerstand, hydraulischer 39Widerstandsbeiwert 30Wirkdruck 35Wirkungsgrad, hydraulisch-mechanischer 71, 98Wirkungsgrad, volumetrischer 20, 97

Zahnradpumpen 76Zubehçrteile 175Zusatzausr stung 58Zuschaltventile 144Zylinder, doppeltwirkende 103–, einfachwirkende 107

224 Sachwortverzeichnis

Inhaltsverzeichnis1 Einleitung2 Physikalisches Basiswissen2.1 Druck, Absolutdruck, Überdruck, Einheiten2.2 Gesetz von Pascal2.3 Schweredruck2.4 Kraft- und Wegübersetzung2.5 Druckübersetzung2.6 Hydraulische Arbeit, Leistung, Wirkungsgrade2.7 Kontinuitätsgleichung2.8 Bernoulli-Gleichung2.9 Strömungsformen2.10 Viskosität2.11 Druckverluste in Rohren, Formstücken und Ventilen2.12 Strömung durch Drosselgeräte – Volumenstrommessung2.13 Spaltströmungen2.14 Hydraulische Widerstände2.15 Kompressibilität und Kompressionsmodul2.16 Kavitation

3 Genormte Symbole4 Grundsätzlicher Aufbau eines Hydrosystems5 Einfache Schaltpläne6 Hydropumpen6.1 Allgemeines6.2 Verdrängungsvolumen, theoretischer Förderstrom6.3 Theoretische Pumpenleistung, theoretisches Pumpenmoment6.4 Volumetrischer Wirkungsgrad6.5 Hydraulisch-mechanischer Wirkungsgrad, Pumpenleistung6.6 Gesamtwirkungsgrad6.7 Anordnung von Hydropumpen6.8 Bauarten von Hydropumpen6.8.1 Vorbemerkung6.8.2 Zahnradpumpen6.8.3 Flügelzellenpumpen6.8.4 Schraubenspindelpumpen6.8.5 Radialkolbenpumpen6.8.6 Axialkolbenpumpen

6.9 Kennlinien/Kennfelder

7 Hydromotoren7.1 Allgemeines7.2 Verdrängungsvolumen, theoretischer Schluckstrom7.3 Theoretische Motorleistung, theoretisches Motormoment7.4 Volumetrischer Wirkungsgrad7.5 Hydraulisch-mechanischer Wirkungsgrad, Motorleistung7.6 Gesamtwirkungsgrad7.7 Kennlinien/Kennfelder

8 Hydrozylinder8.1 Bauarten8.1.1 Doppeltwirkende Zylinder8.1.1.1 Differenzialzylinder8.1.1.2 Gleichgangzylinder

8.1.2 Einfachwirkende Zylinder8.1.3 Teleskopzylinder8.1.3.1 Einfache Teleskopzylinder8.1.3.2 Gleichlauf-Teleskopzylinder

8.2 Endlagendämpfung8.3 Befestigungsarten8.4 Knicksicherheit, wichtige Durchmesser8.5 Kolbenstangenkraft

9 Schwenkmotoren10 Hydroventile10.1 Wegeventile10.2 Sperrventile10.2.1 Einfache Rückschlagventile10.2.2 Entsperrbare Rückschlagventile10.2.3 Drosselrückschlagventile10.2.4 Wechselventile10.2.5 Rohrbruchsicherungen

10.3 Druckventile10.3.1 Druckbegrenzungsventile10.3.2 Druckminderventile10.3.3 Druckverhältnisventile10.3.4 Differenzdruckregelventile10.3.5 Verhältnisdruckregelventile10.3.6 Folgeventile

10.4 Stromventile10.4.1 Drosselventile10.4.1.1 Konstantdrosselventile10.4.1.2 Verstelldrosselventile

10.4.2 Stromregelventile10.4.2.1 2-Wege-Stromregelventile10.4.2.2 3-Wege-Stromregelventile

10.4.3 Stromteilventile

11 Servoventile12 Weitere Schaltplanbeispiele13 Hydrauliköle13.1 Eigenschaften13.1.1 Viskosität13.1.2 Kompressibilität13.1.3 Schmier- und Verschleißschutzvermögen13.1.4 Schutz vor Korrosion13.1.5 Flammpunkt und Brennpunkt13.1.6 Stockpunkt und Pourpoint13.1.7 Schaumbildung13.1.8 Spezifische Wärmekapazität

13.2 Arten

14 Zubehörteile15 Hinweise zur Projektierung von Hydrosystemen16 AufgabenQuellen und weiterführende LiteraturSachwortverzeichnis