Will D., Gebhardt N. (Hrsg.) Hydraulik: Grundlagen, Komponenten, Schaltungen

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8 2 Aufbau und Darstellung hydraulischer Anlagen

Geräte, ihre Verknüpfung sowie alle erforderlichen Angaben für Schalt-, Steuer-

und Regelinformationen.

Im Funktionsschaltplan werden alle Komponenten und Geräte durch Symbole

dargestellt. Diese in DIN ISO 1219-1 genormten Symbole erfüllen u. a. folgende

Forderungen:

x eindeutige Darstellung der Funktion der Komponente bzw. des Gerätes, ohne

auf konstruktive Details einzugehen,

x Verwendung kombinationsfähiger Grundsymbole, die die Darstellung kompli-

zierter Strukturen auch bisher unbekannter Komponenten erlauben.

In Tabelle 2.1 ist eine Auswahl der Schaltsymbole nach DIN ISO 1219-1 dar-

gestellt. Weitere Symbole werden bei der Behandlung der Komponenten in den

entsprechenden Kapiteln bzw. Abschnitten vorgestellt. Die im Buch verwendeten

Kurzzeichen für Geräte und Leitungen sind in Tabelle 2.2 dargestellt.

Tabelle 2.1 Hydrauliksymbole nach DIN ISO 1219-1 (Auswahl)

lfd.Nr. Symbol Bedeutung

Strömungsrichtung des Fluids

2 Verstellbarkeit

Betätigungsarten

3a Muskelkraft

3b Stößel oder Taster

3c Feder

3d Elektromagnet (schaltend)

3e Proportionalmagnet

3f hydraulisch direkt wirkend

3g hydraulisch indirekt wirkend

Elektromotor

Druckleitung, Rückflussleitung, elektrische

Leitung

Steuerleitung, Leckleitung, Spül- oder Ent-

lüftungsleitung

6 flexible Leitung

7 Leitungskreuzung (keine Verbindung)

2 Aufbau und Darstellung hydraulischer Anlagen 9

8 Leitungsverbindung

Entlüftung, kontinuierlich

Behälter, Leitungsende unterhalb des Fluid-

spiegels

11 Druckflüssigkeitsspeicher

12 Druckquelle

Pumpe mit konstantem Verdrängungs-

volumen, einer Förderrichtung und einer

Drehrichtung

Pumpe mit veränderbarem Verdrängungs-

volumen und zwei Förderrichtungen

Rotationsmotor mit konstantem Ver-

drängungsvolumen und einer Drehrichtung

Rotationsmotor mit veränderbarem Ver-

drängungsvolumen und zwei Dreh-

richtungen

18 einfach wirkender Zylinder mit Tauchkolben

doppelt wirkender Zylinder mit einseitiger

Kolbenstange

doppelt wirkender Zylinder mit zweiseitiger

Kolbenstange

21 Teleskopzylinder einfach wirkend

22 Drosselventil einstellbar

23 Absperrventil

24 Rückschlagventil, ohne Druckabfall

25 Rückschlagventil, mit Druckabfall

26 Rückschlagventil, entsperrbar

27 4/3-Wegeventil

10 2 Aufbau und Darstellung hydraulischer Anlagen

4/2-Wegeventil mit Elektromagnet und Fe-

derrückführung

Servoventil, zweistufig, mit positiver Über-

deckung

Druckbegrenzungsventil, direktgesteuert,

mit externem Leckanschluss

Druckreduzierventil, einstufig

32 2-Wege-Stromregelventil

33 3-Wege-Stromregelventil

34 Filter

35 Kühler

36 Vorwärmer

37 Manometer

38 Volumenstrommesser

39 Thermometer

Tabelle 2.2 Bezeichnung hydraulischer Geräte und Leitungen

Gerät bzw. Leitung Kurzzeichen Gerät bzw. Leitung Kurzzeichen

Absperrventil VA Druckquelle PQ

Behälter B Rückschlagventil VR

Drosselventil VDr Servoventil VSo

Druckbegrenzungsventil VD Stromregelventil VS

Druckdifferenzventil VDi Wegeventil VW

Druckflüssigkeitsspeicher Sp Proportionalwegeventil VWP

Druckreduzierventil VM Ablaufleitung T

Filter F Druckleitung P

Motor M Leckleitung L , T

Pumpe P Steuerleitung P

Volumenstromquelle VQ Verbraucherleitung A , B

2 Aufbau und Darstellung hydraulischer Anlagen 11

Abb. 2.3 Erläuterung zum Symbol eines 4/3-Wegeventils. a Grunddarstellung b Hinzu-

fügung weiterer Schaltstellungen c komplettes Symbol des Wegeventils d Wegeventil in

Schaltstellung 2

Zum Verständnis der Anwendung und Handhabung des Symbols eines Wege-

ventils dient Abb. 2.3. Das Symbol eines Wegeventils wird grundsätzlich durch

ein quadratisches Feld (Abb. 2.3 a) dargestellt. An dieses werden die Leitungs-

anschlüsse (in Abb. 2.3 vier Anschlüsse, mit A, B, P, T bezeichnet) herangeführt.

Die einer bestimmten Schaltstellung des Wegeventils entsprechenden Leitungs-

verbindungen werden in das Quadrat eingezeichnet (im Beispiel: A, B gesperrt; P

mit T verbunden). Weitere Schaltstellungen werden durch Hinzufügen weiterer

Quadrate mit den diesen Schaltstellungen entsprechenden Leitungsverbindungen

(Abb. 2.3 b) dargestellt. So entsteht das komplette Symbol (Abb. 2.3 c) für das

Wegeventil, das im vorliegenden Fall vier Leitungsanschlüsse und drei Schalt-

stellungen hat. Es wird deshalb als 4/3-Wegeventil bezeichnet. Die einzelnen

Schaltstellungen werden mit arabischen Ziffern (2, 0, 1) gekennzeichnet, wobei

die Mittelstellung stets die Ziffer 0 erhält.

Die Leitungsanschlüsse A, B, P, T werden nur an ein quadratisches Feld ge-

zeichnet, welches normalerweise die Halt- bzw. Ruhestellung charakterisiert (s.

Abb. 2.3 c). Eine neue Schaltstellung wird durch Verschieben des Symbols ge-

genüber den feststehenden Leitungsanschlüssen erreicht. Dabei wirken die Be-

tätigungselemente (in Abb. 2.3 d durch einen Pfeil dargestellt) grundsätzlich

schiebend auf das Schaltsymbol. Die Einhaltung dieser einfachen Hinweise ist

wichtig für die eindeutige Zuordnung der Betätigungselemente zu den Schalt-

stellungen.

Zum Verständnis der Anwendung und Handhabung des Symbols eines Druck-

begrenzungsventils dient Abb. 2.4. Druckbegrenzungsventile werden grundsätz-

lich im unbeaufschlagten Zustand (so, wie der Schaltzustand bei nicht mit Druck

beaufschlagten Leitungen ist), gezeichnet. In diesem Zustand schiebt die Feder-

12 2 Aufbau und Darstellung hydraulischer Anlagen

vorspannkraft F

das Ventilelement 1 gegen den Anschlag 2. Der Pfeil im quadra-

tischen Ventilsymbol hat keine Verbindung zur Abflussleitung T. Das Ventil ist

geschlossen. Mit zunehmendem Druck p steigt die hydraulische Kraft F

an.

Abb. 2.4 Erläuterung zum Symbol eines Druckbegrenzungsventils. 1 Ventilelement, 2 An-

schlag

Überschreitet die hydraulische Kraft die Federvorspannkraft, wird das Ventil-

symbol nach rechts verschoben, das Ventil öffnet und der Volumenstrom Q kann

gegen den Einstelldruck des Ventils über den Leitungsanschluss T abfließen. Da-

bei wird vor dem Ventil der Duck p aufrechterhalten.

Der Funktionsschaltplan der hydraulisch betätigten Transporteinrichtung nach

Abb. 2.1 ist in Abb. 2.5 dargestellt. Die vom Elektromotor angetriebene Pumpe P

fördert einen konstanten Volumenstrom in die Anlage. Die Schaltstellungen 0, 1

und 2 des handbetätigten 4/3-Wegeventils VW realisieren die Bewegungszustände

Halt, Vorlauf und Rücklauf des Arbeitszylinders M. Durch die Federn am Wege-

ventil wird gewährleistet, dass beim Loslassen des Betätigungshebels die Schalt-

stellung 0 erreicht und der Arbeitszylinder M sicher in seiner Lage gehalten wird.

Das Druckbegrenzungsventil schützt die Anlage vor Überlastung. Der Filter F, der

hier in der Rückflussleitung angeordnet wurde, beseitigt mechanische Ver-

unreinigungen und schützt so die Anlage vor schnellem Verschleiß.

Abb. 2.5 Funktionsschaltplan der Hydraulikanlage nach Abb. 2.1

Der Funktionsschaltplan gibt nur Auskunft über Aufbau und Funktion der Hyd-

raulikanlage. Er sagt nichts zur räumlichen Anordnung und zur Größe der Kom-

ponenten und Geräte aus.

3 Druckflüssigkeiten

3.1 Anforderungen

Die Druckflüssigkeit ist ein wesentliches Konstruktionselement jeder Hydrau-

likanlage. Die spezifischen Eigenschaften der Druckflüssigkeiten beeinflussen die

Funktionsfähigkeit, Betriebssicherheit und Umweltverträglichkeit hydraulischer

Systeme.

Die Aufgaben einer Druckflüssigkeit sind sehr vielfältig und führen zu einem

komplexen Anforderungsprofil. Neben den prinzipbedingten Hauptaufgaben

 Leistungsübertragung, verbunden mit Druck- und Bewegungsübertragung,

 Herstellen und Aufrechterhalten der Verbindung zwischen Primär- und Sekun-

däreinheit,

 Übertragung von Signalen für Steuerungs- und Regelungszwecke

sind weitere funktionswichtige Nebenaufgaben zu erfüllen:

 Schmierung von Gleit- und Wälzkontakten zur Verminderung von Reibung und

Verschleiß,

 Abführen von Wärmeenergie vom Entstehungsort zum Wärmetauscher, i. Allg.

zum Behälter,

 Transport von Fremdstoffen (z. B. Verschleißpartikeln) zum Filter,

 Schutz von Oberflächen vor chemischem Angriff, insbesondere vor Korrosion.

In Tabelle 3.1 sind die Anforderungen an Druckflüssigkeiten zusammengestellt.

Die Gliederung der Anforderungen nach Aspekten ist natürlich nicht zu sehr ein-

zugrenzen; z. B. beeinflusst die Viskosität neben der Funktion auch die öko-

nomische Bilanz (Leistungsverluste!).

3.2 Einteilung

Naheliegend ist der Einsatz von Wasser als Druckflüssigkeit, denn neben der Ver-

fügbarkeit werden wichtige Anforderungen in idealer Weise erfüllt, z. B. Umwelt-

verträglichkeit, Nichtbrennbarkeit, Produktverträglichkeit (keine Schädigung

für

Lebensmittel, Pharmaka, Textilien u. a.) und Wirtschaftlichkeit (Kosten für An-

schaffung, Entsorgung, Versicherung). Historisch gesehen war Wasser auch die

erste Flüssigkeit für den Einsatz in Hydraulikanlagen. Bald nach der ersten

Dampfmaschine ließ sich Bramah 1795 die Erfindung einer hydraulischen Presse

D. Will, N. Gebhardt (Hrsg.), Hydraulik,

DOI 10.1007/978-3-642-17243-4_3, © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

14 3 Druckflüssigkeiten

mit Wassereinsatz patentieren (britisches Patent Nr. 2045). Im Jahr 1906 liegt die

Geburtsstunde für die Ölhydraulik; als neues Druckmedium brachte Janney Mine-

ralöl in einem hydrostatischen Getriebe zum Einsatz. Die Wasserhydraulik wurde

in der Folgezeit mehr und mehr in Nischenanwendungen verdrängt, erfährt jedoch

in jüngster Zeit eine Renaissance, s. Abschn. 3.4.4. Nach Unfällen und Brand-

katastrophen, besonders im Bergbau, wurden schwer entflammbare Flüssigkeiten

entwickelt und für bestimmte Einsatzfälle vorgeschrieben.

Tabelle 3.1 Anforderungen an Druckflüssigkeiten

Aspekt Anforderungen

Funktionalität und

Zuverlässigkeit

 Leistungsübertragung mit dem Stand der Technik entsprechenden

Parametern, vor allem einer hohen Leistungsdichte und geringen

Verlusten

Voraussetzung dafür sind:

– gute Schmierfähigkeit

x Aufrechterhalten eines tragfähigen Schmierfilms auch

bei hohen Belastungen; entscheidend dafür ist das

Viskositäts-Druck-Verhalten

x gutes Benetzungsvermögen für die Reibpartner

x Bildung reibungsmindernder Reaktionsschichten

 angemessene Viskosität und eine geringe Abhängigkeit der Visko-

sität von der Temperatur, d. h., hoher Viskositätsindex VI

 Filtrierbarkeit, d. h., kein flüssigkeitsbedingter Störeinfluss auf die

Filterstandzeit

Ökonomie

 hohe Alterungsbeständigkeit und thermische Stabilität, dadurch

lange Einsatzdauer und lange Wechselzyklen

 günstiger Anschaffungspreis

Sicherheit

 schwer entflammbar bzw. in bestimmten Einsatzfällen nicht ent-

flammbar

 keine chemische Aggressivität gegenüber allen Werkstoffen, mit

denen die Druckflüssigkeit in Berührung kommt (insbesondere

Tribopaarungen, Dichtungen)

 geringe Beeinflussung der physikalischen Eigenschaften von

Dichtungsmaterialien

 gutes Luftabscheidevermögen, denn freie Luft stellt in Hydraulik-

anlagen einen Mangel und u. U. ein erhebliches Gefährdungspo-

tential dar (s. Abschn. 3.3.3)

Umweltverträg-

lichkeit

 keine Schädigung der Umwelt, insbesondere des Wassers

 keine toxische oder allergene Wirkung auf Mensch und Tier

Ein ständig wachsendes Umweltbewusstsein, gepaart mit rechtlichen Maß-

nahmen des Gesetzgebers sowie der zunehmende ökologische Druck der

Öffentlichkeit, haben seit den achtziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts die

Entwicklung biologisch schnell abbaubarer Flüssigkeiten („Bioflüssigkeiten“) be-

fördert.

3.2 Einteilung 15

Neueste Entwicklungen auf dem Flüssigkeitssektor sind die elektrorheologi-

schen und magnetorheologischen Flüssigkeiten (ERF bzw. MRF), bei denen sich

die Viskosität durch das Anlegen starker elektrischer bzw. magnetischer Felder in

einem weiten Bereich (dünnflüssig bis fest) gezielt beeinflussen lässt. Die Mög-

lichkeit der hochdynamischen Druck – und Volumenstromänderungen könnte die

Stetigventiltechnik revolutionieren: Im Gegensatz zu konventionellen elektroser-

vohydraulischen Ventilen wird der Vorsteuerkreislauf nicht durch Torquemotoren,

sondern durch sehr viel dynamischere ER –Strömungswiderstände angesteuert

[3.1]. Weitere Anwendungen wie hochdynamische Druck- oder Volumenstrom-

regelungen sowie Kupplungen mit steuerbarer Drehmomentübertragung (damit

gleichzeitig Getriebefunktion) befinden sich in der Entwicklung.

Abbildung 3.1 zeigt die Einteilung der Druckflüssigkeiten in der Übersicht

sowie eine Angabe zur Größenordnung der gegenwärtigen Nutzung, wobei bran-

chenspezifisch große Unterschiede auftreten können.

Druckflüssigkeiten

Wasser Mineralöle schwerent-

flammbare

Druckflüss.

biologisch

schnell ab-

baubare DF

elektrorheo-

logische

Flüss.

 Klarwasser

(Leitungs-

wasser)

 mit Zu-

sätzen

 unlegiert

(ohne

Additive)

 legiert (ad-

ditiviert)

 wasserhaltig

 nicht was-

serhaltig

 nativ

(natürlich)

 synthetisch

 Scherungs-

typ (shear-

mode)

 Strömungs-

typ (flow-

mode)

3 % 74 % 9 % 14 % Prototypen

xLebens-

mittel-,

Pharma-

industrie

xbrand- und

explosions-

gefährdete

Bereiche

(Bergbau)

x „konven-

tionelle“

Anwendung

x Stationär-

hydraulik

hoher

Leistung

x brandge-

fährdete

Bereiche

x Umwelt- und

Wasserschutz

x Freilandan-

wendungen,

Mobil-

hydraulik

x Dämpfungs-

elemente

x Kupplungen

x Getriebe

x Sensoren

Abb. 3.1 Einteilung der Druckflüssigkeiten

Prognostische Einschätzungen der Marktentwicklung verweisen meist auf eine

Veränderung beim Einsatz der Mineralöle (Rückgang auf ca. 50 ... 60%) und bio-

logisch schnell abbaubaren Flüssigkeiten (Zunahme auf 25 ... 30%). Umfang-

reiche Aktivitäten sind gegenwärtig bei der Entwicklung der Wasserhydraulik zu

erkennen, wobei es in naher Zukunft vorrangig um das Erschließen neuer An-

wendungsgebiete und weniger um Konkurrenz mit der verbreiteten „kon-

ventionellen“ Hydraulik gehen dürfte [3.2].

16 3 Druckflüssigkeiten

Ein anderes, häufig genutztes Einteilungskriterium für Druckflüssigkeiten ist

die ISO-Viskositätsklassifikation, s. Tabelle 3.2. In den Normen ISO 3448 und

DIN 51519 werden 18 Viskositätsklassen (Viscosity Grade bzw. Viscosity Group,

VG) im Bereich von 2 – 1500 mm

/s definiert. Jede Viskositätsklasse wird durch

die Mittelpunktsviskosität in mm

/s bei der Bezugstemperatur 40°C bezeichnet;

die zulässigen Grenzen jeder Klasse liegen bei

10%. Der praxisrelevante Be-

reich für die Druckflüssigkeiten in Hydrauliksystemen umfasst mit Ausnahme von

Wasser (

= 0,66 mm

/s) die ISO VG 10 bis ISO VG 100.

Tabelle 3.2 ISO-Viskositätsklassifikation nach ISO 3448 und DIN 51519 (Auszug)

Viskositätsklasse

ISO 3448

ISO

VG 10

ISO

VG 15

ISO

VG 22

ISO

VG 32

ISO

VG 46

ISO

VG 68

ISO

VG 100

Mittelpunktsvis-

kosität bei 40 °C

10 15 22 32 46 68 100

Grenzen der kine-

matischen Visko-

sität bei 40 °C

9,0

11,0

13,5

16,5

19,8

24,2

28,8

35,2

41,1

50,6

61,2

74,8

90,0

110,0

Eine weitere Untergliederung der Hauptgruppen und die Charakterisierung der

marktüblichen Druckflüssigkeiten erfolgt in Abschn. 3.4.

3.3 Eigenschaften und Kennwerte von Druckflüssigkeiten

3.3.1 Viskosität

Die Viskosität (auch Zähigkeit) ist die wichtigste Eigenschaft der Druckflüssig-

keiten. Sie hat entscheidenden Einfluss auf die Schmierfähigkeit und auf die Ener-

gieverluste und zwar in entgegengesetzter Tendenz auf die Leck- und Strömungs-

verluste.

y=0

y=h

Abb. 3.2 Skizze zur Herleitung der Viskosität für Newtonsche Flüssigkeiten

Die Viskosität ist ein Maß für die innere Reibung infolge des Widerstandes, der

bei gegenseitiger Verschiebung benachbarter Schichten in einer Flüssigkeit oder

einem Gas auftritt. Unter einem anderen Betrachtungspunkt ist die Viskosität die

3.3 Eigenschaften und Kennwerte von Druckflüssigkeiten 17

Eigenschaft, durch Schub-(Scher-)Verformung eine Schubspannung aufzu-

nehmen, die bei den sog. Newtonschen Flüssigkeiten nur vom Geschwindigkeits-

gefälle dv

/dy abhängig ist, vgl. Abb. 3.2.

Zwischen zwei benachbarten Flüssigkeitsschichten wirkt eine Schubspannung

in Richtung x, die bei isotrop reinviskoser Flüssigkeit dem Geschwindigkeits-

gefälle dv

/dy proportional ist

= 

. (3.1)

Den Proportionalitätsfaktor nennt man dynamische Viskosität

(DIN 1342/T.2).

Die SI-Einheit für

ist Pa  s.

Veraltet und nicht mehr zulässig ist die Einheit Poise (P):

1 Poise (P) = 0,1 Pa  s1cP = 10

-3

Pa  s

Werte für die dynamische Viskosität werden nach DIN 53018 mit Rotationsvis-

kosimetern aus dem gemessenen Drehmoment bei einer bestimmten Winkelge-

schwindigkeit ermittelt, s. Abb. 3.3 b.

Die auf die Dichte bezogene dynamische Viskosität bezeichnet man als kine-

matische Viskosität

. (3.2)

Kupplung

Meßwelle

Meß-

behälter

Temperier-

gefäß

Prüfflüssigkeit

kalibrierte

Drosselöffnung

Fallhöhe

Temperier-

mantel

Fallkugel

Fallrohr

Meßbecher

bac

Abb. 3.3 Prinzipien der Viskositätsbestimmung. a Kugelfall-Viskosimeter b Rotations-Visko-

simeter c Kapillar- (Ausfluss-)Viskosimeter

Die SI-Einheit für

ist 1 m

/s. Praxisrelevant für die Hydrostatik ist die Ver-

wendung der kleineren Einheit mm

/s: 1 mm

/s = 10

-6

/s = 1 cSt. Die Einheit

Stokes (1 St = 100 cSt) ist veraltet, aber immer noch weit verbreitet. Die

kinematische Viskosität wird vor allem bei Berechnungen von Strö-

mungsvorgängen (Nutzung der Reynoldszahl) verwendet. Auch die Klassi-

fizierung der Druckflüssigkeiten erfolgt nach der kinematischen Viskosität, s. Tab.

3.2. Die Ermittlung dieser Stoffkennwerte erfolgt traditionell auf der Basis der

DIN 51550 mit Kapillarviskosimetern (s. Abb. 3.3 c) (Messung der Durchfluss-

zeit) oder unter Werkstattbedingungen mit dem Kugelfall-Viskosimeter nach

Höppler (DIN 53013), s. Abb. 3.3 a. Zum Stand der Technik gehören heute