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Grundwissen

Hydraulische Systeme

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Hydraulische Systeme sind Kraftwandler und übertragen Kräfte mit Hilfe von Flüssigkeiten.
  • Die Verstärkung einer Kraft \(F\) wird bestimmt durch das Verhältnis der Flächen von Druckkolben zu Hubkolben \(\frac{A_2}{A_1}\).
  • Der Druck \(p\) in hydraulischen Systemen ist mit bis zu \(200\,\rm{bar}\) sehr groß.
Aufgaben Aufgaben

Hydraulische Systeme übertragen und verstärken Kräfte

Abb. 1 Hydraulik am Bagger

Vorrichtungen, bei denen Kräfte mit Hilfe von Flüssigkeiten übertragen und verstärkt werden, nennt man hydraulische Systeme oder kurz Hydraulik. Beispiele für hydraulische Systeme sind der Wagenheber und die Bremsanlage eines Autos. Auch Bagger, Planierraupen, Schaufellader, Kipperfahrzeuge und moderne Traktoren arbeiten mit solchen Vorrichtungen.

Da auch hydraulische Systeme den Angriffspunkt, die Richtung und den Betrag einer Kraft verändern, kannst du sie auch als Kraftandler auffassen.

Funktionsweise

hydraulisches_system_presse.svg
Abb. 2 Funktion eines hydraulischen Systems

Wie hydraulische Systeme funktionieren, ist vereinfacht in Abb. 2 an einer hydraulischen Presse dargestellt:
Auf den sog. Druckkolben mit der Querschnittsfläche \(A_1=10\,\rm{cm^2}\) wird eine Kraft \(F_1=1{,}0\,\rm{kN}\) ausgeübt.
Das führt zu einem Druck \(p\) in der Flüssigkeit. Dieser Druck \(p\) beträgt: \[p = \frac{{{F_1}}}{{{A_1}}} \Rightarrow p = \frac{{1{,}0 \cdot {{10}^3}}}{{10}}\frac{{\rm{N}}}{{{\rm{c}}{{\rm{m}}^{\rm{2}}}}} = 1{,}0 \cdot {10^2}\frac{{\rm{N}}}{{{\rm{c}}{{\rm{m}}^{\rm{2}}}}} = 10\,{\rm{bar}}\]

Weil der Druck überall in der Flüssigkeit gleich groß ist, übt die Flüssigkeit auf jeden Quadratzentimeter der Begrenzungsfläche eine Kraft von \(100\,\rm{N}\) aus.
Die Kraft auf den Hubkolben mit der Querschnittsfläche \(A_2=60\,\rm{cm^2}\) beträgt daher:\[p = \frac{{{F_2}}}{{{A_2}}} \Leftrightarrow {F_2} = p \cdot {A_2}\] \[\Rightarrow {F_2} = 1{,}0 \cdot {10^2}\frac{\rm{N}}{\rm{cm}^2} \cdot 60\,\rm{cm}^2 = 6{,}0\,\rm{kN}\]

Die hydraulische Presse verändert also den Betrag, die Richtung und den Angriffspunkt der Kraft, das hydraulische System ist wie ein Hebel ein Kraftwandler.

Vorteile von hydraulischen Systemen

Während Hebel oft unförmig lang sind, lassen sich hydraulische Systeme auch auf kleinem Raum unterbringen. Entscheidend für die Verstärkung der Kraft ist dabei lediglich das Verhältnis der Querschnittsflächen der beiden Kolben, also \(\frac{A_2}{A_1}\). In den heute verwendeten hydraulischen Systemen wird als Flüssigkeit Öl verwendet. Der Druck im System beträgt dabei bis zu \(200\,\rm{bar}\).

Komplexere Hydrauliken

Um mit hydraulischen Systemen bei kompakter Bauweise größere Hubhöhen erreichen zu können, wie sie z.B. bei einer Hebebühne notwendig sind, wird in der Anwendung häufig mit einem Vorratsbehälter für Hydraulikflüssigkeit gearbeitet. Die Animation in Abb.3 zeigt schematisch die Funktionsweise. Durch geschickte Schaltung von Ventilen kann hier das Flüssigkeitsvolumen im System variiert werden. Der Druckkolben muss daher keine langen Wege zurücklegen, sondern kann sich wiederholt auf und ab bewegen.

Abb. 3 Aufbau und Funktionsweise einer Hebebühne