Druckübersetzung
Die Hydraulik ist die Lehre von der Übertragung von Kräften durch Flüssigkeiten. Hydraulische Systeme machen sich eine besondere Eigenschaft von Flüssigkeiten zu Nutze: Fluide lassen sich nicht zusammen pressen. Sie übertragen einen aufgebauten Druck gleichmäßig durch das gesamte System. Doch mit Hydraulik lässt sich nicht nur eine Kraft verteilen und übertragen. Das Besondere an der Hydraulik ist, dass sich mit ihr besonders einfach große Kräfte erzeugen lassen. Ermöglicht wird dies durch das Phänomen der Druckübersetzung.Die Druckübersetzung bei kommunizierenden Zylindern
Ein einfaches hydraulisches System besteht aus einem geschlossenem Behälter, an dem zwei Hydraulikzylinder angeschlossen sind. Fährt ein Zylinder in den Behälter hinein, drückt der hydraulische Druck den anderen Zylinder aus dem Behälter hinaus. Das verdrängte Volumen bleibt dabei aber immer gleich: Der ausfahrende Zylinder fährt genau so weit aus, wie der einfahrende Zylinder an Volumen im Behälter verdrängt. Der Trick besteht in der Druckübersetzung nun darin, dass man zwei Zylinder mit unterschiedlichem Querschnitt verwendet. Ein kleiner Zylinder benötigt nur wenig Kraft, um tief in einen hydraulischen Behälter hinein zu fahren. Dabei drückt er einen Arbeitszylinder mit viel Kraft heraus - jedoch mit nur wenig Hub. Wenn es aber um den Aufbau von großen Kräften geht, spielt die Hubhöhe pro Pumptakt keine Rolle. Es kommt nur darauf an, dass das Ziel der Pumpleistung erreicht wird.
Praktisches Beispiel einer Druckübersetzung: Der Hubwagen
Ein Palettenhubwagen ist ein klassisches hydraulisches System in einer praktischen Anwendung: Der Griff dient als Hebel, der auf eine kleine hydraulische Pumpe wirkt. Der Zylinder, an welchem der Hebel wirkt, hat einen schmalen Querschnitt. Der Arbeitszylinder hat hingegen einen wesentlich breiten Querschnitt. Drückt man den schmalen Zylinder tief in den hydraulischen Tank hinein, fährt der Arbeitszylinder geringfügig heraus. Durch ein System von Rückschlagventilen kann der kleine Zylinder wieder heraus gezogen werden, ohne dass aufgebaute Druck verloren geht. So kann mit wenig Kraft und mehrmaligem Pumpen eine tonnenschwere Last angehoben werden. Zum Absetzen der Last zieht man einfach an einem kleinen Hebel. Dieser öffnet das Rückschlagventil. Die Hydraulikflüssigkeit fließt wieder zurück in den Pumptank vom Wirkzylinder und das System wird drucklos.
Exponentielle Proportionalität bei Druckübersetzungen
Die Druckübersetzung ist nicht linear proportional, sondern exponentiell. Zylinder haben grundsätzlich eine kreisförmige Grundfläche. Die Formel für die Berechnung eines Kreises ist Pi mal Radius zum Quadrat. Verdoppelt man den Radius, vervierfacht man damit die Kreisfläche - und damit die Steigerung des Drucks im hydraulischen System. Bei einem dreifachen Durchmesser erhält man bereits den neunfachen Druck und so weiter. An der Arbeit an sich ändert dies aber nichts: Der Arbeitszylinder fährt zwar aus - je größer der Unterschied zwischen Wirk- und Arbeitszylinder ist, desto langsamer wird der Hub.
Stabilität und Dichtheit als Voraussetzung für Druckübersetzungen
Hydraulische Systeme sind besonders anspruchsvoll, wenn es um die Stabilität der aller Druck führenden Systeme und die Dichtungen geht. Innerhalb hydraulischer Leitungen können Drücke von mehreren hundert Bar entstehen. Diese sicher abzufangen ist stets eine besonders hohe konstruktive Herausforderung bei der Druckübersetzung.