Funktionsweise eines Hydraulikzylinders

Schon 4500 vor Christus sollen die Ägypter einfache hydraulische Systeme verwendet haben. Erfinder der modernen Hydraulik ist Joseph Bramah. Er entwickelte 1795 ein geschlossenes System aus Wasser (griechisch: Hydor) und Rohren (griechisch: Aulos), das auf den Regeln des Mathematikers Blaise Pascale basierte. Mithilfe dieser Maschine erhöhte sich die verfügbare Kraft um das 2000-fache. Mit einem Kilo Druck konnte man also 2000 Kilo bewegen. Zunächst arbeiteten die Systeme mit Wasser, ab 1905 dann auch mit Öl. Im Vergleich zu Wasser verdampft Öl nicht so leicht, zieht sich bei Kälte nicht zusammen und hält dem Druck besser stand.

Im Alltag begegnet uns Hydraulik unter anderem in Kränen, Hebebühnen oder Autobremsen. Gerade beim Auto wird die Wirkung der Hydraulik besonders deutlich: Der geringe Druck, den der Fuß auf das Bremspedal ausübt, reicht aus, um ein tonnenschweres Gefährt zu stoppen. Kernstück dieser Technik ist der Hydraulikzylinder. Wir befinden uns damit im Themenbereich der Antriebstechnik, die neben der Hydraulik auch pneumatische und elektrische Antriebe kennt.

So funktioniert ein Hydraulikzylinder

Es gibt verschiedene Arten von Hydraulikzylindern. Die einfachste Form besteht aus einem Zylinder, einem Einlassloch für die Flüssigkeit, sowie einem beweglichen Kolben. Das System ist in sich geschlossen. Durch Druck bewegt sich die Stange in einer sogenannten Linearbewegung.
Hierbei handelt es sich um einen sogenannten einfachwirkenden Hydraulikzylinder, da die Kraft nur in eine Richtung wirken kann. Damit sich der Kolben zurückzieht, reicht in diesem System entweder Eigengewicht, ein Federrückzug oder ähnliches.
Anwendung findet diese Technik etwa in einer KFZ-Werkstätte. Die Hebebühne hebt das Auto mittels eines einfachwirkenden Hydraulikzylinders nach oben. Nach unten kommt der PKW dann durch sein eigenes Gewicht. Die einfachwirkenden Zylinder gibt es auch als Hohlkolben mit Federrückzug. Sie verfügen über eine Bohrung, sodass ein Gewinde durch den Hohlkolben geführt werden kann. Ein Hub von über 90
Tonnen ist möglich.
Teleskop-Zylinder zählen ebenfalls zu den einfachwirkenden Zylindern. Mehrere Zylinderkolben sind wie bei einem Teleskop hintereinandergeschaltet. Dadurch entsteht zwar nicht mehr Hubkraft, aber eine größere Hublänge.

Diese doppelwirkenden Zylinderarten gibt es

Neben dem einfachwirkenden Zylinder ist auch der doppelt-wirkende Hydraulikzylinder weit verbreitet. Er kommt zum Beispiel bei Baumaschinen zum Einsatz. Der doppelt wirkende Hydraulikzylinder verfügt über zwei Wirkrichtungen. Das bedeutet, dass er in beide Richtungen Kraft ausüben kann, er hat demnach eine Vorschub- und eine Rückschubwirkung. Hierfür gibt es zwei Einlasslöcher für die Flüssigkeit – eines auf jeder Seite. Genau wie beim einfachwirkenden Zylinder kann die Kraft durch das Fluid aufgebaut und verstärkt werden. Interessant zu beobachten ist, dass der Zylinder langsamer aus- als einfährt. Das liegt an den unterschiedlich großen Flächen auf den verschiedenen Seiten. Der Differentialzylinder wird oft als Synonym für den doppelwirkenden Hydraulikzylinder gebraucht.

Unterarten des doppelwirkenden Zylinders sind der Gleichlaufzylinder, der Tandemzylinder und der ISO-Normzylinder.

Der Gleichlaufzylinder unterscheidet sich vom klassischen doppelwirkenden Hydraulikzylinder durch seine identische Ausfahr- und Einfahrschnelligkeit. Dies wird durch Kolbenstangen auf beiden Seiten und identische große Flächen des Kolbens ermöglicht. So wird auf beiden Seiten die gleiche Menge an Hydraulikfluid mit der gleichen Fläche verdrängt, sodass der Zylinder gleich schnell ein- und ausführt.

Wer besonders wenig Kraft aufwenden und damit eine möglichst große Kraftwirkung erzielen will, ist mit dem Tandemzylinder gut beraten. Hier werden verschiedene Zylinder hintereinander geschalten, die Ihre Wirkung jeweils verstärken. Die Konstruktion ist aufwendiger und dadurch meist kostenintensiver, kann dafür aber viel bewegen.

ISO steht für die internationale Organisation für Normung (International Organization for Standardization). ISO-Normzylinder entsprechen bestimmten Normen. In der Industrie werden häufig Zylinder in Rundbauweise verwendet, die nach ISO-Norm 6022 /DIN 24333 gebaut sind sowie Zugstangenzylinder nach ISO 6020-2. Sie haben daher den Vorteil, dass sie leicht nachbestellt und ausgetauscht werden können, da unterschiedliche Hersteller die gleichen Maße fertigen und die einzelnen Bauteile kompatibel sind.

Die Vor- und Nachteile eines Hydraulikantriebs

Pneumatische Systeme funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie die Hydraulik, verwenden aber Luft anstatt eines Fluides. Luft lässt sich zusammendrücken, Flüssigkeiten hingegen so gut wie nicht. Das ist auch der Grund, weshalb Pneumatik in der Regel nur bei geringerem Druck bis zu etwa zehn bar eingesetzt wird.
Da Flüssigkeiten unter Druck nicht so stark nachgeben, gewährleisten sie eine genauere und gleichmäßigere Bewegung. Die Bewegung ist stufenlos möglich, man spricht hier auch von einer Linearbewegung. Hydraulikzylinder sind ohne Vorlaufzeit direkt einsatzbereit. Gut geeignet ist diese Technik für mobile Anwendungen wie etwa einer Maschine auf dem Bau. Durch Hydraulik können sehr hohe Kräfte umgesetzt werden.

Im Gegensatz dazu sind pneumatische Antriebe einfacher und sauberer zu warten. Das kann in bestimmten Industrien wie etwa im Lebensmittelbereich ein entscheidender Faktor sein. Pneumatische Systeme sind in der Regel kostengünstiger und ihre Bewegung ist deutlich schneller als die hydraulische. Dafür ist die Bewegung ungenauer und es ist schwer, die Geschwindigkeiten präzise zu regeln.

Eine dritte Antriebsmöglichkeit ist die Elektronik. Ihre Wartung ist meist komplizierter und erfordert mehr Expertenwissen als die Hydraulik. Die Anschaffung ist grundsätzlich teurer, in den vergangenen Jahren wurde sie jedoch immer günstiger und für viele Industrien dadurch immer attraktiver.
Die Geschwindigkeiten sind mit etwa zehn Metern pro Sekunde höher als in Hydraulik oder Pneumatik. Trotz der Schnelligkeit ist der elektronische Antrieb sehr genau und kann exakt eingestellt werden. Da sich die Elektrikanlage prinzipiell auf jede beliebige Position entlang des Wirkungsweges einstellen lässt, ist sie die flexibelste Lösung.

Unterm Strich gibt es also für jede Antriebsart gute Gründe. Die Entscheidung für oder gegen einen Hydraulikantrieb hängt von den Bedürfnissen des jeweiligen Betriebes, der benötigten Kraftwirkung, aber auch vom Budget ab.

Kraftübertragung durch Hydraulik

Hydraulische Fluide sind aufgrund ihres flüssigen Aggregatzustandes in der Lage, sich jeder geometrisch vorgegebenen Form anzupassen. Durch diese Eigenschaft können sie, wenn sie mit Druck beaufschlagt werden, jeden Rohrquerschnitt und innerhalb eines hydraulischen Kreislaufs dazwischen geschaltete Elemente wie beispielsweise Ventile durchströmen.
Der Grundgedanke bei der hydraulischen Kraftübertragung ist in den weitaus überwiegenden Fällen eine Druckbeaufschlagung eines hydraulischen Mediums, in der Regel Mineralöl mit der Konsequenz einer durch den Druck hervorgerufenen Bewegung.

Hydrostatik, Physik der ruhenden Flüssigkeit, hydrostatische Gesetze

Auf ein ruhendes flüssiges Medium, beispielsweise einen See, wirkt der atmosphärische Luftdruck. Auf die Wasseroberfläche des Sees wirkt, wenn der wetterbedingte Luftdruck 1


mbar (1
5 Pa = 1
5N/m2 = 1


hPa) beträgt, auf jeden Quadratzentimeter Fläche eine Kraft von 1
N. In 1 m Wassertiefe des Sees kommt zum atmosphärischen Luftdruck Pa von 1
5N/m2 noch der statische Druck der 1 m hohen Wassersäule, nämlich

Pa + V*ρ*g = 1
5 N / m2 + 1 m3 * 1


kg/m3 * 9,81 m/sec2 = 1
981
N/m2 =1
98,1 hPa = 1,
981 bar.

Die hydrostatischen Gesetze gelten nicht nur für inkompressible Fluide wie Wasser oder Hydrauliköl, sondern auch für gasförmige Medien wie beispielsweise Luft. So gehört es zu den hydrostatischen Erscheinungen, dass der Luftdruck mit zunehmender Entfernung von der Erdoberfläche immer geringer wird, aufgrund der geringer werdenden Erdbeschleunigung. Diese hydrostatischen Erscheinungen des veränderlichen Luftdrucks haben einen maßgeblichen Einfluss auf das Wetter.

Hydrodynamik, Physik der bewegten Flüssigkeit als Strömung

Fließt ein Fluid durch einen geschlossenen Querschnitt, so ist an jeder Stelle dieses Querschnitts die Summe aus Druckhöhe, Geschwindigkeitshöhe und Ortshöhe eine konstante Größe, die man auch noch Gesamthöhe nennt. Diese Erkenntnis wird formelmäßig durch die Bernoulligleichung charakterisiert, die auch noch unter dem Namen Energiegleichung bekannt ist.

 p / ρ*g ...   Druckhöhe in m
W2 / 2*g ... Geschwindigkeitshöhe in m
h ...           Ortshöhe in m
K ...           Gesamthöhe in m

p1 / ρ*g + W12 / 2*g + h1 = p2 / ρ*g + W22 / 2*g + h2 = K

Wendet man die Energiegleichung für Flüssigkeiten an, so kann man aufgrund ihrer Inkompressibilität die Dichte ρ als konstant annehmen.

In abgewandelter Form ist die Energiegleichung auch für Gase anwendbar, jedoch ist dann die Dichte ρ vom Druck abhängig und damit veränderlich. Zugleich verändert sich bei Gasen mit dem Druck und der Dichte auch noch die Temperatur, was bei hydrodynamischen Berechnungen von Strömungen mit Gasen auch noch zu berücksichtigen ist.

In Verbindung mit der Kontinuitätsgleichung, welche im Prinzip aussagt, dass an verschiedenen Stellen eines strömenden Mediums auch immer gleiche Massenströme herrschen, ist die Energiegleichung eine wesentliche Grundlage für die Auslegung und Dimensionierung von hydraulischen Anlagen.

Energieübertragung mittels fluidtechnischer Getriebe mit Mineralöl

Kraftfahrzeuge mit Automatikgetriebe, auch bekannt unter dem Namen hydrodynamischer Drehmomentwandler, nutzen sowohl die geschmeidigen Eigenschaften des Mineralöls als auch deren Inkompressibilität. Pumpenrad, Turbinenrad und Leitrad bilden eine perfekt aufeinander abgestimmte Einheit, durch welche der Motor immer in einem optimalen Drehzahlbereich arbeiten kann. Das Pumpenrad ist direkt mit dem Antriebsmotor verbunden und hat daher auch immer dessen gleiche Drehzahl. Das Turbinenrad ist mit dem nachgeschalteten Getriebe verbunden. Zwischen Pumpenrad und Turbinenrad befindet sich das Leitrad, welches ein ganz wesentliche Aufgabe zu erfüllen hat. Es leitet das Öl von Pumpenrad zum Turbinenrad und von da wieder zurück zur Pumpe. Aufgrund des zu übertragenden Drehmomentes ist die Turbinendrehzahl immer etwas geringer als die Pumpendrehzahl. Das Öl im Drehmomentwandler wirkt wie ein elastisches Element und sorgt so für eine sanfte Verbindung zwischen Motor und Getriebe. Die Funktion des Drehmomentwandlers ist jedoch immer mit einem gewissen Schlupf und damit auch mit Reibungsverlusten verbunden. Trotzdem ist der Drehmomentwandler in der Lage gerade beim Anfahren ein hohes Drehmoment zu erzeugen und so eine zügige Beschleunigung zu ermöglichen.

Kraftmaschine vs. Arbeitsmaschine

Eine Kraftmaschine erzeugt beispielsweise durch Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie ein Drehmoment bei einer bestimmten Drehzahl und stellt diese beiden vektoriellen Größen als mechanische Leistung einer nachgeschalteten Einheit zur Verfügung. Eine solche antreibende Maschine ist auch unter dem Namen Verbrennungsmotor bekannt.
Eine Arbeitsmaschine benötigt zur Funktion eine antreibende Einheit, um die ihr zugedachten Abläufe erfüllen zu können. So ist beispielsweise eine Ständerbohrmaschine eine Arbeitsmaschine, der sie antreibende Elektromotor jedoch eine Kraftmaschine.

Es ist jedoch nicht immer eine eindeutige Trennung dieser beiden Maschinenarten möglich.

So sind beispielsweise Wasserkraftwerke oft mit einem Pumpspeicherwerk ausgerüstet. Wenn nachts mehr Strom zur Verfügung steht, als momentan benötigt wird, treibt man mit dem überschüssigen Strom einen Universalmotor mit angeschlossener Pumpturbine an und pumpt damit Wasser in ein höher gelegenes Pumpspeicherwerk. Der Universalmotor ist umschaltbar und kann sowohl als Elektromotor als auch als Generator eingesetzt werden. Die angeschlossene Pumpturbine ist ebenfalls umschaltbar und kann sowohl als Pumpe als auch als Turbine arbeiten. In Spitzenzeiten des Strombedarfs wird das Wasser im Pumpspeicherwerk zur zusätzlichen Stromerzeugung eingesetzt. Dieses Wasser strömt dann durch die Pumpturbine, welche dann unter Drehrichtungsumkehr als Turbine arbeitet und treibt den angeschlossenen Universalmotor, der dann als Generator geschaltet ist, an.

Als vereinfachtes Beispiel für ein Maschinenelement, welches ebenso beide Maschinenarten verkörpern kann, ist auch das Schwungrad anzusehen.

Fazit

Hydraulische Kraftübertragung ist eine in der heutigen Technik häufig angewandte Methode zur Übertragung von Kräften und Bewegungen. Dabei wirkt sich die Eigenschaft der Inkompressibilität von flüssigen Medien besonders vorteilhaft aus, weil dadurch zusätzliche Volumenänderungsarbeiten, verbunden mit schlechteren Wirkungsgraden vermieden werden. Markante Beispiele für hydraulische Kraftübertragungen sind Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen, Hydraulikbagger, hydraulische Pressen, hydrodynamische Drehmomentwandler oder ganz allgemein Hydraulikzylinder für Bewegungsübertragungen jeglicher Art. Bei der Energieübertragung mittels Strömung von Fluiden muss jedoch, wenn mit höheren Drücken gearbeitet wird, das Dichtheitsproblem mit geeigneten Dichtelementen gelöst werden.

Wartung von Hydraulikschläuchen

Soll eine Hydraulikanlage einwandfrei funktionieren und sollen Ausfallzeiten durch eine Leckage vermieden werden, so müssen die Verschleißteile der Anlage regelmäßig gewartet werden. Vor allem die Hydraulikschläuche sollten alle sechs Jahre gewartet werden. Diese Frist von sechs Jahren schließt eine Lagerzeit von maximal zwei Jahren ein. Natürlich kann es sein, dass auch nach zehnjähriger Betriebszeit noch keine Leckage vorliegt, das Risiko für einen Totalausfall der Anlage ist aber zu hoch. Ein regelmäßiger Austausch der Schlauchanlagen ist daher zu empfehlen.

Voraussetzungen für den Austausch

Neben der regelmäßigen Wartung ist es nötig, die Hydraulikschläuche spätestens dann zu tauschen, wenn es Probleme gibt. Ein Abfall des Drucks kann zum Beispiel auf eine Leckage hinweisen. Absolut notwendig sind ausreichende Kenntnisse über die gesamte Anlage und speziell über die Ventile, denn Fehler beim Austausch der Schlauchanlagen können schwere Folgen nach sich ziehen. Derjenige, dem die Wartung obliegt, muss die gesamten Zusammenhänge erkennen und auch wissen, wie hoch die Belastung der Anlage sein darf. Eine sachgemäße Instandhaltung ist daher nur von einem Fachmann vorzunehmen. Die Kontrolldaten der einzelnen Inspektionen sollten in einer Datenbank gespeichert werden, so können durch einen einfachen Vergleich dieser Daten Fehler rasch erkannt werden. Durch die Auswertung der Datenbank ist es sogar möglich, die Lebensdauer der Anlage deutlich zu erhöhen, einfach aus dem Grund, weil sich Fehler häufig schon vor dem Ausfall anhand der Daten feststellen lassen.

Wann muss die Wartung erfolgen?

Nach der Montage der Schlauchleitungen müssen diese überprüft werden, ehe sie mit der vollen Belastung mit den möglichen Kilonewton in Betrieb genommen werden. Auch nach Umbauten an der Hydraulikanlage sollten die Schläuche einer Prüfung unterzogen werden. Des Weiteren ist die Wartung anzuraten, wenn es längere Zeiträume der Nichtbenutzung der Anlage gab. Immer gilt es zu bedenken, dass die Anlage mit mehreren Tonnen belastet wird – ein Fehler kann böse Folgen haben. Eine außerordentliche Überprüfung steht überdies an, wenn es zum Beispiel zu Kollisionen kam oder wenn Naturereignisse mögliche Schäden verursacht haben können.
Natürlich gibt es auch die vorgeschriebenen Wartungsintervalle, die für den sicheren Betrieb der Anlage wichtig sind. Empfohlen werden Auswechselintervalle von sechs Jahren, wobei diese Betriebsdauer die maximal zweijährige Lagerdauer der Schläuche einbezieht. Liegen zum Beispiel durch einen Mehrschichtbetrieb erhöhte Einsatzzeiten vor oder unterliegt die Anlage kurzen Taktzeiten bzw. kurzen Impulsen des Drucks, so betragen die Auswechselintervalle nur zwei Jahre. Das gilt auch dann, wenn starke innere und äußere Einflüsse vorliegen, denn damit reduziert sich die Verwendungsdauer der Hydraulikschlauchleitung. Hydraulisch geführte Werkzeuge (zum Beispiel mobile Scheren) müssen ebenfalls alle zwei Jahre gewartet werden.
Die genannten Auswechselintervalle können verlängert werden, wenn seitens des Herstellers der Maschine entsprechende Erfahrungs- und/oder Prüfwerte vorliegen und eine gefahrlose längere Verwendung der Schläuche möglich ist. Auch dann, wenn die Beurteilung des Risikos durch den Betreiber der Anlage schriftlich dokumentiert wurde und Schutzmaßnahmen für den Fall des Ausfalls der Anlage ergriffen wurden, können die Wartungsintervalle verlängert werden. Die Prüfung auf Arbeitssicherheit hat jedoch regelmäßig zu erfolgen und muss durch eine befähigte Person ausgeführt werden.
Tritt der Fall ein, dass Hydraulikschläuche während des Betriebs versagen, oder werden Mängel daran festgestellt, so sollten die Wartungsintervalle verkürzt werden.
Hydraulikschlauchleitungen aus Metall oder aus Thermoplaste können mit anderen Wartungsintervallen versehen sein. Dabei gilt es insbesondere die herstellerspezifischen Vorschriften zu berücksichtigen.

Weitere Aspekte für die Wartung der Hydraulikschläuche

Nach der Montage und vor dem ersten Betrieb der Hydraulikanlage müssen die Schlauchanlagen überprüft werden, wobei die Kriterien zu berücksichtigen sind, die direkt mit der Montage in Zusammenhang stehen. Meist sind diese nur an der vollständig montierten Anlage zu beurteilen und können daher nicht vorab geprüft werden. Einige Punkte können bei ausgeschalteter Anlage geprüft werden, für andere wiederum ist der Betrieb der Maschine oder Anlage nötig. Für die gesamte Überprüfung sind Checklisten erhältlich, die die nötigen Punkte berücksichtigen.
Mit wiederkehrenden Prüfungen in festen Intervallen soll sichergestellt werden, dass es nicht zu Schäden an der Anlage kommen kann. Dabei werden unter anderem folgende Punkte abgefragt:

  • Ist die Betriebsanleitung des Herstellers noch vorhanden?
  • Wird die Maschine wie vorgegeben verwendet und entsprechen die Umweltbedingungen den Vorschriften?
  • Gibt es Wechselwirkungen mit anderen Maschinen?
  • Haben sich die Bedingungen für die vorgesehene Verwendungsdauer der Schläuche verändert?
  • Sind alle wichtigen Kennzeichnungen an den Schlauchleitungen vorhanden?
  • Weisen die Schlauchleitungen Mängel auf?
  • Sind die erforderlichen Schutzmaßnahmen vorhanden?
  • Werden festgelegte Wartungsintervalle eingehalten und dokumentiert?
  • Sind verkürzte Wartungsintervalle nötig?

Diese Liste muss speziell auf die jeweilige Anlage und den Betrieb derselben angepasst werden.

Was tun bei fehlerhaften Schlauchleitungen?

Wurden bei der Prüfung der Hydraulikschläuche Mängel festgestellt, so müssen diese umgehend beseitigt werden. Nur so ist der arbeitssichere Zustand der Anlage sicherzustellen. Ist die Beseitigung der Mängel nicht umgehend möglich, muss die Anlage außer Betrieb genommen werden und es ist sicherzustellen, dass sie nicht versehentlich genutzt wird. Fehlerhafte Schlauchleitungen werden ausgetauscht, was durch erfahrenes Fachpersonal vorzunehmen ist. Eine Reparatur der Schlauchleitungen ist nicht erlaubt. Auch dürfen die Schläuche nicht aus bereits verwendeten Teilen neu zusammengefügt werden. Hier gilt, dass entsprechend der Vorschrift nur neue Schläuche eingesetzt werden dürfen.
Wenn mehrere Schlauchleitungen gleichzeitig ausgetauscht werden müssen, so ist sicherzustellen, dass eine Verwechslung der jeweiligen Anschlüsse und der Stellen, in die die Schläuche eingebaut werden, nicht möglich ist.

Wer darf die Wartung vornehmen?

Die Wartung der Hydraulikschlauchanlagen ist von besonders befähigten Personen durchzuführen. Das heißt, diese Person muss eine Berufsausbildung nachweisen und sollte über eine entsprechende berufliche Erfahrung verfügen. Mindestens muss die momentane berufliche Tätigkeit die erforderlichen Fachkenntnisse für die Wartung von Hydraulikanlagen ermöglichen. Damit soll sichergestellt werden, dass die Wartungen ordnungsgemäß und technisch richtig durchgeführt werden.

Schraub- & Schnell-Kupplung – ein Vergleich

Ein hydraulischer Antrieb besteht im Prinzip aus einem Hydraulikaggregat und mindestens einem hydraulischen Verbraucher, welcher über Leitungen mit dem Hydraulikaggregat verbunden ist. Die Hydraulikleitungen werden je nach Zweckmäßigkeit mit Schraub- oder mit Schnellverschlusskupplungen versehen als bewusst gewollte Möglichkeiten zum Öffnen und Schließen der Hydraulikleitungen.

Hydraulikkupplung, Verbindungselement zwischen Hydraulikaggregat und Verbraucher

Eine Kupplung, egal ob als Schraub- oder Schnellverschluss ausgeführt, besteht im einfachsten Fall aus zwei Teilen, einer Muffe und einem Nippel, wobei der Nippel in die Muffe geschoben oder geschraubt wird.

Physikalische Zusammenhänge in Bezug auf Hydraulik

Soll innerhalb einer Hydraulikleitung eine Bewegung der hydraulischen Flüssigkeit stattfinden, so ist ein Druckgefälle entlang der Hydraulikleitung erforderlich. Nur als Folge eines solchen Druckgefälles kann auch ein Durchfluss entstehen. Der Druck ist definiert als Quotient Kraft / Flächeneinheit. Dabei wird die Kraft in der Regel in Newton oder Kilonewton angegeben. Der Druck wird dagegen in bar angegeben.

1 bar = 1

KN / m2 (Kilonewton / Quadratmeter)

Eine weitere wichtige Größe im Zusammenhang mit der Hydraulik ist die hydraulische Kapazität, mit deren Hilfe das Druckgefälle im Inneren der hydraulischen Leitung entlang der Strömung beschrieben wird. Bildet man das Verhältnis von Volumenstrom zu dessen Druckänderung, so erhält man eine annähernd proportionale Größe, die als hydraulische Kapazität definiert ist.

Schraubkupplung

Bei Hydraulikverschraubungen, die nur selten oder gar nicht geöffnet werden müssen, verwendet man Schraubkupplungen. Die Verbindung von Muffe und Stecker erfolgt durch Verschrauben, indem die Muffe mit ihrem Innengewinde auf das Außengewinde des Steckers aufgeschraubt wird. Das Besondere an der Schraubkupplung ist der zunächst drucklose Zustand im Inneren der Schraubkupplung, auch im bereits verschraubten Zustand. Erst bei Druckbeaufschlagung der hydraulischen Flüssigkeit durch Öffnen eines hydraulischen Ventils wird der Durchfluss durch die Schraubkupplung freigegeben. Bei Druckentlastung wird auch der Durchfluss wieder gestoppt. Die Schraubkupplung hat damit auch im verschraubten Zustand eine beidseitige Absperrfunktion.

Schnellkupplung

Wenn eine Hydraulikleitung öfters mal geöffnet oder geschlossen werden muss, wie dies beispielsweise bei einem Frontlader an einem Traktor der Fall ist, verwendet man zweckmäßigerweise eine Schnellkupplung. Dieser Schnellverschluss besteht im Prinzip aus zwei Teilen, der Kupplung und dem Nippel, auf welchen die Kupplung beim Schließen geschoben wird.

Funktionsprinzip Schnellkupplung

Am Außendurchmesser der Muffe ist eine axial verschiebbare Hülse angebracht, deren Stirnseite durch eine Druckfeder immer in vorderster Stellung bündig mit der Stirnseite der Muffe gehalten wird. In dieser Stellung werden am Innendurchmesser der Muffe befindliche Kugeln in radialer Richtung zur Bohrungsmittelachse der Muffe gedrückt und dort gehalten. Wenn zum Schließen der Hydraulikleitung der Stecker in die Muffe geschoben werden soll, muss die Außenhülse der Muffe gegen den Federdruck axial nach hinten geschoben werden. Dadurch werden die Kugeln freigegeben und können, wenn der Stecker in die Muffe geschoben wird, radial nach außen ausweichen. Wenn der Stecker in der Muffe am Anschlag ist, wird die Hülse losgelassen. Die Kugeln werden radial nach innen in eine rundum laufende Nut am Stecker gedrückt. Stecker und Muffe sind damit axial verriegelt.

Bauarten, Varianten der Schnellkupplung

Die Schnellkupplung wird noch in folgende Bauarten und Varianten unterteilt:

  • Monokupplung
    Die Monokupplung ist eine einfache Variante der Schnellkupplung, welche nur eine Leitung verbindet. Die Monokupplung hat zwei Teile, Muffe und Stecker.

  • Durchgangskupplung
    Die Durchgangskupplung hat in ihrem Inneren kein Ventil. Wenn ihre beiden Teile verschlossen und damit gekoppelt sind, hat das strömende Medium immer einen freien Durchgang.

  • Clean-Break-Kupplung
    Die Clean-Break-Kupplung ist auch noch unter dem Namen Trockenkupplung bekannt. Sie hat beim Kuppeln und Entkuppeln nur sehr minimale Leckageverluste, was mittels Trocken- und leckarmer Ventile erreicht wird.

  • Verschlusskupplung
    Die Verschlusskupplung ist durch ihren selbsttätigen Absperrmechanismus in ihren beiden Teilen gekennzeichnet. Wenn das strömende Medium durch ein hydraulisches Ventil abgesperrt wird, verschließen Spitz- oder Ringkolbenventile sowohl Muffe als auch Stecker. Der Volumenstrom kommt damit zum Stillstand und wird drucklos.

  • Multikupplung
    Die Multikupplung vereinigt mehrere hydraulische Leitungen und kann diese beispielsweise durch eine einzige Ansteuerung öffnen und wieder schließen. Die Multikupplung eignet sich für komplexe Maschinen und Anlagen mit vielen Druckleitungen. Zugleich ermöglicht die Multikupplung eine gewisse Übersicht über viele vorhandene Druckleitungen. Ein weiterer Vorteil der Multikupplung ist die kurze Rüstzeit bei notwendigen Umbauten, was zugleich auch mit Kosteneinsparung verbunden ist.

    Die Multikupplung kann handbetätigt sein oder auch durch ein hilfskraftbetätigtes Dockingsystem erfolgen. Diese Hilfskraftbetätigung kann hydraulisch, pneumatisch oder auch elektrisch bewirkt werden.

    Multikupplungen werden beispielsweise zur Steuerung von Schnellwechselsystemen für Industrieroboter eingesetzt. Bei der Betätigung von Schweißzangen oder Greifern kommt es auf präzise und ortsgenaue Positionierung an. Diese geforderten Eigenschaften können unter Zuhilfenahme von Multikupplungen erfüllt werden.

Fazit

Schraub- und Schnellkupplungen haben als Verbindungselemente für flüssige und gasförmige Medien besondere Eigenschaften, welche sie zu unverzichtbaren Bauteilen in vielen technischen Anlagen und Maschinen werden lassen. Für die vielen vorkommenden Einsatzfälle mit all ihren Besonderheiten wurden auch zahlreiche Varianten von Schraub- und Schnellkupplungen entwickelt. Bei fachgerechter Auswahl und Dimensionierung können sowohl wirtschaftliche Abläufe von Maschinen und Anlagen erreicht als auch die Leckageverluste beim Öffnen und Schließen von Kupplungselementen minimiert werden.

Die Verwendung von Schnellkupplungen ist eine praktikable Methode, um hydraulisch arbeitende Maschinen schnell an ein Hydraulikaggregat anzuschließen. Schließen und Öffnen von Hydraulikleitungen ist mit solchen Schnellverschlüssen jederzeit möglich. Besonders vorteilhaft bei Schnellkupplungen ist, dass zum Öffnen und Schließen keine zusätzlichen Hilfswerkzeuge notwendig sind.

Dagegen werden Schraubkupplungen vorzugsweise dort verwendet, wo ein Wechseln der Anschlüsse nicht so häufig erforderlich ist. Dies hat primär auch etwas damit zu tun, dass zum Öffnen und Schließen eines Schraubanschlusses zumindest ein Schraubenschlüssel notwendig ist.

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