Bastelfreaks- Hydraulik für Anfänger 01

[Holger]

hallo bastelfreaks,
im folgenden habe ich ein paar grundlagen und beispiele für euch zusammengestellt. wegen der bilder sind es ein paar beiträge mehr..

holger


Hydrauliksysteme
In einem Hydrauliksystem wird mechanische Energie in hydraulische Energie umgewandelt, dann in dieser Form transportiert und gesteuert und schließlich wieder in mechanische Arbeit umgesetzt. Die grundsätzlichen Elemente eines Hydrauliksystems sind deshalb:
- Energieträger
- Energieumwandlung
- Energietransport
- Energiesteuerung



Energieträger
Als Energieträger im Hydrauliksystem dient eine Flüssigkeit, meist Hydraulikflüssigkeit oder Hydrauliköl genannt. Die Funktionen der Hydraulikflüssigkeit sind:
- Übertragung der hydraulischen Leistung von der Pumpe zum Hydromotor bzw. Hydraulikzylinder
- Schmierung aller beweglicher Teile des Hydrauliksystems
- Korrosionsschutz aller von der Hydraulikflüssigkeit benetzten Teile
- Abführung von Verunreinigungen
- Abführung von Verlustwärme
Als Hydraulikflüssigkeit dient in den meisten Fällen der Typ HL. Dies sind Hydrauliköle mit Zusätzen zur Erhöhung des Korrosionsschutzes und der Alterungsbeständigkeit. Der Typ HL wird allgemein in der Hydraulik bis zu Betriebsdrücken von ca. 200 bar eingesetzt und genügen den üblichen thermischen Belastungen.


Vorratsbehälter für die Hydraulikflüssigkeit
Hydraulikanlagen benötigen einen Vorratsbehälter. Seine Funktionen sind:
- Aufnahme der Flüssigkeit
- Abführen der Verlustwärme
- Abscheiden von Luft
- Absetzen von Verunreinigungen
- Abscheiden von Kondenswasser
Entscheidendes Merkmal des Behälters ist seine Größe. Im Allgemeinen wird die Behältergröße in Abhängigkeit von dem Förderstrom der Pumpe dimensioniert. Dabei gilt folgende Faustformel:
V = 3... 5 x qv für stationäre Anlagen V = ca. 1,5 x qv für mobile Anlagen. Dabei ist V in l; qv in l/min
Zusätzlich zum Nennvolumen ist ein Luftraum von 10... 15% nötig um Schwankungen des Flüssigkeitsspiegels z.B. beim Entleeren des Leitungssystems aufzunehmen.


Filter
Der häufigste Störungsgrund in Hydrauliksystem wird durch Schmutz verursacht. Deshalb ist eine ständige Filterung der Hydraulikflüssigkeit durch geeignete Filter notwendig. Die Anordnung der Filter
im Hydrauliksystem kann nicht beliebig gewählt werden, weil sie Rückwirkungen auf das Gesamtsystem hat. Die vier wichtigsten Filteranordnungen sind:
- Rücklauffilter
- Saugfilter
- Druckfilter
- Teilstromfilterung
Die in den meisten Fällen günstigste und damit häufigste Anordnung des Filters ist im Rücklauf. Sie ist preiswert, unproblematisch und erfasst den gesamten Volumenstrom im System. Nachteilig ist, dass die Verunreinigung erst bei Verlassen des Kreislaufs ausgefiltert wird. Man muss deshalb das System vor der ersten Inbetriebnahme besonders gut spülen. Vorteilhaft ist die einfache Filterbauweise und der sehr Geringe Reibungsverlust.

Energieumwandlung
Die Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie und umgekehrt erfolgt durch
- Hydraulikpumpen
- Hydraulikmotoren
- Hydraulikzylinder
Hydraulikpumpen und -motoren arbeiten nach dem Rotationsprinzip. Hydraulikzylinder ermöglichen eine lineare Bewegungsumsetzung.

Hydraulikpumpen
Die Hydraulikpumpe saugt die Hydraulikflüssigkeit meist aus einem Vorratsbehälter an (Saugseite) und fördert sie zum Pumpenauslass (Druckseite). Von hier aus wird sie über Ventile und Rohr- oder Schlauchleitungen zum Zylinder oder Hydromotor und zurück zum Behälter geführt. Wegen der
auf den Zylinder oder Hydromotor wirkenden Last baut sich im Hydrauliksystem ein Druck auf, der so hoch ansteigt, wie zur Überwindung dieser Widerstandskräfte erforderlich ist. Der Flüssigkeitsdruck in einem Hydrauliksystem wird also nicht schon von vornherein durch die Hydraulikpumpe erzeugt, sondern er baut sich entsprechend den Widerständen, die sich dem Flüssigkeitsstrom entgegensetzen auf. Diese Widerstände setzen sich zusammen aus der äußere Belastung am Verbraucher (Nutzlast und mechanische Reibung) und der Flüssigkeitsreibung in den Leitungen, Verschraubungen und Ventilen.

Zahnradpumpen
Zahnradpumpen sind mechanisch einfach aufgebaut, robust und kostengünstig. Sie haben einen hohen Wirkungsgrad und sind für relativ hohe Drehzahlen geeignet. Aus diesen Gründen sind sie der am meisten verwendete Pumpentyp. Nachteilig ist der relativ hohe Geräuschpegel.
Zahnradpumpen haben ein festes Fördervolumen und eine vorgegebene Drehrichtung. Beim Antrieb durch Riemenscheiben tritt eine radiale Belastung des Wellenstumpfes auf, welche durch ein zusätzliches Lager (sogenanntes Vorsatzlager) aufgefangen werden muss. Die Kennzeichnungen der Anschlüsse sowie Flansch und Verschraubungsmaße sind genormt. Pumpen verschiedener Hersteller sind innerhalb der genormten Baugrößen austauschbar.

Axialkolbenpumpen
Axialkolbenpumpen sind komplex aufgebaut und deshalb grundsätzlich kostenintensiver. Sie werden vorteilhaft für hohe Drücke und / oder hohe Fördervolumen angewendet. Ihr wichtigster Vorteil ist die Reversierbarkeit der Drehrichtung und damit Umkehrung der Förderrichtung sowie eine konstruktiv relativ leicht zu realisierende Steuerung der Fördermenge bei gleichbleibender Drehzahl (Steuerpumpen, Verstellpumpen).


Hydraulikmotoren
Hydraulikmotoren wandeln die von den Pumpen abgegebene hydraulische Energie wieder in mechanisch verwertbare Arbeit mit drehender Bewegung um. Die Drehzahl des Motors ist ? bei konstantem Schluckvolumen ? von der Größe des zugeführten Volumenstromes, das Drehmoment dagegen vom Betriebsdruck abhängig. Einige Pumpentypen, z. B. Zahnradpumpen oder Axialkolbenpumpen, können ohne konstruktive Veränderungen auch als Hydromotoren verwendet werden. Zur Verbesserung der Wirkungsgrade werden sie jedoch häufig konstruktiv modifiziert. Bei der Auswahl der Hydraulikmotoren
unterscheidet folgende Grundtypen:
- Hydromotoren für eine Drehrichtung oder für zwei Drehrichtungen (Reversiermotoren)
- Hydromotoren mit konstantem oder veränderlichem Schluckvolumen zur Erweiterung des Drehzahlbereiches ohne nachgeschaltetes Stufengetriebe
- Schnellläufer für pumpenübliche Drehzahlen von 1.000 ... 4.000 U/min
- Langsamläufer mit Drehzahlen von 50 ... 500 U/min bei erhöhtem Drehmoment.
Durch entsprechende Kombination von Pumpentyp und Motortyp können mechanische Getriebe deshalb vermieden werden. (Beispiel: Pumpe fördert bei 3000 rpm 20 l/min und der Motor hat ein Schluckvermögen von 60 l/min, dann ergibt sich eine Motordrehzahl von 1000rpm)


Energietransport
Der Transport hydraulischer Energie erfolgt über Rohre, Schläuche, Bohrungen in Ventilblöcken usw. Bei der Dimensionierung der Anlage müssen folgende Kriterien berücksichtigt werden:
- Strömungsgeschwindigkeit sollte nicht zu hoch sein
- Leitungsquerschnitte ausreichend groß und damit Leitungswiderstände entsprechend niedrig
- Schlauchverbindungen spannungsfrei verlegt
- Verbindungsmittel und Verschraubungen so wenig wie möglich



Energiesteuerung
Die Steuerung der Energie in Hydrauliksystemen erfolgt durch Ventile, welche manuell, mechanisch oder elektrisch betätigt werden können oder voreingestellt sind und dann im Rahmen ihrer Funktion beim Eintreffen eines Ereignisses selbsttätig reagieren. Ihre Basisfunktionen sind:
- Begrenzung des Systemdruckes
- Sperren oder Entsperren bestimmter Strömungsrichtungen
- Steuern von Strömungsrichtungen
- Volumensteuerung des Energiestromes
Die Varianten der in der Hydraulik eingesetzten Ventile, ihrer Funktionen und durch die unterschiedliche Konstruktion gegebenen Charakteristiken sind vielfältig. Aus diesem Grunde werden im Folgenden
nur Basisfunktionen vorgestellt.

Begrenzung des Systemdruckes
Der Druck in einem Hydrauliksystem darf eine bestimmte, von der Anlagenauslegung vorgegebene Höchstgrenze aus Sicherheitsgründen nicht überschreiten weil sonst Anlagenkomponenten zerstört
Werden oder der Antriebsmotor überlastet wird. Folglich muss in jedem Hydrauliksystem der Druck begrenzt werden. Die Begrenzung des Systemdruckes erfolgt durch Druckbegrenzungsventile. Sie können entweder festeingestellt sein oder in bestimmten Druckbereichen einstellbar sein.

Steuern von Strömungsrichtungen
Strömungsrichtungen werden in Hydraulikanlagen durch sogenannte Wegeventile gesteuert. Aufgabe der Wegeventile ist es, verschiedene hydraulische Leitungen gegeneinander abzusperren oder freizugeben
und wechselnde Leitungsverknüpfungen herzustellen. Auf diese Weise wird die Wirkungsrichtung von Drücken und Volumenströmen beeinflusst und somit der Verbraucher (Zylinder oder Hydromotor) bezüglich Start, Stop und Bewegungsrichtung gesteuert.

Wegeventile
Die Eigenschaften, Bauarten, Betätigungen und Montagearten von Wegeventilen sind außerordentlich vielfältig. Sie sind meist als Baukastensystem aufgebaut und können aus den Herstellerkatalogen entsprechend der gewünschten Anwendungen für das System zusammengestellt werden. Innerhalb der Normgrößen sind die Anschlüsse und Befestigungsmaße herstellerübergreifend standardisiert. Wegeventile werden mit genormten Sinnbildern gekennzeichnet, aus denen ihre Funktion eindeutig und international hergeleitet werden kann. (DIN/ISO 1219).



Praktische Systemkonzeption
Die vorliegende Konzeption wurde mit einen Hydraulikfachmann durchgesprochen und dimensioniert.
Auslegung dieser Konzeption ist wie folgt:

1. Ein Druckkreis, der unabhängig von der Hydraulikpumpe der Hauptmaschine und/oder der Hydraulikpumpe der Hilfsmaschine (Dieselgenerator) versorgt wird.
2. Für längere Fahrten unter Maschine oder beim Ladungsbetrieb der Hilfsmaschine ist das System durch ein elektrisch angesteuertes Kurzschlussventil und/oder einen handbetätigten Kurzschlusshahn drucklos.
3. max. Leistungsabnahme der Hydraulikpumpe an der Hauptmaschine ca. 22 kW
4. max. Leistungsabnahme der Hydraulikpumpe an der Hilfsmaschine ca. 4 kW

Folgende Einzelfunktionen sind möglich:

1. Ankerwinschbetätigung bei laufender Hauptmaschine
2. Ankerwinschbetätigung bei laufender Hilfsmaschine
3. Kraftabgabe an die Propellerwelle bei ausgerückter Wellenkupplung unter Umgehung des mechanischen Wendegetriebes von der Hydraulikpumpe der Hauptmaschine auf den einkuppelbaren Propellermotor als Redundanz bei Getriebeausfall
4. Kraftabgabe an die Propellerwelle bei ausgerückter Wellenkupplung von der Hydraulikpumpe der Hilfsmaschine auf den einkuppelbaren Propellermotor als Redundanz bei Getriebeausfall bezw. Als Flautenschieber bei gleichzeitiger Batterieladung
5. zusätzliche Hilfsantriebe wie Querstrahlantrieb, Lenzpumpe, Wassermacher, Tauchkompressor können mittels kleiner Hydromotoren flexibel an den Druckkreis angeschlossen werden.


Installation
Die hydraulische Zentrale befindet sich im Maschinenraum. Rohrlänge zur Ankerwinsch ca. 10m (einfach)
Als Rohrgröße hätten 12X1mm ausgereicht, es wurde 15x1,5mm verwendet um die Reibungsverluste so gering wie möglich zu halten und um das Flüssigkeitsvolumen im System zu vergrößern. Als Rohrverschraubungen wurden Schneidring-Elastomer-Verschraubungen (z.B. Parker-Hannafin OE2) gewählt (leider sehr teuer). Die Installation erfolgt in 1.4571 (V4A).
Die Wegeventile befinden sich auf einen Anschlussblock. Nicht benötigte Ventilplätze sind mit Blindstopfen verschlossen. Die Wegeventile haben die Nenngröße 6mm (NG6), d.h. die Ventilbohrungen haben 6mm Durchmesser. Sie werden über 12V-Magnete betätigt. Eine manuelle Notbetätigung ist Standard.
Die Pumpenleitungen zum Ventilblock sowie komplex geformte Leitungsabschnitte werden als Schlauleitungen ausgeführt. An schlecht zugänglichen Stellen in V4A, ansonsten (Maschinenraum) aus Kostengründen (Faktor 3 !) in Stahl ( Für Schlauchleitungen sehr gute Beratung und Auswahl bundesweit durch Hansaflex).
Die Anlage wird Druck-und Temperaturüberwacht. Die Anzeigeinstrumente befinden sich im Cockpit.


Informationsquellen
Pumpen, Motoren:
- Bosch-Rexroth D
- Vickers GB
- Eaton GB
- Salami IT (die heißen wirklich so!)

Rohrverschraubungen
- Schwer Fittings D (VA)
- Parker Hannafin D
- Hansaflex D

Schlauchleitungen
- Hansaflex D


Grundlagen der Hydraulik
- Lehrheft von Bosch-Rexroth, www.bosch.de/at/didactic


Obige Firmen haben webpages, daneben sehr gute Kataloge mit vielen Praxishinweisen.
Es empfiehlt sich in jedem Falle, den Systementwurf mit einem Hydraulikfachmann (möglichst einem
Praktiker) durchzusprechen.
Die von mir gegebenen Beispiele, Skizzen und Systemangaben dienen der Anregung. Sie können in keinem Falle als haftungsverbindlich angesehen werden.

Bildbeispiele in den folgenden Beiträgen

[Holger]

hier das Systembeispiel in verschiedenen Arbeitszuständen

[Holger]

Hier das System für unsere Reinke 13

[Holger]

Hier das gesamte Technik-Layout

[Holger]

Hier die Hilfsmaschine mit 1x 4kW 230V, 2x 120A 12 V und Hydraulikpumpe

Hallo Holger,

also erstmal Hut ab. Vielen Dank für die ausführliche Info´s.

Du hast ja demnach alles hydraulisch aufgebaut.

Nach etlichen Diskussionen und Überlegungen habe ich mich von einem Hydro-Antrieb für den Prop abgewendet. "Martin5" hat auch sein Senf dazugegeben.

Aber diverse "Gerätschaften" wie Quersrahlruder, die Winschen, usw. sollten hydraulisch betrieben werden.

Mit der Annahme, dass ein Generator vorhanden ist und auch ein separater Stromkreis (starke Batterien) aufgebaut wird und der weiteren Annahme, dass diese Verbraucher nicht so oft betätigt werden, plane ich ein ähnliches Konzept wie folgt (mit der Bitte um deine Kommentare):

[Holger]

hallo ibo,
antwort kommt, geb mir aber ein paar tage zeit, ich muss das gründlich anschauen.
holger

[Holger]

hallo ibo,
bei meiner anlage ist der wellenantrieb konventionell, d.h. motor, wendegetriebe, gelenkwelle, drucklager, propwelle. wenn das getriebe ausfällt, geht der kraftfluss von der hauptmaschine über die hydropumpe an den mechanisch einrückbaren hydromotor auf die propellerwelle. das getrieb steht dann auf neutral, bzw. wird abgekuppelt. wenn die hauptmaschine streikt, wird das getribe abgekuppelt und vom hilfsdiesel der hydromotor gespeist. der hydroantrieb des propellers ist also nur als redundanz für den notfall gedacht. die anlage ist deshalb relativ aufwendig, weil ich später mit dem schiff reisen mit expeditionscharakter machen will.


zu deiner anlage:
die auslegung als kompaktaggregat hat einiges für sich: alles ist komplett beeinander, die schlauchverbindungen zu saugleitung, tank und filter fallen weg und die ventile sind auch komplett als block zusammengefasst. weiterer vorteil: auch wenn der diesel steht, kann man aus der batterie, -solange der vorrat reicht- die hydraulikanlage benützen.
nachteilig:
zwei energieträger, dicke stromleitungen und schwere elektromotoren mit 1....2 kw leistung, notwendige schaltrelais sowie etwas wirkungsgradverlust durch die zweimalige nergiekonvertierung.

ich habe die kompaktanlage nicht gewählt, weil ein dauerbetrieb der motoren zur versorgung des propellerantriebs nicht möglich ist und wegen der problematik bei wassereinbruch (diesel laufen auch unterwasser, solange ansaug und auspuff trocken sind).


selbstbautipp:
kompaktanlagen kann man relativ günstig aus ausgemusterten hydraulikteilen von ladebordwänden zusammenbauen. da ja immer häufiger lkw verunglücken, müstte es auch etsprechende schrotteile geben. vorteil: e-motor, behälter, wegeventile und pumpe sind zu eiener einheit zusammengebaut, statt der zylinder schließt man dann eben hydromotoren an. die schaltpläne dazu gibt es vom hersteller. in der leistung zum winschbetrieb reichen diese anlagen allemal.

holger