»Grundschaltungen hydraulischer Antriebe« - Tipps für den Lehrer 02.03.2011, 13:46

Grundschaltung, Vorschaubild

Wie macht man im Theorieunterricht Schüler mit dem Thema »Grundschaltungen hydraulischer Antriebe« vertraut? Was sollte der Lehrer bei seiner Vorbereitung bedenken? Unterrichtstipps.

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Theorieunterricht zum Thema »Grundschaltungen hydraulischer Antriebe«
 

Für wen sind die Beiträge des tec.LEHRERFREUNDs gedacht?

Eine Erschwernis bei der schulischen Behandlung von Hydraulikanlagen liegt gewiss darin, dass sich ihre Geheimnisse - ähnlich wie in der Elektrotechnik - hinter Abläufen verbergen, die dem Auge nicht unmittelbar zugänglich sind. Das beginnt bereits bei den Komponenten, Pumpe, Motor und Ventile aller Art. Der Lehrer fördert in seinen Schülern den Verstehensprozess am besten, wenn er sich seinem gesetzten Ziel schrittweise nähert.
Grundsätzlich sind zwei Gruppen von Schülern zu unterscheiden, für die das Thema »Hydraulik« von Bedeutung ist:
a) Auszubildende, die bereits in die Praxis eingebunden sind und für die früher oder später die Fehlersuche in hydraulischen Anlagen und deren Reparatur tägliches Brot sein wird.
b) Schüler, die sich überwiegend auf der theoretischen Ebene mit dem Thema »Hydraulik« beschäftigen und dieses zunächst als Wissensvorrat verstehen, der z. B. in einer Prüfung abgefragt wird.

Die unter a) genannte Gruppe benötigt von vorne herein zwei Standbeine: die vorlaufende theoretische Behandlung mit nachfolgendem praktischem, am Objekt in der Werkstatt durchgeführtem Unterricht.

Bei beiden ist es wichtig, dass sie von einem Polster von phyikalischen Grundkenntnissen über die Hydraulik starten können.
Das Internet stellt nur begrenzte Möglichkeiten zur Anleitung der praktischen Betätigung bereit. So ist die Zielgruppe des tec.LEHRERFREUNDs vornehmlich die unter b) beschriebene Gruppe.
 

Wie kann man die tec.LEHRERFREUND-Beiträge zu »Grundschaltungen hydraulischer Antriebe« in verlässliches Wissen der Schüler verwandeln?

Voraussetzung für das Verständnis einiger immer wieder auftauchender Phänomene in Hydraulikschaltungen ist die Behandlung folgender kurz umschriebener Themen. Methodisch ist es durchaus möglich, die physikalische Basistheorie immer dort aufzufrischen, wo sie in der gerade behandelten Schaltung eine Rolle spielt.
Für den Techniklehrer ist es sicher ein Allgemeinplatz, dass er sich dabei nur wenige Unterrichtsstunden ohne Versuche leisten darf.

1. Unterrichtsinhalte
Basistheorie
- Drücke in ruhenden und strömenden Flüssigkeiten
- Druckverluste in strömenden Flüssigkeiten
- Kontinuitätsgleichung
- Viskosität
- Wirkungsgrad

Bauelemente
- Hydropumpen und Hydromotore
- Hydrozylinder
- Hydroventile (Wegeventile, Sperrventile, Stromventile)

Beim Thema Drücke und Druckverluste kann man auf Versuche zurückgreifen, die bereits in anderen Themenbereichen eine Rolle spielten und sich direkt anwenden lassen. Aus der Beitragsreihe des tec.LEHRERFREUNDs nennen wir z. B.  
Schweißbrenner, Freihandversuche, Druckabfall

Bei der Vorstellung der Hydraulikkomponenten bieten nach wie vor Folien, Videos, Schnittmodelle oder - recht teuer - Klarsichtmodelle Möglichkeiten, den Aufbau und die Funktion zu erklären. Ein Lehraggregat gibt zwar keinen Einblick in das Innenleben eines Ventils, zeigt aber realistisch, wie eine Schaltung arbeitet.

2. Unterrichtsmethode

Bei der Erarbeitung von Schaltungen beziehen wir die Schüler mit ein. Wie das vor sich gehen könnte, sei an folgender Aufgabe demonstriert.
Aufgabenstellung: Die Kolben zweier doppelt wirkender Arbeitszylinder sollen gleichzeitig ausfahren. Das Thema ist nicht ganz einfach; als Grundlage benötigt es Erfahrungen mit schon bekannten, einfacheren Schaltungen. 

Schrittweise Entwicklung eines hydraulischen Schaltplans (Zeichnung)

A) Wir legen den Schülern Bild 1 vor. Erfüllt das vorgegebene Wegeventil (WV) den angestrebten Zweck? Ist zwischen WV und Zylindern ein weiteres Ventil notwendig?
Die Schüler werden erkennen, dass mit dem gezeichneten WV in Bild 1 nur eine Seite der (doppelt wirkenden) Zylinder angesteuert werden kann. Sie werden deshalb an die beiden vorhandenen Schaltstellungen eine weitere Schaltstellung anfügen und gelangen zu der Erkenntnis, dass die Schaltung ein 4/3-Wegeventil benötigt.

Nach dem WV brauchen wir zwei gleich große Ölströme, einen zum rechten Arbeitszylinder, einen zum linken. Aus Hydrauliksymbol-Tabellen werden die Schüler ohne größere Schwierigkeit den Stromteiler als das am ehesten geeignete Ventil herausfinden. Anhand einer Schnittzeichnung des Ventils wird die Funktion des Regelkolbens geklärt (der tec.LEHRERFREUND bereitet dafür einen Beitrag vor).
Am Ende lässt man das Gelernte von Schülern/einem Schüler zusammenfassen, indem sie/er am OH erläutern/t, wie der Ölstrom in den einzelnen Schaltstellungen des WVs fließt.

Bild 3 zeigt die Lösung. 

B) Falls ein professionelles Lehraggregat vorhanden ist, ist auch ein anderer Lernweg vorstellbar: Die Schaltung wird vor dem Unterricht aufgebaut und das Ziel der Schaltung formuliert. Man lässt das Experiment laufen und die Schüler sehen, dass die beiden Kolben gleichzeitig und gleich schnell ausfahren.
Das Bild unten zeigt einen Laborwagen der Firma FESTO-Didactic.

Laborwagen

Aufgabe: In Gruppenarbeit erstellen die Schüler den Schaltplan, beschreiben die Funktion und erläutern ihr Werk jeweils den anderen Gruppen.

Fachrechnen: Das Thema lässt sich dadurch abrunden, dass man z. B. bei gegebenem Pumpenstrom und Druck und bei bekannten Zylinderabmessungen die Ausfahrgeschwindigkeit eines Kolbens und die Kolbenkraft berechnet.

Fachzeichnen: Grundsätzlich gibt es immer ein Ventil, das sich dafür eignet, ein Teil heraus zu zeichnen. Ein Vorschlag des tec.LEHRERFREUNDS: Zeichenaufgabe Ventilgehäuse.

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