Hydraulik: was sie ist und wie sie funktioniert
Grundlagen, Komponenten und Anwendungen, erklärt aus der Werkstatt

Die Hydraulik, genauer die Ölhydraulik, ist die Technik, die Leistung über Öl unter Druck überträgt und steuert. Eine Pumpe wandelt die mechanische Energie eines Motors in hydraulische Energie um; Ventile und Leitungen bringen sie dorthin, wo sie gebraucht wird; ein Zylinder oder ein Hydraulikmotor wandelt sie wieder in Kraft oder Drehmoment um. Diese Technik hebt den Ausleger eines Baggers, schließt eine Presse mit Hunderten Tonnen Presskraft, steuert das Ruder eines Schiffes und öffnet das Schütz einer Talsperre.

Das Prinzip: warum eine Flüssigkeit Kraft überträgt

Grundlage ist das Pascalsche Gesetz: Ein Druck, der auf eine eingeschlossene Flüssigkeit wirkt, pflanzt sich gleichmäßig in alle Richtungen fort. Anders als Luft ist Öl praktisch inkompressibel, deshalb kommt jedes von der Pumpe erzeugte bar am Antrieb an, ohne von der Flüssigkeit „geschluckt“ zu werden.

Die entstehende Kraft ist das Produkt aus Druck und wirksamer Fläche. Ein konkretes Beispiel: Ein Zylinder mit 100 mm Kolbendurchmesser hat eine Fläche von rund 78,5 cm². Mit 200 bar beaufschlagt, drückt er mit rund 157.000 Newton, also etwa 16 Tonnen, und das mit einem Bauteil, das man in einer Hand halten kann. Diese Kraftdichte macht die Hydraulik überall dort unersetzlich, wo hohe Lasten auf wenig Bauraum treffen.

Hydraulik und Pneumatik: die Unterschiede

• Hydraulik: Im industriellen Sprachgebrauch ist damit fast immer Ölhydraulik gemeint, mit typischen Betriebsdrücken zwischen 100 und 350 bar in Industrieanlagen und mobilen Maschinen. Das Öl überträgt die Leistung und schmiert und kühlt gleichzeitig die Komponenten.
• Pneumatik: arbeitet mit Druckluft, üblicherweise zwischen 6 und 10 bar. Luft ist kompressibel: Pneumatik ist sauber, schnell und günstig, erzeugt aber deutlich kleinere Kräfte und positioniert weniger steif. Wo Kraft, Genauigkeit unter Last oder das Halten einer Position gefragt sind, kommt die Hydraulik zum Einsatz.

Wie eine Hydraulikanlage funktioniert

Jede Hydraulikanlage führt eine doppelte Energieumwandlung durch: von mechanisch zu hydraulisch und wieder von hydraulisch zu mechanisch. Der Weg ist immer derselbe:

• Antriebsmaschine: ein Elektro- oder Verbrennungsmotor treibt die Pumpe an
• Pumpe: saugt das Öl aus dem Behälter an und fördert es in den Kreislauf, sie erzeugt den Volumenstrom
• Ventile: regeln Druck, Volumenstrom und Richtung
• Antriebe: Hydraulikzylinder und Hydraulikmotoren, die die Energie der Flüssigkeit in Kraft oder Drehmoment umsetzen
• Rücklauf: das Öl fließt über die Filter und, falls vorhanden, über den Wärmetauscher in den Behälter zurück

Ein Punkt, den wir in der Werkstatt oft erklären: Die Pumpe erzeugt Volumenstrom, nicht Druck. Der Druck entsteht aus dem Widerstand, auf den das Öl trifft, also aus der zu bewegenden Last. Eine Pumpe, die frei in den Behälter fördert, arbeitet fast drucklos; dieselbe Pumpe, die einen belasteten Zylinder bewegt, steigt bis zur Einstellung des Druckbegrenzungsventils. Deshalb ist bei einer Anlage, die „keinen Druck hat“, die Pumpe nur einer der Verdächtigen: oft ist die Ursache ein Ventil, das in den Tank entlastet, oder eine innere Leckage.

Die Komponenten eines Hydraulikkreislaufs

• Pumpen: Zahnradpumpen, Flügelzellenpumpen oder Kolbenpumpen in Axial- und Radialbauweise; mit konstantem oder verstellbarem Fördervolumen, wenn der Volumenstrom dem Bedarf der Last folgen muss
• Linearantriebe: Hydraulikzylinder, einfach- oder doppeltwirkend
• Drehantriebe: Hydraulikmotoren in Zahnrad-, Orbit-, Axialkolben- und Radialkolbenbauweise, bis zu den langsam laufenden Motoren mit hohem Drehmoment für Winden und Mühlen
• Ventile: Druckventile (Druckbegrenzungs-, Druckminder- und Zuschaltventile), Stromventile, Wegeventile, bis zu Proportional- und Servoventilen für die präzise elektronische Regelung
• Behälter: nimmt das Öl auf, lässt es beruhigen, scheidet Luft ab und trägt zur Wärmeabfuhr bei
• Filter, Speicher und Wärmetauscher: halten das Öl sauber, speichern Energie und dämpfen Druckspitzen, regeln die Temperatur (Filtration und Fluidaufbereitung)
• Leitungen, Verschraubungen und Messtechnik: verbinden die Komponenten und erfassen Druck, Temperatur und Füllstand

Sind Motor, Pumpe, Behälter, Filter und Hauptventile zu einer Einheit zusammengefasst, spricht man von einem Hydraulikaggregat: dem Herz der Anlage, während die Antriebe an der Maschine sitzen.

Der Hydraulikschaltplan

Hydraulikanlagen werden mit einem Hydraulikschaltplan geplant und dokumentiert, der die genormten Schaltzeichen nach ISO 1219 verwendet: Jede Komponente hat ihr Symbol, und wer die Symbole lesen kann, versteht die Funktion des Kreislaufs, ohne die Maschine zu sehen.

Der einfachste Kreislauf, den jeder zuerst lernt, besteht aus einer Pumpe, die aus dem Behälter ansaugt, einem Druckbegrenzungsventil als Überlastschutz, einem 4/3-Wegeventil, das einen doppeltwirkenden Zylinder aus- und einfahren lässt und anhält, und einem Filter in der Rücklaufleitung. Reale Anlagen ergänzen Geschwindigkeitsregelung, Lasthaltung, mehrere gleichzeitige Verbraucher und immer häufiger eine elektronische Steuerung. Der Schaltplan bleibt aber das erste Dokument, das man vor einem Eingriff anfordern sollte: Ohne ihn dauert jede Diagnose länger.

Das Medium: Hydrauliköl

Öl ist nicht nur das Medium, das die Leistung überträgt. Es schmiert bewegte Flächen, führt Wärme ab, schützt vor Korrosion und dichtet Bauteile ab, die mit Spielen von wenigen Mikrometern gepaart sind. Seine Auswahl beginnt bei der Viskosität, angegeben durch die Klasse ISO VG (32, 46 und 68 sind am verbreitetsten), abhängig von Betriebstemperaturen und eingebauten Komponenten.

Sein Zustand entscheidet über die Lebensdauer der Anlage. Verschmutzung durch Partikel, Wasser und Luft ist die häufigste Ursache für Verschleiß und Ausfall hydraulischer Komponenten: Deshalb wird die Ölreinheit mit einer codierten Klasse (ISO 4406) gemessen und mit einer geeigneten Filtration gehalten, nicht nach Augenschein.

Wo Hydraulik eingesetzt wird: Anwendungen

• Industrie: Pressen, Werkzeugmaschinen, Form- und Walzanlagen, Stahlwerkslinien
• Erdbewegung und Landwirtschaft: Bagger, Lader, Krane, Traktoren und Anbaugeräte
• Schifffahrt und Offshore: Winden, Bordkrane, Ruderanlagen, Luken, Stabilisatoren
• Energie: Öl und Gas, Turbinenregelung und Bewegung der Schütze in Wasserkraftwerken
• Bahn: Federungen und Antriebe an Bord, Instandhaltungsfahrzeuge für den Gleisbau

Für jeden dieser Bereiche beschreiben wir Komponenten und Auswahlkriterien auf unseren Branchenseiten.

Vorteile und Grenzen der Hydraulik

Die Vorteile sind der Grund, warum sich die Hydraulik in einer zunehmend elektrischen Welt behauptet: sehr hohe Kräfte und Drehmomente mit kompakten Komponenten, stufenlose Regelung von Geschwindigkeit und Kraft, eingebauter Überlastschutz durch das Druckbegrenzungsventil, die Möglichkeit, eine Last sicher zu halten, und Leistungsübertragung weit weg vom Motor über einfache Leitungen.

Die Grenzen muss man kennen, um Anlagen gut zu planen und zu warten: Ein Teil der Energie wird zu Wärme und muss abgeführt werden, die Komponenten sind empfindlich gegen Verschmutzung, Dichtungen können undicht werden, manche Pumpen sind laut. Heute werden viele dieser Grenzen durch Verstellpumpen, drehzahlvariable Antriebe und elektronische Regelung verringert, die die Anlage nur dann und nur so viel arbeiten lassen wie nötig.

Warum eine Hydraulikanlage ausfällt

In der Werkstatt sehen wir jeden Tag dieselben Ursachen, fast immer in Kombination:

• Verschmutzung: Partikel, die Kolben, Platten und Ventilschieber riefen
• Überhitzung: Öl über der vorgesehenen Temperatur verliert Viskosität, altert und lässt die Flächen ohne Schmierfilm
• Kavitation und Belüftung: Dampf- oder Luftblasen, die implodieren und die Oberflächen erodieren; wir beschreiben sie ausführlich auf unserer Seite zur Reparatur von Hägglunds-Motoren
• Verschleiß und Einstellungen: Spiele, die sich mit den Betriebsstunden vergrößern, falsch eingestellte oder verstellte Ventile

Die Ursache zu erkennen ist entscheidend: Wer eine Pumpe tauscht, ohne zu beseitigen, was sie beschädigt hat, sieht sie nach wenigen Monaten wieder in der Werkstatt. Deshalb wird jede Komponente, die wir reparieren, zerlegt, vermessen und anschließend auf dem Prüfstand getestet, mit gemessenen und nicht geschätzten Werten.

Die wichtigsten Größen

• Druck (bar): bestimmt die verfügbare Kraft oder das Drehmoment
• Volumenstrom (l/min): bestimmt die Geschwindigkeit von Zylinder oder Motor
• Fördervolumen (cm³/U): das Ölvolumen, das eine Pumpe oder ein Motor pro Umdrehung verdrängt
• Hydraulische Leistung: in kW gleich Druck in bar mal Volumenstrom in l/min, geteilt durch 600; 200 bar und 60 l/min entsprechen 20 kW
• Viskosität: der Fließwiderstand des Öls, der sich mit der Temperatur ändert
• Leckage: Öl, das intern zwischen gepaarten Teilen durchtritt; sie nimmt mit dem Verschleiß zu und senkt den Wirkungsgrad

Hydraulik aus Sicht von TFS

Seit 1997 arbeitet TFS in der Industriehydraulik aus der Sicht derer, die Anlagen reparieren, planen und warten: Reparatur und Überholung von Pumpen und Motoren aller Marken, Planung von Hydraulikanlagen und Aggregaten, planmäßige Wartung und Prüfung auf Prüfständen bis 470 bar und 600 l/min. Antworten auf speziellere Fragen haben wir in unseren häufigen Fragen gesammelt.

Beteiligte TFS-Technologien und -Leistungen

• Katalog Hydraulikkomponenten
• Reparatur von Pumpen und Motoren
• Planung von Hydraulikanlagen
• Planmäßige Wartung
• Prüfstand