Hydraulikaggregat und Tank

Ein Hydraulikaggregat – im Werkstattjargon oft Power Pack genannt – ist die Energiequelle einer hydraulischen Anlage. Seine Aufgabe lässt sich in einem Satz fassen: Es wandelt elektrische Energie in hydraulische Energie um, also in einen Ölstrom mit einem bestimmten Druck.

Damit ist die Rollenverteilung in der Anlage klar. Das Aggregat ist die Quelle. Die Leitungen sind der Transportweg. Zylinder und Hydraulikmotoren sind die Verbraucher, die die hydraulische Energie wieder in eine mechanische Bewegung zurückverwandeln. Pumpen, Ventile und Zylinder sind dabei eigenständige Bauteile mit eigener Tiefe – hier interessieren sie nur insoweit, als sie Teil des Aggregats oder dessen Gegenstück sind.

Aggregate gibt es in verschiedenen Bauformen. Bei kleineren Anlagen sitzt alles kompakt auf oder im Tank: Der Motor steht senkrecht oben, die Pumpe taucht in das Öl ein, der Ventilblock ist direkt aufgebaut. Bei größeren Anlagen steht das Aggregat auf einem eigenen Untergestell, Motor und Pumpe liegen waagrecht, und der Tank bildet die Grundplatte. Welche Bauform sinnvoll ist, hängt von Leistung, Platz und Wärmeabfuhr ab.

Das folgende Blockschema zeigt den Energiefluss vom Stromnetz bis zum Verbraucher.

Der Kreis schließt sich: Das Öl fließt aus dem Tank zur Pumpe, von dort unter Druck zum Verbraucher und über den Rücklauf wieder zurück in den Tank. Genau dieser geschlossene Kreislauf macht den Tank zu mehr als einem simplen Vorratsbehälter.

Wer ein Aggregat öffnet, findet immer dieselben Grundbausteine, auch wenn Größe und Anordnung variieren. Es lohnt sich, jede Baugruppe einzeln zu betrachten, weil sich daraus später fast jede Störung erklären lässt.

Der Antriebsmotor ist in der Regel ein Drehstrom-Asynchronmotor. Er treibt die Pumpe an und bestimmt über seine Drehzahl und die Pumpengröße den Förderstrom.

Die Pumpe saugt Öl aus dem Tank und fördert es in die Druckleitung. Sie ist das Herzstück der Energiewandlung; die verschiedenen Bauarten werden hier nicht vertieft.

Zwischen Motor und Pumpe sitszt die Kupplung, meist in einer Laterne gekapselt – einem Gehäuse, das beide Wellen fluchtend verbindet und die Pumpe am Tank abstützt. Eine schlecht ausgerichtete Kupplung ist eine häufige Geräuschquelle.

Der Tank dient nicht nur als Ölbehälter, sondern bei Kompaktaggregaten auch als Trägerstruktur für Motor und Ventilblock. Auf seine Aufgaben geht das nächste Kapitel im Detail ein.

Auf der Saugseite sitzt oft ein Saugfilter oder Saugkorb, der grobe Verunreinigungen vor der Pumpe abfängt. Im Rücklauf arbeitet meist ein Rücklauffilter, der das zurückströmende Öl reinigt. Die feinere Betrachtung der Filtertechnik ist ein Thema für sich.

Der Steuerblock oder Ventilblock bündelt die Ventile, die den Ölstrom zum Verbraucher lenken. Unmittelbar dazu gehört das Druckbegrenzungsventil als Sicherheitsorgan: Es begrenzt den maximalen Systemdruck und leitet überschüssiges Öl zurück in den Tank, bevor Leitungen oder Bauteile überlastet werden. Ohne dieses Ventil würde der Druck bei blockiertem Verbraucher unkontrolliert ansteigen.

Dazu kommen die Anzeige- und Anschlusselemente: ein Manometer zur Druckanzeige, eine Ölstandsanzeige, der Einfüll- und Belüftungsfilter sowie die Anschlüsse für Druck- und Rücklaufleitung.

Die Strömungsrichtung ist im Schema farbig hervorgehoben: Die Pumpe zieht Öl aus dem Tank (Saugseite), drückt es über den Steuerblock zum Verbraucher (Druckseite), und das Öl kommt über den Rücklauf wieder im Tank an. Diese drei Bereiche – Saug-, Druck- und Rücklaufseite – sollte man im Kopf trennen können, denn jede hat ihre eigenen typischen Probleme.

Der Tank sieht aus wie ein simpler Blechkasten, erfüllt aber gleich fünf Aufgaben. Er hält den Ölvorrat bereit, sodass die Pumpe jederzeit genug Öl ansaugen kann. Über seine Wände gibt er Wärme an die Umgebung ab. Er lässt Luftblasen aus dem Rücklauföl aufsteigen und entweichen, bevor das Öl wieder angesaugt wird. Er gibt schweren Schmutzpartikeln Zeit, sich am Boden abzusetzen. Und schließlich übernimmt er bei vielen Aggregaten die Trägerfunktion für Motor, Pumpe und Ventilblock.

Damit diese Aufgaben funktionieren, ist der Tank innen durchdacht aufgebaut. Eine Schwallwand – ein Trennblech – teilt das Innere in eine Rücklaufkammer und eine Saugkammer. Das zurückströmende, oft schaumige und warme Öl wird gezwungen, einen Umweg um diese Wand zu nehmen, bevor es wieder angesaugt wird. Auf diesem Weg beruhigt es sich, entlüftet und kühlt ab.

Entscheidend ist die Anordnung der Leitungen. Die Rücklaufleitung und die Saugleitung enden in möglichst großem Abstand voneinander – sonst würde frisch zurückgekommenes, luftiges Öl sofort wieder angesaugt. Beide Leitungsenden tauchen unter den Ölspiegel ein. Bei der Rücklaufleitung verhindert das Schaumbildung durch herabfallendes Öl, bei der Saugleitung das Ansaugen von Luft.

Am Boden liegt eine Ablassschraube zum Entleeren, oft an der tiefsten Stelle eines leicht geneigten Bodens, damit sich Schmutz und Wasser dort sammeln. Oben sitzen der Einfüll- und Belüftungsfilter, der das Nachströmen von gefilterter Luft ermöglicht, eine Ölstandsanzeige und meist eine verschraubte Reinigungsöffnung.

Werkstoff ist meist Stahlblech, innen sauber entgratet und oft beschichtet, damit sich kein Rost löst. Bei kleineren Aggregaten kommen auch Aluminium oder Kunststoff vor. Wichtig ist in jedem Fall eine glatte Innenfläche ohne Schmutznischen.

Wie groß muss der Tank sein? Eine zu kleine Auslegung rächt sich sofort: Das Öl bleibt zu kurz im Tank, entlüftet nicht vollständig und überhitzt. Die bewährte Faustregel verknüpft das Tankvolumen mit dem Förderstrom der Pumpe.

Der Faktor liegt üblicherweise zwischen 3 und 5. Das Tankvolumen entspricht also dem 3- bis 5-fachen dessen, was die Pumpe in einer Minute fördert. Bei guter Kühlung oder Aussetzbetrieb darf man am unteren Ende liegen; bei hoher Dauerleistung und schlechter Wärmeabfuhr wählt man den größeren Faktor.

Dahinter steckt die Verweilzeit: die Zeit, die ein Öltropfen im Mittel im Tank bleibt, bevor er erneut angesaugt wird. Sie ist nichts anderes als das Tankvolumen geteilt durch den Förderstrom – also gerade der Faktor f, ausgedrückt in Minuten.

Je länger die Verweilzeit, desto besser kann das Öl entlüften und abkühlen. Drei bis fink Minuten gelten als gute Richtwerte.

Das eingefüllte Öl füllt den Tank aber nie ganz. Über dem Ölspiegel bleibt ein Luftraum, damit das Öl beim Rücklauf nicht überschwappt und ausreichend Fläche zum Entlüften hat. Üblich sind etwa 10 bis 15 Prozent des Tankvolumens als Luftraum. Das tatsächliche Nutzvolumen liegt also unter dem Gesamtvolumen des Behälters.

Damit ist aber nur die Hälfte erzählt. Die Tankgröße bestimmt nämlich auch, wie viel Wärme über die Tankwände abgeführt werden kann – und das hängt nicht am Volumen, sondern an der Oberfläche. Überschlägig lässt sich die abführbare Wärmeleistung so abschätzen:

Für einen freistehenden Stahltank in ruhiger Luft rechnet man überschlägig mit einem Wärmeabgabekoeffizient von rund 12 W/(m²·K). Dieser Wert beschreibt den Wärmeübergang von der Tankwand an die Umgebungsluft durch Konvektion und Strahlung – die Wärmeleitung durch die dünne Stahlwand ist dagegen vernachlässigbar. Steht der Tank in einem Schaltschrank oder bei stehender, warmer Luft, ist der Wert kleiner; bei guter Umströmung größer. Die wärmeabgebende Oberfläche ist die Summe der Seitenwände und der Deckfläche – der Boden zählt meist nicht mit, weil er auf dem Untergestell aufliegt.

Diese Abschätzung beantwortet eine wichtige Frage: Reicht die natürliche Kühlung über die Tankwand aus, oder braucht die Anlage einen zusätzlichen Ölkühler? Genau das vertieft das nächste Kapitel. Der folgende Rechner bringt beide Seiten – Volumen und Kühlung – zusammen.

In jeder Hydraulikanlage entsteht Wärme, und zwar überall dort, wo Druckenergie in Reibung umgesetzt wird. Die größten Quellen sind Drosselstellen und Ventile, an denen Öl unter Druck durch enge Querschnitte gepresst wird, sowie das Druckbegrenzungsventil, das überschüssiges Öl unter vollem Druck in den Tank ableitet. Auch innere Leckage in Pumpe und Ventilen wird zu Wärme. Diese Verlustleistung landet am Ende fast vollständig im Öl.

Warum ist das ein Problem? Steigt die Öltemperatur zu hoch, sinkt die Viskosität – das Öl wird dünnflüssig, der Schmierfilm in Pumpe und Lagern reißt eher ab, und die innere Leckage nimmt zu. Außerdem altert das Öl schneller. Die Eigenschaften und das Temperaturverhalten von Hydraulikölen sind ein Thema für sich; hier genügt der Merksatz, dass die Temperatur in einem sinnvollen Fenster bleiben muss.

Als praktischer Richtwert gilt ein Dauerbetrieb des Öls bei etwa 40 bis 60 °C. Kurzzeitig sind höhere Werte tolerierbar, dauerhaft deutlich über 60 °C wird kritisch. Die Anlage muss also so viel Wärme abführen, wie sie erzeugt – sonst heizt sich das Öl immer weiter auf, bis ein Gleichgewicht auf zu hohem Temperaturniveau erreicht ist.

Hier schließt sich der Kreis zur Rechnung aus dem letzten Kapitel. Über die Beziehung P_ab = k * A * dT lässt sich abschätzen, wie viel Wärme der Tank allein über seine Wände an die Umgebung abgibt. Solange diese abführbare Leistung größer ist als die erzeugte Verlustleistung, genügt die natürliche Kühlung. Wird die Verlustleistung größer, muss ein zusätzlicher Ölkühler her – als Luft-Öl-Kühler mit Lüfter oder als Wasser-Öl-Kühler. Die überschlägige Rechnung sagt dem Techniker, in welcher Größenordnung er denken muss.

Ein eng damit verbundenes Thema ist die Belüftung des Tanks. Der Ölspiegel im Tank bewegt sich ständig: Fährt ein großer Zylinder aus, wandert viel Öl in die Anlage, der Ölstand im Tank sinkt, und Luft muss nachströmen. Fährt der Zylinder ein, kommt das Öl zurück, der Pegel steigt, und Luft muss entweichen. Geschieht das nicht, entsteht im Tank Über- oder Unterdruck – Unterdruck behindert das Ansaugen der Pumpe, Überdruck drückt Öl durch Dichtungen.

Deshalb sitzt oben am Tank der Belüftungsfilter. Er lässt Luft in beide Richtungen durch, hält dabei aber Staub und Schmutz zurück. Ein verstopfter Belüftungsfilter ist eine unscheinbare, aber häufige Störungsursache: Die Pumpe bekommt zu wenig Öl, weil der Tank nicht nachbelüften kann.

Ein neu aufgebautes oder frisch gewartetes Aggregat geht man bei der Inbetriebnahme in einer festen Reihenfolge an. Zuerst wird über den Filter befüllt – niemals ungefiltert direkt in den Tank, weil schon die Erstbefüllung Schmutz einbringen kann. Dann wird die Drehrichtung der Pumpe kontrolliert: Läuft sie falsch herum, fördert sie nicht oder nur schlecht und wird beschädigt. Anschließend entlüftet man die Anlage, fährt die Verbraucher langsam mehrmals durch und prüft den Ölstand nach, weil sich beim Füllen der Leitungen und Zylinder der Pegel im Tank deutlich senkt. Begleitend gehört eine Sichtkontrolle auf Leckagen dazu.

Im laufenden Betrieb beschränkt sich die Wartung am Aggregat auf wenige, regelmäßige Punkte: Ölstand und Ölzustand im Blick behalten, die Öltemperatur beobachten, den Rücklauf- und den Belüftungsfilter nach Plan wechseln und auf ungewöhnliche Geräusche achten. Die tiefergehende Ölpflege und Filtertechnik sowie die übergreifenden Sicherheitsregeln an Hydraulikanlagen sind eigene Themen – hier geht es nur um das, was direkt am Aggregat anfällt.

Drei Störungsbilder treten am Aggregat besonders oft auf, und es lohnt sich, ihre Ursachen zu kennen.

Das gefährlichste ist die Kavitation. Sie entsteht, wenn auf der Saugseite ein zu starker Unterdruck herrscht und im Öl Dampf- und Gasblasen ausgeschieden werden. Erreichen diese Blasen die Druckseite der Pumpe, fallen sie schlagartig in sich zusammen – mit winzigen, aber extrem energiereichen Druckspitzen, die das Pumpenmaterial regelrecht ausbröseln. Typische Auslöser sind ein verstopfter Saugfilter, ein zu langer oder zu enger Saugweg und vor allem zu hohe Viskosität beim Kaltstart: Ist das Öl kalt und zäh, kommt die Pumpe nicht hinterher und reißt den Unterdruck auf. Ein hartes, knatterndes Geräusch ist das Warnsignal. Kavitation ist die zerstörerischste Fehlerquelle direkt am Aggregat, weil sie die Pumpe in kurzer Zeit ruinieren kann.

Eng verwandt ist die Schaumbildung. Schaum entsteht, wenn Luft ins Öl gerät – etwa weil die Rücklaufleitung über dem Ölspiegel endet, der Ölstand zu niedrig ist oder eine saugseitige Verschraubung Luft zieht. Schaumiges Öl ist kompressibel, die Bewegungen werden schwammig, und die Schmierwirkung leidet.

Die dritte häufige Störung ist Überhitzung. Sie zeigt an, dass mehr Wärme erzeugt als abgeführt wird – sei es durch ein dauerhaft öffnendes Druckbegrenzungsventil, einen zu kleinen Tank oder eine fehlende Kühlung. Hier schließt sich der Bogen zur Wärmebilanz aus Kapitel 5.