Verdrängungsvolumen

Das Verdrängungsvolumen, auch als Schluckvolumen oder Hubvolumen bekannt, ist in der Hydraulik ein entscheidender Parameter. Es beschreibt den Volumenanteil einer Flüssigkeit, der von einer hydraulischen Komponente wie einer Pumpe, einem Motor oder einem Zylinder pro Zeiteinheit oder pro Bewegungseinheit verdrängt oder durchströmt wird. Dieses Volumen ist grundlegend für die Bestimmung der Leistungsfähigkeit und des Betriebsverhaltens hydraulischer Systeme.

Grundlagen des Verdrängungsvolumens in der Hydraulik

Das Verdrängungsvolumen ist ein Maß für die Menge an Fluid, die eine Verdrängereinheit pro Arbeitszyklus bewegt. Bei Pumpen und Motoren bezieht sich dies typischerweise auf das Volumen pro Umdrehung der Antriebswelle. Bei Zylindern ist es das Volumen, das pro Hub des Kolbens verdrängt wird. Die Kenntnis des Verdrängungsvolumens ist essenziell, um die Fördermenge einer Pumpe, die Drehzahl eines Motors oder die Geschwindigkeit eines Zylinders zu berechnen.

Definition und Einheiten

Das Verdrängungsvolumen wird in der Regel in Kubikzentimetern pro Umdrehung (cm³/rev) oder Kubikmetern pro Sekunde (m³/s) angegeben. Diese Einheiten verdeutlichen den Bezug zur Bewegung der Komponente.

Geometrisches Verdrängungsvolumen

Das geometrische Verdrängungsvolumen ist ein theoretischer Wert, der sich ausschließlich aus den Konstruktionsmaßen einer Komponente ergibt. Bei einem Hydraulikzylinder berechnet man es aus der Kolbenfläche multipliziert mit der Hublänge. Bei Pumpen und Motoren ergibt es sich aus den Abmessungen der Verdrängerelemente, wie Zahnrädern, Flügeln oder Kolben. Dieser Wert berücksichtigt keine internen Leckagen oder Kompressibilitätseffekte des Fluids.

Theoretisches und effektives Verdrängungsvolumen

Das theoretische Verdrängungsvolumen ist oft etwas größer als das geometrische Verdrängungsvolumen, da es die idealen Bedingungen ohne Verluste annimmt. Das effektive Verdrängungsvolumen hingegen ist der tatsächlich gemessene Wert. Es berücksichtigt interne Leckagen und die Kompressibilität des Hydraulikfluids. Bei Pumpen ist das effektive Verdrängungsvolumen der Quotient aus dem tatsächlichen Förderstrom und der Drehzahl.

Bedeutung des Verdrängungsvolumens für hydraulische Komponenten

Das Verdrängungsvolumen beeinflusst maßgeblich die Leistungsparameter von Hydraulikpumpen, -motoren und -zylindern.

Hydraulikpumpen

Bei Hydraulikpumpen bestimmt das Verdrängungsvolumen in Verbindung mit der Drehzahl den theoretischen Förderstrom. Eine Pumpe mit einem größeren Verdrängungsvolumen fördert bei gleicher Drehzahl eine größere Menge Fluid. Dies ist entscheidend für die Geschwindigkeit, mit der ein Aktuator bewegt werden kann.

Hydraulikmotoren

Für Hydraulikmotoren ist das Verdrängungsvolumen ein Indikator für das Drehmoment, das der Motor bei einem bestimmten Druck aufbringen kann. Ein Motor mit einem größeren Verdrängungsvolumen erzeugt bei gleichem Druck ein höheres Drehmoment, benötigt aber auch einen größeren Volumenstrom, um eine bestimmte Drehzahl zu erreichen.

Hydraulikzylinder

Bei Hydraulikzylindern ist das Verdrängungsvolumen direkt proportional zur Kolbenfläche und dem Hub. Es bestimmt, wie viel Fluid benötigt wird, um den Kolben über eine bestimmte Strecke zu bewegen. Dies ist relevant für die Berechnung der Zylindergeschwindigkeit und des Fluidverbrauchs.

Berechnung des Verdrängungsvolumens

Die Berechnung des Verdrängungsvolumens hängt von der Art der hydraulischen Komponente ab.

Für Hydraulikzylinder

Die grundlegende Formel für das Verdrängungsvolumen eines einfachwirkenden Hydraulikzylinders lautet:

V = A * H 

Dabei ist:

  • V = das Verdrängungsvolumen
  • A = die Kolbenfläche
  • H = die Hublänge

Bei doppeltwirkenden Zylindern muss man das Volumen für die Kolbenstangen-Seite separat berechnen, da die wirksame Fläche durch die Kolbenstange reduziert wird.

Für Hydraulikpumpen und -motoren

Bei Verdrängerpumpen und -motoren ist das Verdrängungsvolumen das Volumen, das pro Umdrehung der Antriebswelle verdrängt wird. Bei Verstellpumpen und -motoren kann das Verdrängungsvolumen variabel eingestellt werden. Dies wird oft durch einen Verstellwinkel oder eine Volumeneinstellung (α) ausgedrückt:

Vi = α * V{i,max}

Dabei ist:

  • Vi = Das aktuelle Verdrängungsvolumen
  • α = Der Verstellfaktor (zwischen 0 und 1)
  • V{i,max} = Das maximale Verdrängungsvolumen

Einflussfaktoren und praktische Anwendungen

Das Verdrängungsvolumen ist nicht nur eine theoretische Größe, sondern hat direkte Auswirkungen auf die Auslegung und den Betrieb hydraulischer Anlagen.

Kompressibilität des Fluids

Hydraulikflüssigkeiten sind zwar nahezu inkompressibel, aber unter hohem Druck kann es zu einer geringen Volumenreduzierung kommen. Dieses zusätzliche Volumen, das in das unter Druck stehende Fluid hineingepresst wird, muss die Druckquelle bei jedem Zuschalten des Antriebs bereitstellen. Bei Anlagen mit vielen Antrieben und großen Volumina kann dieser Kompressionsvolumenstrom nicht vernachlässigt werden.

Leckagen

Interne Leckagen in Pumpen, Motoren und Zylindern führen dazu, dass das effektive Verdrängungsvolumen geringer ist als das geometrische. Diese Leckagen sind ein wichtiger Faktor für den Wirkungsgrad hydraulischer Komponenten.

Systemauslegung

Bei der Auslegung hydraulischer Systeme ist das Verdrängungsvolumen entscheidend für die Auswahl der richtigen Komponenten. Es beeinflusst die erreichbaren Geschwindigkeiten, Kräfte und Drehmomente sowie den Energieverbrauch des Systems. Eine präzise Abstimmung des Verdrängungsvolumens der Pumpe auf den Bedarf der Aktuatoren ist für einen effizienten Betrieb unerlässlich.

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