Hydraulique

1. Grundlagen / principe de base

1. Grundlagen / principes de base 1.1 Allgemeines / généralités Die Fluidtechnik ist ein relativ junger Bereich der Antriebstechnik, die sich an den Marktbedürfnissen anpasst. Hydraulische Antriebe, Steuerungen und Regelungen haben in der Automatisierung eine weitreichende Bedeutung erlangt. Viele automatisierte Produktionsvorgänge sind ohne die Verwendung hydraulischer Komponenten und Anlagen kaum noch denkbar. Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten sind aber noch nicht ausgeschöpft (Siehe DIN ISO 1219, Teil 1). Das Fachgebiet Hydraulik ist eigentlich ein Teilgebiet der Hydromechanik, welches die Hydrostatik und die Hydrodynamik umfasst. Ursprünglich wurden unter dem Begriff Hydraulik alle hydrostatischen und hydro-dynamischen Strömungs-, Kraft- und Bewegungsvorgänge aufgeführt, die mit dem Übertragungsmedium Wasser arbeiten (griechisch: hydor = das Wasser). Erst im Laufe der Entwicklung kamen zunehmend andere, überwiegend selbstschmierende Flüssigkeiten als Übertragungsmedien zum Einsatz.

La technique des fluides constitue un développement relativement récent de la technique d'entraînement, qui s'adapte aux besoins du marché. Entraînements, commandes et régulations hydrauliques ont pris une importance considérable en automatisation. De nombreux procédés automatisés de fabrication ne peuvent guère se concevoir sans l'utilisation de composants et d'installations hydrauliques. L'éventail des multiples applications possibles est toutefois loin d'être épuisé (Norme DIN ISO 1219, partie 1). En principe la discipline Hydraulique est une partie de l’hydromécanique, qui comprend l’hydrostatique et l’hydrodynamique. D’abord, l’hydraulique désignait toutes les applications de l’eau qui avaient eu pour but d’engendrer, de transformer ou transmettre de l’énergie ou de la force (grecque: hydor = l’eau). Seulement plus tard, dans le cours du développement, on utilisait des liquides autolubrifiants comme fluides de transmission.

1.2 Hydromechanik / hydromécanique 1.2.1 Hydrostatik / hydrostatique : In der Physik kennt man den hydrostatischen Druck. Es ist der Druck, der auf die Bodenfläche eines offenen mit Flüssigkeit gefüllten Gefässes wirkt und von der Höhe der im Gefäss vorhandenen Flüssigkeit abhängt. Dabei gilt das hydrostatische Paradoxon, das besagt, dass die Form des Gefässes keine Rolle spielt, nur der Flüssigkeitsstand ist für die Höhe des Druckes bestimmend. Das heisst aber auch, dass der Druck im Gefäss unten höher ist als an der Oberfläche.

On connaît en physique la pression hydrostatique. Il s'agit de la pression agissant sur le fond d'un récipient ouvert, rempli de liquide, et qui est fonction de la hauteur du liquide dans ce récipient. A ce propos s'applique ce qu'on appelle le paradoxe hydraulique qui dit que la forme du récipient ne joue aucun rôle, et que seule la hauteur de liquide est déterminante pour la pression. Mais ceci veut également dire que la pression au fond du récipient est supérieure à celle de la surface.

Zu beachten ist, dass bei der Statik ein Gleichgewicht der Kräfte herrscht, analog trifft das auch für die Hydrostatik zu. Am Boden eines Gefässes, am Meeresgrund oder bei einer bestimmten Höhe der Messstelle führt der dort herrschende Druck zu keiner Veränderung

On observe qu'en statique, il y a équilibre des forces, ce qui s'applique aussi à l'hydrostatique. Au fond d'un récipient ou au fond de la mer, ou encore dans le cas d'une mesure effectuée à une certaine altitude, la pression en ce point ne provoque aucune modification

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1.1

Hydraulique der bestehenden Verhältnisse. In der Fluidtechnik sperrt man nun die Flüssigkeit in einen geschlossenen Raum ein, beispielsweise in einen Hydrozylinder und arbeitet mit sehr viel höheren Drücken als dies bei üblichen Flüssigkeitshöhen im Schwerfeld der Erde der Fall ist. Den Druck erzeugt man mit geeigneten technischen Mitteln, beispielsweise Hydropumpen. Die Flüssigkeit wird in den geschlossenen Raum mit einem von der Hydropumpe erzeugten Druck gepumpt und dieser Druck setzt sich dann in diesem Gefäss nach allen Seiten gleichmässig fort. Diese Tatsache macht man sich zu Nutze, indem man den "Boden" des Gefässes beweglich macht. Er weicht aus und unter der Voraussetzung, dass die Hydropumpe weiterhin Flüssigkeit unter Druck nachspeist, wird dabei eine Flüssigkeitssäule bewegt. Da es in den Anlagen, in denen die "hydrostatischen Verhältnisse" überwiegen, auf die Übertragung des Druckes ankommt, arbeiten diese Anlagen mit relativ hohen Drücken (bis 450 bar) und niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten (< 15 m/s), um die Auswirkungen der Hydrokinetik möglichst gering zu halten.

1. Grundlagen / principe de base des conditions existantes. Si on enferme maintenant le liquide dans une enceinte close, comme c'est par exemple le cas en transmission hydraulique et pneumatique dans un vérin hydraulique, et qu'on travaille à des pressions beaucoup plus élevées que celles existant dans le champ de gravité terrestre, on crée ces pressions avec des moyens techniques appropriés tels que des pompes hydrauliques. Cette dernière refoule le liquide dans l'enceinte fermée à une pression qui s'applique uniformément sur toutes les faces intérieures du récipient. On utilise cet état de choses en rendant mobile le "fond" du récipient, qui se déplace à condition que la pompe hydraulique continue à refouler du liquide sous pression, ce qui se traduit par une colonne de liquide en mouvement. Etant donné que ces installations, dans lesquelles les "conditions hydrostatiques" prédominent, sont censées transmettre la pression, elles fonctionnent à des pressions relativement élevées (jusqu’à 450 bar) et des vitesses d'écoulement relativement basses (< 15 m/s), afin de maintenir les effets de l'hydrocinétique à un niveau aussi faible que possible.

1.2.2 Hydrokinetik / Hydrocinétique : Es sind dies die sogenannten "hydrodynamischen Getriebe", die man korrekt mit "hydrokinetischen Getrieben" bezeichnen sollte. In dieser Getriebeart gelten umgekehrt, wie in der Fluidtechnik, nicht nur die Gesetze der Hydrokinetik, sondern auch diejenigen der Hydrostatik, nur überwiegen die Wirkungen der Hydrokinetik.

Ce sont ce qu'on appelle communément les "transmissions hydrodynamiques" qu'on devrait correctement désigner par le terme de "transmissions hydrocinétiques". Dans ce type de transmissions s'appliquent, à l'inverse de la technique des fluides, non seulement les lois de l'hydrocinétique, mais aussi celles de l'hydrostatique, les premières étant alors prédominantes.

Die heute noch so bezeichneten "hydrodynamischen Getriebe" arbeiten mit hohen Les transmissions, encore aujourd'hui dites Strömungsgeschwindigkeiten (bis ca. 40 m/s) und relativ "hydrodynamiques", fonctionnent à des vitesses niederen Drücken (< 30 bar). d'écoulement élevées (jusqu’à 40m/s) et à des pressions relativement faibles (< 30 bar).

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1.2

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1.3 Energieübertragung / transmission de l’énergie : 1.3.1 Form der Energieübertragung / forme de transmission d’énergie : Hydraulik

Pneumatik

Elektrik

Mechanik

Energiequelle (Antrieb)

E-Motor, Verbrennungsmotor, Hydrospeicher

E-Motor, Verbrennungsmot., Druckbehälter

Netz, Batterie

Energieübertragungselemente Energieträger

Rohr- und Schlauchleitungen Flüssigkeiten

Rohr- und Schlauchleitungen Luft

Elektrokabel, Magnetfeld Elektronen

Kraftdichte (Leistungsdichte)

gross, hohe Drücke, grosse Kräfte, kleines Bauvolumen

relativ klein, niedrige Drücke

klein, Verhältniss der Leistungsdichten EMotor / Hydromotor 1 : 10

Stufenlose Ansteuerung (Beschleunigung,Verzögerung)

sehr gut durch Druck und Volumenstrom

gut durch Druck und Volumenstrom

Bewegungsarten der Abtriebe

Linear- und Rotationsbewegungen durch Hydrozylinder und Hydromotor einfach realisierbar

Linear- und Rotationsbewegungen durch Pneumatikzylinder und Pneumatikmotor einfach realisierbar

gut bis sehr gut elektrische Steuerung und Regelung Primär Rotationsbewegung, Linearbewegung: Magnet → kleine Kräfte → kleine Hübe ev. Linearmotor

E-Motor, Verbrennungsmotor, Gewichtskraft, Spannkraft (Feder) Mechanische Teile, Hebel, Wellen etc. starre und elastische Körper gross, Umfang und Aufteilung des nötigen Bauvolumens oft ungünstiger als bei Hydraulik gut

Hydraulique

Pneumatique

Electricité

Mécanique

moteur électrique / moteur à combustion interne / accumulateur hydraulique tuyauteries rigides et flexibles liquides

moteur électrique / moteur à combustion interne / réservoir sous pression tuyauteries rigides et flexibles air

Secteur / piles

Densité des forces (densité de puissance)

importante, pressions élevées, forces importantes, faible encombrement

relativement faible, pressions faibles

Possibilités d'action en continu (accélération, décélération) Types de mouvements des entraînements

excellente par pression et débit

bonne par pression et débit

mouvements linéaires et rotatifs facilement réalisables, respectivement par vérin hydraulique et moteur hydraulique

mouvements linéaires et rotatifs facilement réalisables, respectivement par vérin pneumatique et moteur pneumatique

faible, rapport des densités de puissance moteur électrique / moteur hydraulique 1 : 10 bonne à très bonne commande et régulation élect. essentiellement mouvements rotatifs, mouvements linéaires: solénoïde → faible forces → course limitée evtl. mot. linéaire

moteur électrique / moteur à combustion interne / gravité / force élastique (ressort) Pièces mécaniques, leviers, arbres, etc. corps rigides et élastiques importante, emprise et distribution de l’encombrement requis souvent plus défavorables qu'en Hydraulique bonne

Source d'énergie (entraînement)

Eléments de transmission de l'énergie Supports énergétiques

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câbles électriques, champ magnétique électrons

Linear- und Rotationsbewegungen

mouvements linéaires et rotatifs

1.3

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1.3.1 Vergleich Dieselmotor-Hydromotor / comparaison moteur Diesel - moteur hydraulique

Poids

Einbauraum / Volume

Massenträgheitsmoment / inertie

1.3.2 Anwendungsbeispiele / exemples d’applications

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1.4

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1.4 Grössen, Formelzeichen und Einheiten / Grandeur, formulaire et unités 1.4.1 SI, nicht SI Einheiten / Unités SI - non SI •

Vitesse (v) (Geschwindigkeit)

•

Débit volumique (qv, Q, V ) (Volumenstrom)

v =1

m m = 60 s min

.

SI:

nicht SI, aber häufiger / pas SI, mais souvent utilisé: [qv] =

•

qv =

m3 s

L m3 L , 1 ( L = Liter-Litres) = 60000 min s min

Vitesse angulaire (ω) (Winkelgeschwindigkeit) - nombre de tours (Drehzahl) (n) SI:

ω=

rad 1 = s s

nicht SI: ω = RPM ,

2π min

1RPM =

R(ounds) P(er) (M)inute

1 1 (leider manchmal auch [n] = !!!) min s Im Prinzip ist n aber eine Frequenz und somit ist ω = 2 * π * n

[n] =

•

Densité - masse volumique (Dichte)

[ρ ] =

•

Pression (p) (Druck)

SI:

kg , m3

Travail (W) (Arbeit)

SI:

L

[ p ] = Pa =

nicht SI:

•

[ρ ] = kg =

kg dm 3

N kg = 2 m m * s2

[ p ] = bar

,

1bar = 10 5 Pa ,

p = mmWS

1mmWS = ρH 2 O * g * 1mm

p = mmHg

1mmHg = ρHg * g *1mm

[W ] = J = W * s = N * m =

kg * m 2 s2

Nicht SI: [W ] = kWh, 1kWh = 1000W *1h = 1000W * 3600s = 3,6 *10 6 J [email protected], 16.09.11

1.5

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1.4.2 Analogie Translation - Rotation

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1.6

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1.5 Uebungen / exercices: 1)

P = ? [Pa]

F := 10000N D1 := 0.02m D2 := 0.04m 2

A1 := π ⋅

P :=

2)

D1 4

F

7

P = 3.183 × 10 Pa

A1

Einheiten / Unités: 6

2500RPM = 261.799

12bar = 1.2 × 10 Pa 6

-1 -2

12bar = 1.2 × 10 kg ⋅ m ⋅ s

14

3)

m

3

s

5 L

= 8.4 × 10

2000 J = 2 × 10

3

5

rad s

mN

2 -3

105kW = 1.05 × 10 kg ⋅ m ⋅ s

min

Hydraulik Druckuebersetzer / Transformateur de pression: A1 := 9cm

2

A2 := 6.3cm

2

P2 = [bar] ?

P1 := 50bar

P2 :=

P1

P2

P1 ⋅ A1 A2

P2 = 71.429bar

4)

Was ist des Unterschied zwischen Hydrostatik und Hydrodynamik / Quelle est la différence entre Hydrostatique et Hydrodynamique ?

5)

Welche hat die grösste Bodenkraft / Quel tube donne la plus grande force au sol ?

A1 = A2 = A3

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1.7