Hydrauliek

Onderwerpen:

  • Inleiding
  • Druk in een hydraulisch systeem
  • Pomp
  • Overdrukventiel
  • Stuurschuif
  • Cilinder
  • Schema 1 (stuurschuif in neutrale positie)
  • Schema 2 (stuurschuif in linker positie)
  • Schema 3 (stuurschuif in rechter positie)

Inleiding:
Bij hydrauliek worden krachten gecontroleerd overgebracht door middel van vloeistoffen. Niet alleen in de motorvoertuigentechniek, maar ook in de aandrijf- besturings- en regeltechniek in werktuigbouwkunde, vliertuig- en ruimtevaart, scheepsbouw, grondverzet- en wegenbouw en landbouw wordt gebruik gemaakt van hydraulische systemen. Op deze pagina worden de basisprincipes van hydraulische systemen beschreven. Door middel van hydrauliek-schema’s en berekeningen wordt de regeltechniek inzichtelijk gemaakt.

Klik hier om de hydraulische symbolenlijst te openen.

Druk in een hydraulisch systeem:
Hydraulische systemen werken volgens de wetten van hydrostatica. De Wet van Pascal luidt: “De druk in een gecomprimeerde, in rust zijnde vloeistof, plant zich in een gesloten systeem in alle richtingen gelijkmatig voort”.

De volgende animatie toont het principe van een hydraulisch systeem met twee zuigers, leidingen met een drukmeter en olie (blauw gekleurd).

De linker zuiger wordt met een bepaalde kracht (F1) naar beneden geduwd. Ten gevolge van de vloeistofverplaatsing in de linker zuiger, wordt de rechter zuiger met de kracht (F2) omhoog gedrukt. De diameters van beide cilinders zijn hetzelfde. In deze paragraaf gaan we de drukken en krachten in twee hydraulische systemen berekenen.

Om de kracht F2 te berekenen, moeten we eerst het gewicht (kg) en de zwaartekrachtversnelling (m/s²) achterhalen. Het gewicht van de fictieve BMW is 1000 kg. De versnelling ronden we af op 10. Met die gegevens vullen we de formule in om de benodigde kracht te berekenen:

Met de volgende formule kan de druk berekenen welke door de manometer wordt aangegeven:

Waarbij:

  • P = druk in Pa (Pascal)
  • F = kracht in N (Newton)
  • A = oppervlak in m²

We vullen de formule in om de vloeistofdruk onder de beide zuigers te berekenen.

Een geheugensteuntje:

  • 1 kPa (kilopascal) = 1.000 Pa;
  • 1 MPa (megapascal) = 1.000.000 Pa;
  • 1 bar = 100.000 Pa = 100.000 N/cm²

Een druk van 10.000.000 Pa is dus gelijk aan 100 bar.

In de volgende animatie is de diameter van de rechter zuiger vertienvoudigd. De druk onder de rechter zuiger berekenen we met het oppervlak (A2) van 100 cm².

De vloeistofdruk in het gehele systeem is hetzelfde. De druk vullen we in de volgende formules in:

De formules tonen aan dat de auto van 1000 kg kan worden opgetild met een kracht (F1) op de linker zuiger van 100 kg. De afstand die de linker zuiger aflegt is in verhouding tien keer groter dan van de rechter zuiger.

We kunnen met het invullen van de volgende vergelijking aantonen dat de druk in het gehele systeem gelijk is:

Pomp:
De vloeistofpomp (de cirkel met het zwarte omhoog gerichte pijltje erin) wordt in de afbeelding aangedreven door een elektromotor (de cirkel met de M erin). De pomp verplaatst de vloeistof vanuit het carter (de bak die aan de onderzijde staat afgebeeld) naar de P-aansluiting (bovenin). Op de P-aansluiting wordt de leiding van het systeem aangesloten. Ook zijn de manometer te zien (links bovenin) en het overdrukventiel (onderin). Het overdrukventiel opent bij een vooraf ingestelde druk.

De vloeistofpomp, elektromotor, manometer en het overdrukventiel bevinden zich in de zogenaamde “pompunit”.

De verklaring van de symbolen kun je terugvinden op de hydraulische symbolenlijst.

Overdrukventiel:
Zowel in de pompunit als in het hydraulische systeem zijn er overdrukventielen toegepast. Elk overdrukventiel is ingesteld op een bepaalde druk. Zodra deze druk in het systeem bereikt wordt, zal het overdrukventiel openen. De zwarte pijl zal door de rode vloeistofstroom tegen de veerkracht in omlaag gedrukt worden. Wanneer de pijl een verbinding maakt met de blauwe lijn, zal er een vloeistofstroom van rood (druk) naar blauw (retour) lopen. Op dat moment is de ingestelde druk bereikt en zal de druk in het systeem niet meer hoger oplopen.

Voorbeeld:
Het overdrukventiel is ingesteld op 100 bar. De druk in het systeem is 90 bar.
De zwarte pijl zal nu niet ver genoeg naar beneden gedrukt worden, dus het ventiel blijft gesloten. Zodra de druk in het systeem de 100 bar bereikt heeft, maakt de pijl de verbinding tussen de druk- en retourleiding. De druk in het systeem is dan maximaal 100 bar en deze kan niet hoger worden. Als de veerspanning verhoogt wordt, zal de maximale druk dus hoger worden. Ondeskundig verhogen van de druk kan dus ook defecten aan het hydraulische systeem veroorzaken.

Stuurschuif:
Omdat een cilinder verschillende bewegingen moet maken, moeten de toevoer en de afvoer van de olie kunnen worden geregeld. Dit gebeurt met een stuurschuif. In de volgende afbeelding zijn drie situaties te zien in welke standen de 4/3 stuurschuif kan worden ingesteld. (4/3 betekent: 4 aansluitingen, 3 standen. Later meer over de verschillende stuurschuiven).

  • A: Neutrale positie. De vloeistof vanaf de pomp gaat direct naar de retour.
  • B: Positie 1. De pomp levert vloeistof naar de linker leiding. De vloeistof gaat retour via de rechter leiding.
  • C: Positie 2. De pomp levert vloeistof naar de rechter leiding. De vloeistof gaat retour via de linker leiding.

Cilinder:
Een hydraulische cilinder bestaat uit een behuizing met daarin een zuiger en zuigerstang. De werking berust op de reeds beschreven Wet van Pascal. De hydraulische vloeistof wordt aan één zijde in de cilinder gepompt, waardoor de zuiger een rechtlijnige beweging maakt. Met de hydraulische cilinder kunnen zeer hoge krachten worden overgebracht. De volgende afbeelding toont de drie situaties van een dubbelwerkende cilinder:

  • A: de zuiger met de zuigerstang bevinden zich in de meest linkse positie. 
  • B: via de linker aansluiting van de cilinder wordt hydrauliekvloeistof toegevoerd. De vloeistof drukt de zuiger naar rechts. De vloeistof die zich aan de rechterzijde van de zuiger bevindt, wordt via de rechter aansluiting de cilinder afgevoerd.
  • C: de zuiger staat in de meest rechtse positie.

Aan de kant van de zuigerstang (rechts in de bovenstaande afbeelding) is het oppervlak waar de hydrauliekvloeistof tegen de zuiger drukt kleiner.

De volgende afbeelding toont het mechanisme van een graafmachine. De combinatie van scharnieren, hefbomen en afzonderlijk bedienbare hydraulische cilinders zorgt ervoor dat de graafbak zeer wendbaar is. De cilinders zijn van het type dubbelwerkend: door de vloeistofrichting van en naar de cilinder te veranderen, beweegt de zuiger de andere kant op.

Naast de dubbelwerkende cilinders bestaan er ook:

  • Enkelwerkende cilinder: dit type cilinder bevat één hydraulische aansluiting. Een veer achter de zuiger zorgt voor de teruggaande slag.
  • Cilinder met hydraulische buffering: hierbij wordt de zuigerbeweging aan het einde van de slag afgeremd.
  • Telescoopcilinder: een aantal in elkaar geschoven cilinders realiseren bij het uitschuiven een grote werklengte. Bij ingeschoven toestand is de inbouwruimte, dankzij de telescoop-uitvoering, relatief klein.

Schema 1 (stuurschuif in neutrale positie):
De eerder genoemde componenten worden nu gebruikt in de volgende drie schema’s.
De werking van de componenten wordt op deze manier meer verduidelijkt.
De vloeistofpomp levert een vloeistofstroom naar de aansluiting ”P” van de stuurschuif.
Omdat de stuurschuif in de middelste positie staat, zal de vloeistof via de retouraansluiting “T” terugstromen naar de retour. Er wordt op deze manier dus geen druk opgebouwd, dus het overdrukventiel in de pomp-tankunit opent in deze situatie niet.

Schema 2 (stuurschuif in linker positie):
De stuurschuif wordt in de linker positie gezet. De vloeistof kan nu naar de linker zijde van de cilinder stromen (rood). Omdat de rechter kant van de cilinder ook gevuld is met olie (blauw) moet deze naar de retour worden afgevoerd. De stuurschuif verbindt de rechter kant van de cilinder met de retour, dus de zuiger kan nu naar rechts bewegen. De zuigerstang, welke vaak een component aanstuurt of laat bewegen zoals een laadklep, beweegt dus ook naar rechts. Tijdens de uitgaande beweging zal de snelheid van de zuiger afhankelijk zijn van de pompopbrengst (de grootte van de pomp en de snelheid waarmee deze draait). Zodra de zuiger zijn uiterste stand heeft bereikt, kan de vloeistof nergens meer heen. De pomp blijft werken, dus de vloeistofdruk moet worden begrensd.
Het overdrukventiel opent op dit moment, zodat de vloeistof die verpompt wordt direct naar de retour wordt gelaten.

Schema 3 (stuurschuif in rechter positie):
In deze situatie staat de zuiger in de uiterst rechter positie. De stuurschuif wordt op de rechter positie gezet, dus de pomp levert nu vloeistof aan de rechter kant van de cilinder. De linker kant van de cilinder wordt nu verbonden met de retour, zodat de “blauwe” olie naar de retour geperst wordt. De zuiger zal nu naar links bewegen totdat deze zijn uiterste stand bereikt heeft, of totdat de stuurschuif in de middelste stand wordt gezet.

Deze pagina wordt in de toekomst uitgebreid met meerdere componenten, schema’s en berekeningen….

Gerelateerde pagina: