Geschlossener hydraulischer Kreis

Ein geschlossener hydraulischer Kreis ist ein Kreislaufführungskonzept in der Hydraulik, bei dem die Hydraulikflüssigkeit direkt zwischen Pumpe und Verbraucher zirkuliert, ohne einen drucklosen Tank zu durchlaufen. Die Rücklaufleitung des Motors ist mit der Saugseite der Pumpe verbunden, wodurch ein in sich geschlossener Fluidkreis entsteht. Geschlossene hydraulische Kreise kommen vor allem dort zum Einsatz, wo hohe Dynamik, kompakte Bauweise und stufenlose Reversierbarkeit gefordert sind.

Grundlagen und Funktionsweise des geschlossenen hydraulischen Kreises

Der geschlossene hydraulische Kreis unterscheidet sich grundlegend vom offenen Kreislauf durch die Art der Fluidführung. Statt das Öl nach jedem Arbeitstakt in einen Behälter abzuleiten, führt die Niederdruckleitung das Fluid unmittelbar zur Ansaugseite der Pumpe zurück. Das System arbeitet als in sich geschlossener Kreis, in dem das Hydrauliköl kontinuierlich zwischen Pumpe und Motor hin und her strömt. Die Drehrichtung und Drehzahl des Verbrauchers lassen sich allein über die Verstellung der Pumpe steuern, ohne dass Wegeventile nötig sind.

Druckaufbau und Fluidführung

Die Pumpe, in der Regel eine Verstellpumpe in Axialkolbenbauart, fördert das Öl unter hohem Druck zum Motor. Der Motor wandelt die hydraulische Energie in mechanische Rotationsenergie um und leitet das Öl auf der Niederdruckseite zurück zur Pumpe. Da in diesem Kreis kein großer Tank als Puffer dient, muss der Systemdruck auf beiden Leitungen aktiv geregelt werden. Typische Betriebsdrücke in geschlossenen hydraulischen Kreisen liegen zwischen 300 und 450 bar, in speziellen Anwendungen können Drücke bis 500 bar erreicht werden.

Rolle der Nachspeisepumpe

Ein geschlossener hydraulischer Kreis kann nicht ohne ergänzende Komponenten betrieben werden, da unvermeidbare Leckagen an Pumpe und Motor Fluidvolumen aus dem Kreis abziehen. Die Nachspeisepumpe, meist als Konstantpumpe ausgeführt, gleicht dieses Differenzvolumen aus. Sie fördert frisches Öl aus einem kleinen Vorratsbehälter in die Niederdruckseite des Kreises und hält so den Mindestdruck aufrecht. Typische Nachspeisedrücke liegen bei 10 bis 30 bar. Dieser Vorspanndruck verhindert Kavitation an der Saugseite der Hauptpumpe und stellt sicher, dass der Kreis stets vollständig mit Fluid gefüllt bleibt.

Komponenten eines geschlossenen hydraulischen Kreises

Neben Pumpe und Motor erfordert der geschlossene hydraulische Kreis mehrere Zusatzkomponenten, die den Betrieb sicherstellen und schützen. Jede dieser Komponenten erfüllt eine spezifische Funktion, die im offenen Kreislauf durch den Tank oder einfachere Ventilkonzepte abgedeckt wird.

Spülventil

Das Spülventil leitet einen Teil des erwärmten Öls aus der Niederdruckseite des Kreises ab und führt es über einen Kühler dem Vorratsbehälter zu. Da das Öl im geschlossenen Kreis nicht durch einen Tank zirkuliert, fehlt die natürliche Wärmeabfuhr. Ohne Spülventil würde sich die Öltemperatur kontinuierlich erhöhen, was die Viskosität verändert und die Lebensdauer der Komponenten verkürzt. Die nachgespeiste Frischölmenge ersetzt gleichzeitig das abgeleitete Warmöl, wodurch ein kontinuierlicher Austausch stattfindet.

Druckbegrenzungsventile

Druckbegrenzungsventile auf beiden Seiten des Kreises schützen das System vor unzulässigen Druckspitzen. Besonders bei schnellen Reversierungen oder plötzlichen Lastwechseln können kurzzeitige Druckspitzen entstehen, die die Bauteile überlasten. Die Ventile öffnen bei Erreichen des eingestellten Grenzdrucks und leiten Öl von der Hochdruck- auf die Niederdruckseite um. In vielen Ausführungen sind diese Ventile direkt in die Pumpe oder den Motor integriert.

Rückschlagventile

Rückschlagventile an der Nachspeiseleitung stellen sicher, dass das Nachspeiseöl stets in die gerade niederdruckseitige Leitung fließt. Da sich bei Richtungswechsel die Hoch- und Niederdruckseite vertauschen, müssen die Rückschlagventile diese Umschaltung automatisch mitvollziehen. Sie verhindern gleichzeitig, dass Drucköl aus dem Hauptkreis in die Nachspeiseleitung zurückströmt.

Geschlossener hydraulischer Kreis im Vergleich zum offenen Kreislauf

Der Vergleich zwischen geschlossenem und offenem Kreislauf zeigt die jeweiligen Stärken und Schwächen beider Konzepte. Die Wahl des Kreislaufführungskonzepts richtet sich nach den Anforderungen der jeweiligen Anwendung.

Der offene Kreislauf bietet Vorteile bei einfacheren Anwendungen mit mehreren Verbrauchern, da ein zentraler Tank die Ölversorgung aller Kreise sicherstellt. Der geschlossene hydraulische Kreis punktet dort, wo ein einzelner Antrieb hohe Dynamik und Energieeffizienz erfordert.

Anwendungsgebiete des geschlossenen hydraulischen Kreises

Geschlossene hydraulische Kreise finden sich sowohl in der Mobilhydraulik als auch in stationären Industrieanlagen. Die gemeinsamen Anforderungen dieser Anwendungen sind hohe Leistungsdichte, stufenlose Drehzahl- und Drehmomentregelung sowie die Fähigkeit zur schnellen Reversierung.

Mobilhydraulik

In der Mobilhydraulik dominieren geschlossene hydraulische Kreise bei Fahrantrieben von Radladern, Baggern und Teleskopladern. Auch Windenantriebe auf Kränen und Schiffen sowie Schwenkantriebe von Drehwerken arbeiten mit diesem Kreislaufführungskonzept. Die kompakte Bauweise ohne großen Tank ist ein entscheidender Vorteil auf Fahrzeugen, wo Bauraum und Gewicht begrenzt sind. Die stufenlose Fahrsteuerung über die Pumpenverstellung ermöglicht feinfühliges Manövrieren und Bremsen über die Hydraulik, was den Verschleiß mechanischer Bremsen reduziert.

Stationäre Industrieanlagen

In stationären Anwendungen kommen geschlossene hydraulische Kreise bei Pressen, Spritzgießmaschinen und Walzwerken zum Einsatz. Auch Teststände und Prüfanlagen nutzen dieses Konzept, wenn schnelle Zykluszeiten und reproduzierbare Bewegungsprofile gefordert sind. Industriegetriebe und Lüfterantriebe profitieren von der hohen Effizienz und der umkehrbaren Drehrichtung ohne zusätzliche Wegeventile. In Gießereien und Walzwerken ermöglichen kompakte Systeme mit minimalem Ölvolumen Hochleistungsantriebe auf begrenztem Raum.

Steuerung und Regelung im geschlossenen hydraulischen Kreis

Die Steuerung eines geschlossenen hydraulischen Kreises erfolgt primär über die Verstellung der Hauptpumpe. Der Schwenkwinkel der Axialkolbenpumpe bestimmt Förderichtung und Volumenstrom, wodurch Drehrichtung und Drehzahl des Motors direkt kontrolliert werden. Diese direkte Kopplung zwischen Pumpenverstellung und Motorverhalten ermöglicht kurze Reaktionszeiten und hohe Regelgüte.

Hydraulische Steuerung

Bei rein hydraulischer Steuerung wird der Verstellmechanismus der Pumpe über Steuerdrucke betätigt. DA-Ventile (Druck- und Durchflussventile) regeln die Verstellung abhängig vom Systemdruck und dem gewünschten Fahrverhalten. Diese Lösung kommt häufig in einfachen Fahrantrieben zum Einsatz, wo eine elektronische Ansteuerung nicht erforderlich ist.

Elektrohydraulische Regelung

Moderne geschlossene hydraulische Kreise nutzen zunehmend elektrohydraulische Regelungen. Proportionalventile steuern den Verstellmechanismus der Pumpe auf Basis elektrischer Signale von einer übergeordneten Steuerung. Dies ermöglicht die Integration in automatisierte Systeme, die Betriebspunkte präzise anfahren und überwachen. Sensoren erfassen Druck, Temperatur und Drehzahl in Echtzeit und stellen die Daten der Steuerung zur adaptiven Regelung zur Verfügung. Die elektrohydraulische Regelung verbessert die Effizienz, da der Betriebspunkt der Pumpe stets im optimalen Bereich gehalten werden kann.

Wartung und Instandhaltung

Die Wartung eines geschlossenen hydraulischen Kreises erfordert besondere Aufmerksamkeit, da das Öl kontinuierlich im Kreis zirkuliert und Verunreinigungen nicht wie im offenen Kreislauf im Tank absetzen können. Partikel zirkulieren im System, bis sie vom Filter erfasst werden oder Schäden verursachen.

Ölqualität und Filterung

Die Ölreinheit ist im geschlossenen hydraulischen Kreis kritischer als im offenen System. Die Nachspeiseleitung ist der zentrale Punkt für die Filterung, da hier das gesamte nachgespeiste Frischöl den Filter passiert. Hochwertige Filterelemente mit angemessener Feinheit sind unerlässlich. Regelmäßige Ölanalysen geben Aufschluss über Verschleißpartikel, Wassergehalt und Viskositätsveränderungen.

Temperaturmanagement

Da der geschlossene hydraulische Kreis keine natürliche Kühlung über einen großen Tank bietet, muss die Öltemperatur aktiv überwacht und geregelt werden. Das Spülventil leitet einen definierten Volumenstrom erwärmten Öls aus dem Kreis ab und führt es über einen Ölkühler dem Vorratsbehälter zu. Die Dimensionierung des Kühlers muss auf die abzuführende Verlustleistung abgestimmt sein. Bei unzureichender Kühlung steigt die Öltemperatur, was die Viskosität senkt, die Schmierfilmtragfähigkeit reduziert und letztlich zu Bauteilschäden führt.

Leckageüberwachung

Die Nachspeisemenge ist ein direkter Indikator für den Zustand des Kreises. Steigt der Nachspeisebedarf über den üblichen Wert von etwa 5 bis 10 Prozent des Hauptvolumenstroms, deutet das auf erhöhte interne Leckagen hin, die auf Verschleiß an Kolben, Steuerscheiben oder Dichtungen zurückzuführen sein können. Eine kontinuierliche Überwachung der Nachspeisemenge ermöglicht zustandsorientierte Wartung und verhindert unerwartete Ausfälle.

Vor- und Nachteile des geschlossenen hydraulischen Kreises

Die Entscheidung für einen geschlossenen hydraulischen Kreis bringt spezifische Vor- und Nachteile mit sich, die Konstrukteure bei der Auslegung abwägen müssen.

Vorteile

• Hohe Energieeffizienz: Die Pumpe fördert nur den tatsächlich benötigten Volumenstrom. Bei Teillast und im Stillstand sinkt der Energieverbrauch deutlich gegenüber offenen Systemen mit Konstantpumpen.
• Kompakte Bauweise: Der Verzicht auf einen großen Tank reduziert das Bauvolumen und das Gewicht der Anlage erheblich.
• Schnelle Reversierung: Die Drehrichtungsumkehr erfolgt allein über die Pumpenverstellung, ohne Wegeventile umschalten zu müssen. Das verkürzt die Reaktionszeiten.
• Präzise Regelung: Drehzahl und Drehmoment lassen sich stufenlos und feinfühlig einstellen, was für anspruchsvolle Fahr- und Positionieraufgaben unerlässlich ist.
• Bremsenergierückgewinnung: Bei abwärts fahrenden Lasten kann der Motor als Pumpe arbeiten und Bremsenergie in den Kreis zurückführen.

Nachteile

• Höhere Systemkomplexität: Die erforderlichen Zusatzkomponenten wie Nachspeisepumpe, Spülventil und Rückschlagventile erhöhen den Konstruktions- und Inbetriebnahmeaufwand.
• Eingeschränkte Mehrverbraucherfähigkeit: Ein geschlossener hydraulischer Kreis versorgt in der Regel einen einzelnen Verbraucher. Für mehrere Verbraucher sind separate Kreise oder aufwendige Zusatzschaltungen nötig.
• Erhöhte Anforderungen an Ölreinheit: Verunreinigungen zirkulieren im System und können Schäden verursachen, wenn sie nicht frühzeitig gefiltert werden.
• Aufwendigere Fehlersuche: Die enge Kopplung der Komponenten und die fehlende visuelle Kontrolle über den Tank machen die Diagnose komplexer als bei offenen Systemen.

Normen und Standards

Die sicherheitstechnischen Anforderungen an Hydraulikanlagen mit geschlossenem hydraulischen Kreis regelt die DIN ISO 4413. Diese Norm legt Vorgaben für Druckbegrenzung, Leckageführung, Kennzeichnung und Inbetriebnahme fest. Darüber hinaus gelten die allgemeinen Anforderungen an Hydraulikflüssigkeiten hinsichtlich Viskosität, Temperaturstabilität und Reinheitsklasse. Hersteller wie Bosch Rexroth, Danfoss und Liebherr bieten detaillierte Auslegungshinweise für geschlossene hydraulische Kreise, die über die Normenanforderungen hinausgehen und praxiserprobte Dimensionierungsregeln enthalten.