Hydraulikzylinder und -motoren

Eine Hydraulikanlage transportiert Energie über ein Drucköl. Die Pumpe brings das Öl auf Druck und liefert einen Volumenstrom, Ventile lenken es, und am Ende sitzt der Verbraucher — das Bauteil, das die hydraulische Energie wieder in mechanische Bewegung zurückverwandelt. Genau diese Verbraucher sind das Thema hier.

Es gibt zwei Sorten. Der Hydraulikzylinder erzeugt eine geradlinige (translatorische) Bewegung: Kolben fährt aus, Kolben fährt ein. Der Hydromotor erzeugt eine drehende (rotatorische) Bewegung, die im Prinzip endlos weiterlaufen kann. Beide arbeiten mit denselben zwei Grundgrößen.

Die erste betrifft die Kraft. Druck, der auf eine Fläche wirkt, erzeugt eine Kraft:

In der Praxis rechnet man oft handlicher mit Druck in bar, Fläche in cm² und Kraft in daN, weil sich diese Einheiten direkt aus den üblichen Datenblattangaben ergeben. Der Zusammenhang bleibt derselbe: Je größer die Fläche, auf die ein bestimmter Druck wirkt, desto größer die Kraft.

Die zweite Grundgröße betrifft die Bewegung. Ein zugeführtes Ölvolumen muss irgendwo hin — es schiebt den Kolben weiter oder dreht den Motor weiter:

Teilt man das durch die Zeit, wird aus dem Volumen ein Volumenstrom Q und aus dem Weg eine Geschwindigkeit. Daraus folgt der zweite Kerngedanke: Wie weit oder wie schnell sich ein Verbraucher bewegt, hängt nicht vom Druck ab, sondern vom Volumenstrom. Der Druck bestimmt, wie kräftig es geht; der Volumenstrom bestimmt, wie schnell.

Wie das Öl überhaupt auf Druck kommt und welche Pumpen den Volumenstrom liefern, ist ein Thema für sich und wird hier nicht vertieft. Für diesen Beitrag genügt: Am Verbraucher kommen ein Druck p und ein Volumenstrom Q an, und aus diesen beiden entsteht Bewegung.

Ein Hydraulikzylinder ist im Kern ein Rohr mit einem beweglichen Kolben darin, an dem eine Kolbenstange nach außen geführt ist. Wie das Öl auf den Kolben wirkt und in welche Richtungen Kraft erzeugt werden kann, unterscheidet die Bauarten.

Beim einfachwirkenden Zylinder wird nur eine Seite mit Drucköl beaufschlagt. Der Kolben fährt unter Druck aus, das Zurückfahren übernimmt etwas anderes — die Last selbst (etwa ein angehobenes Gewicht, das wieder absinkt), eine Rückstellfeder oder das Eigengewicht des Bauteils. Typisch ist diese Bauart beim Hebezylinder einer Kippmulde oder bei einer einfachen Hebebühne.

Der doppeltwirkenden Zylinder ist der Standardfall. Hier wird abwechselnd die Kolbenseite und die Stangenseite mit Druck versorgt. Damit erzeugt der Zylinder in beide Richtungen aktiv Kraft — er drückt beim Ausfahren und zieht beim Einfahren. Genau das macht ihn so flexibel.

Innerhalb der doppeltwirkenden Zylinder gibt es Varianten, die sich durch die Flächenverhältnisse unterscheiden. Der Differenzialzylinder hat eine Stange nur auf einer Seite und damit ungleiche Wirkflächen — er ist der häufigste Fall:

Damit der Kolben am Hubende nicht hart gegen den Deckel schlägt, haben viele Zylinder eine Endlagendämpfung: Kurz vor dem Anschlag wird der Ölabfluss gedrosselt, ein Ölpolster fängt den Kolben ab. Das schont das Material und vermeidet Druckspitzen.

In einem Schaltplan zeichnet man diese Bauteile nicht im Schnitt, sondern als genormtes Symbol nach ÖNORM EN ISO 1219 — der in Österreich und Europa verbindlichen Norm für fluidtechnische Schaltzeichen. Diese Symbole muss man lesen können, sonst bleibt jeder Schaltplan unverständlich.

Jetzt wird gerechnet. Der Schlüssel zum Verständnis eines doppeltwirkenden Zylinders liegt darin, dass die beiden Seiten des Kolbens unterschiedlich groß sind. Auf der einen Seite wirkt der Druck auf die volle Kolbenfläche. Auf der anderen Seite sitzt die Kolbenstange im Weg, sie nimmt einen Teil der Fläche ein. Es bleibt die Ringfläche — die Kolbenfläche minus der Stangenquerschnitt.

Das folgende Schnittbild zeigt diesen Zusammenhang. Es macht sichtbar, warum derselbe Zylinder beim Ausfahren und Einfahren unterschiedlich reagiert.

Daraus folgen die Kräfte. Beim Ausfahren wirkt der Druck auf die volle Kolbenfläche, beim Einfahren nur auf die Ringfläche:

Weil die Ringfläche kleiner ist als die Kolbenfläche, ist die Einfahrkraft bei gleichem Druck immer kleiner als die Ausfahrkraft. Ein Zylinder drückt kräftiger, als er zieht.

Bei der Geschwindigkeit dreht sich das um. Derselbe Volumenstrom muss eine kleinere Fläche füllen, also bewegt sich der Kolben beim Einfahren schneller. Beim Rechnen mit Praxiseinheiten ist eine Einheitenbereinigung nötig, weil ein Liter 1000 cm³ entspricht und ein Meter 100 cm. Trägt man den Volumenstrom in l/min und die Fläche in cm² ein, sorgt der Faktor 10 dafür, dass die Geschwindigkeit in m/min herauskommt:

Wer lieber in den Grundeinheiten cm und cm³ rechnet, lässt den Faktor weg: Q in cm³/s geteilt durch A in cm² ergibt die Geschwindigkeit direkt in cm/s. Genau diese konsistente Variante ist im Calculator unten umgesetzt.

Ein praktischer Sonderfall ist die Differenzialschaltung (auch Eilgangschaltung). Dabei wird das Öl, das beim Ausfahren aus der Stangenseite verdrängt wird, nicht zum Tank zurückgeleitet, sondern auf die Kolbenseite zurückgeführt und dort dem Pumpenstrom zugeschlagen. Effektiv muss die Pumpe dann nur noch das Volumen der Stangenseite — also das der Stangenfläche — neu liefern. Der Zylinder fährt deutlich schneller aus, allerdings bei entsprechend geringerer Kraft, weil als wirksame Fläche nur noch die Stangenfläche zählt.

Das ist der Trick hinter dem Eilgang vieler Pressen: ein schneller Vorlauf mit wenig Kraft, dann umschalten auf die volle Kolbenfläche für den kraftvollen Pressvorgang.

Ein Hydromotor ist im Grunde eine Pumpe, die rückwärts läuft. Statt mechanische Drehung in Öldruck umzusetzen, macht er das Umgekehrte: Drucköl strömt hinein und treibt ein drehendes Element an, das Drehmoment und Drehzahl an die Welle abgibt. Die meisten Pumpenbauarten gibt es deshalb auch als Motor.

Die zentrale Kenngröße ist das Schluckvolumen V (auch Verdrängungsvolumen genannt) — das Ölvolumen, das der Motor für eine volle Umdrehung benötigt, angegeben in cm³ pro Umdrehung. Es spielt für den Motor dieselbe Rolle wie die Fläche beim Zylinder: Es verknüpft Druck mit Drehmoment und Volumenstrom mit Drehzahl.

Die wichtigsten Bauarten:

Langsamlaufende Motoren mit großem Schluckvolumen liefern hohe Drehmomente direkt, oft ohne Getriebe. Schnelllaufende Motoren mit kleinem Schluckvolumen drehen hoch, brauchen für große Momente aber ein nachgeschaltetes Getriebe.

Das theoretische Drehmoment ergibt sich aus Druck und Schluckvolumen:

Mit p in bar und V in cm³/U liefert die Formel M in der praktischen Form M = (p · V) / (20 · π) das Drehmoment in Nm, weil 1 bar = 0,1 N/mm² und 1 cm³ = 1000 mm³ ineinander aufgehen. Im Calculator unten ist diese Umrechnung bereits eingebaut.

Die theoretische Drehzahl ergibt sich aus Volumenstrom und Schluckvolumen:

Auch hier gilt das Grundmuster: Der Druck bestimmt das Drehmoment, der Volumenstrom die Drehzahl. Ein Hydromotor ist dadurch sehr kompakt im Verhältnis zu seiner Leistung, liefert ein hohes Anlaufmoment schon aus dem Stillstand und lässt sich kurzzeitig überlasten, ohne Schaden zu nehmen — Eigenschaften, mit denen ein gleich großer Elektromotor nicht mithalten kann. Die hier berechneten Werte sind theoretische Idealwerte; wie Verluste und Wirkungsgrad sie in die Realität rücken, klärt das nächste Kapitel.

In den bisherigen Kapiteln wurde mit idealen Werten gerechnet. Die Realität bringt Verluste mit, und die muss man kennen, um einen Antrieb nicht zu knapp auszulegen.

Zunächst der Zusammenhang, der alles verbindet. Die hydraulische Leistung ist das Produkt aus Druck und Volumenstrom:

Der Faktor 600 fasst die Einheitenumrechnung von bar und l/min auf kW zusammen. Diese Leistung steht am Eingang des Verbrauchers an. Was an der Welle oder Kolbenstange ankommt, ist weniger — wegen der Verluste.

Verluste treten in zwei Formen auf. Die volumetrischen Verluste entstehen durch Leckage: Ein Teil des Öls strömt durch Spalte ab, ohne Arbeit zu leisten. Der Kolben bewegt sich dadurch etwas langsamer, der Motor dreht etwas langsamer, als es der zugeführte Volumenstrom erwarten ließe. Das beschreibt der volumetrische Wirkungsgrad. Die mechanisch-hydraulischen Verluste entstehen durch Reibung an Dichtungen, Kolben und Lagern. Sie verringern die nutzbare Kraft beziehungsweise das nutzbare Drehmoment und werden vom mechanisch-hydraulischen Wirkungsgrad erfasst.

Das Produkt beider ergibt den Gesamtwirkungsgrad:

Die reale abgegebene Leistung ist entsprechend kleiner als die zugeführte hydraulische Leistung:

Für die Auslegung heißt das konkret: Man geht vom geforderten Ergebnis aus — welche Kraft, welche Geschwindigkeit, welches Drehmoment, welche Drehzahl gebraucht wird — und rechnet rückwärts. Aus Kraft und Fläche (oder Drehmoment und Schluckvolumen) ergibt sich der nötige Druck, aus Geschwindigkeit und Fläche (oder Drehzahl und Schluckvolumen) der nötige Volumenstrom. Beide zusammen ergeben die Leistung, die die Pumpe liefern muss. Und weil Verluste dazukommen, schlägt man den Wirkungsgrad als Reserve auf, damit der Antrieb auch unter ungünstigen Bedingungen das Geforderte schafft.