Der Wimpel

Anwendungssituationen von Hydraulikzylindern

Die typischen Hubbereiche unserer Hydraulikzylindern reichen von 1 mm bis 2 000 mm. Zudem bieten wir auch Sonderkonstruktionen mit längeren Hüben an.

Bei der Festlegung bzw. Dimensionierung des Zylinders sollten wichtige Betriebsbedingungen wie Dynamik, Kolbengeschwindigkeit, Kraftverhältnisse, etc. besondere Beachtung finden.

 

Stanzen

Beim Stanzen treten sehr hohe dynamische Belastungen, wie zum Beispiel Schaltschläge und Druckspitzen auf. Für diese Belastungen muss sowohl der Zylinder als auch die Dichtungen ausgelegt sein.

Die Führungen unserer » Stanzzylinder sind daher verstärkt, die Dichtsysteme angepasst und die Gesamtkonstruktion auf die erheblich höheren Belastungen ausgelegt. Stanzzylinder unterscheiden sich zu den Blockzylindern aber auch durch die größeren Anschlüsse, um höhere Volumenströme zu erzielen.

 

Hohe Kolbengeschwindigkeiten und/oder große Massen

Bei hohen Kolbengeschwindigkeiten und großen bewegten Massen muss die Anfahrt in die Endlage besonders berücksichtigt werden. Um unnötige Stoßbelastungen zu vermeiden, empfiehlt es sich Hydraulikzylinder mit integrierten Endlagendämpfungen einzusetzen oder externe Stoßdämpfer vorzusehen. Möglicherweise auch beides. Dies gilt immer dann, wenn der Kolben mit einer Geschwindigkeit über 0,1 m/s in die Endlage fährt.

Wichtig bei der Entscheidung für integrierte Endlagendämpfungen oder externe Stoßdämpfer ist nicht nur die bewegte Masse, sondern auch der Hub. Ist der Hub sehr kurz, kann eine Endlagendämpfung die Dynamik der Zylinderbewegung stark beeinflussen und „träge“ machen. Dann empfiehlt es sich, externe Dämpfungsmaßnahmen vorzusehen. 

Je größer die Kolbengeschwindigkeit oder die durch den Zylinder 
bewegte Masse, desto wichtiger sind Dämpfungsmaßnahmen.

 

 

 

Querkräfte

Nicht selten treten in mechanischen Konstruktionen auch » Querkräfte auf, die keinesfalls vom Hydraulikzylinder aufgenommen werden dürfen (siehe hierzu auch DIN EN 982). Zum einen werden dadurch die Führungen und Dichtungen beschädigt, zum anderen kann die Kolbenstange bei übermäßiger Krafteinwirkung eine plastische Verformung erfahren.

Aus diesem Grund müssen geeignete Führungen, wie sie bei unserer » Schiebereinheit und unserer » Kernzugeinheit Standard sind, auftretenden Querkräfte aufnehmen.

Zudem besteht die Möglichkeit, ungewollte Krafteinwirkungen auf Hydraulikzylinder über geeignete » Kupplungen und Gelenklager abzufangen. 

Werden Querkräfte nicht hundertprozentig von entsprechenden konstruktiven Elementen aufgenommen, drohen Beschädigungen
der Führungen, Laufflächen, Dichtungen und der Kolbenstange.

 

Synchronanwendung

Möchte man in einer Anwendung mehrere (auch gleiche) Zylinder gleichlaufend betreiben, sollte man sich der Besonderheiten dieser Anordnung bewusst sein.

Denn ein Synchronlauf mehrerer Achsen ist nur mit zusätzlichen konstruktiven Maßnahmen wie zum Beispiel präzisen und stabilen Führungen zu erreichen. Dies ergibt sich aus der Vielzahl der auf das System wirkenden physikalischen Parameter.

 

Was ist bei Synchronanwendungen mit Hydraulikzylindern zu beachten?

Bei Hydraulikzylindern bedeutet das, dass einer der Zylinder immer den geringsten Widerstand hat und deshalb selbst baugleiche Einheiten nicht hundertprozentig identisch aus- und einfahren.

Werden Synchronanwendungen ohne entsprechende konstruktive Gleichlaufmaßnahmen betrieben, können als Folge Schäden an den Zylindern auftreten wie auch an weiteren Elementen der Anordnung. 

Eine wirksame Maßnahme, um einen störungsfreien Synchronlauf zu erreichen, ist der Einsatz von Mengen- oder Stromteilern wie sie am Markt verfügbar sind. Diese verteilen die verfügbare Ölmenge gleichmäßig auf die Zylinder. Zusätzlich müssen externe Führungen vorhanden sein, die besonders genau und stabil ausgelegt sind.

Eine weitere Maßnahme zum Erreichen von Gleichlauf ist die Achsensynchronisation mittels Wegmesssystem. Ein so geregeltes System verspricht die größte Gleichlaufgenauigkeit bei der Umsetzung einer Synchronanwendung.

Proportional-, Regel- oder Servoventile übernehmen dabei die präzise Steuerung des Volumenstroms – und somit der Zylinderbewegung. Die dafür notwendige Regelelektronik ist allerdings erheblich aufwändiger zu realisieren.

Aufgrund der Komplexität einer Synchronanwendung und den daraus resultierenden Auswirkungen auf Zylinder, Gesamtkonstruktion oder/und Maschine empfiehlt AHP Merkle eine eingehende Prüfung hinsichtlich der Kräfteverhältnisse, der Achsenbewegungen und sonstiger konstruktiver Details der geplanten Synchronanwendung.

 

Ungewollte Druckübersetzungen

Werden zur Optimierung von Bewegungsprofilen oder Kraftentwicklungen Hydraulikzylinder miteinander kombiniert, müssen die möglichen Auswirkungen detailliert beobachtet und konstruktiv berücksichtigt werden.


Beispiel 1 (gekoppelte Zylinder):

Besitzen zwei an der Kolbenstange gekoppelte Hydraulikzylinder unterschiedliche Kolbendurchmesser, steigt der Druck im kleineren (p1, A1) erheblich, wenn der größere (p2, A2) „drückt“. Diese Situation folgt folgendem Zusammenhang:

 

Bei einem Ausgangsdruck von 250 bar und Kolbendurchmessern von 50 mm (großer Zylinder) und 32 mm (kleiner Zylinder) wächst der Kammerdruck im kleineren Zylinder auf etwa 610 bar. Bei einem noch kleineren Kolbendurchmesser von 25 mm (kleiner Zylinder) steigt der Wert in der Zylinderkammer sogar auf 800 bar.

Drückt in dieser Anordnung der große Hydraulikzylinder nicht auf die Kolbenfläche, sondern auf die Ringfläche des kleineren Hydraulikzylinders, fällt der Druckanstieg noch erheblich dramatischer aus.

 

Beispiel 2 (äußere Kräfte):

Eine typische Risikoquelle ist gegeben, wenn große externe Kräfte auf Hydraulikzylinder wirken. Eine solche Situation kann sich z. B. ergeben, wenn das Ventil zum Zurückfahren des Auswerfers nicht rechtzeitig öffnet.
Die große Kraftentwicklung über die große Fläche des Presszylinders wird dabei auf die kleine Fläche des Auswerfers übertragen, was zu riesigem Druck führt und den Hydraulikzylinder regelrecht „aufbläht“.

 

Drückende Last/Knickfestigkeit

Bei der Auslegung von Hydraulikzylindern ist besonders wichtig, ob die Einheiten ziehend oder drückend arbeiten bzw. in beiden Richtungen Kraft ausüben.

Im Fall von drückenden Lasten muss die Knickfestigkeit der Kolbenstange berücksichtigt werden. Dies gilt vor allem bei langen Hüben.

Die Knickfestigkeit der Kolbenstange wird durch folgende Faktoren beeinflusst: 

  • Durchmesser der Kolbenstange
  • Länge der Kolbenstange/des Zylinders
  • Befestigung der Kolbenstange und des Zylinders

Der interaktive » Zylinderrechner von AHP Merkle hilft bei der richtigen Auslegung, Dimensionierung und Auswahl von Hydraulikzylindern.

 

 

 

Lecköl

Als Sonderkonstruktion gibt es auch die Möglichkeit, einen zusätzlichen Leckölanschluss im Hydraulikzylinder vorzusehen. Dies ist immer dann notwendig, wenn keinerlei Mikrofilm auf der Kolbenstange zulässig ist, wie zum Beispiel im Lebensmittelbereich und ähnlichen Anwendungen.

Hierfür muss im Zylinder ein nochmals abgedichteter Ringraum vorhanden sein. Dort kann sich das Öl des Schmierfilms absetzen und wird über einen zusätzlichen Anschluss abgeführt.

Diese konstruktive Maßnahme erweist sich auch dann als sinnvoll, wenn selbst bei nachlassender Dichtwirkung der Stangendichtungen aufgrund des üblichen Verschleißes keinerlei Druckflüssigkeit in die Umgebung gelangen soll.

 

 

Setzverhalten

Im Allgemeinen wird bei Hydraulikflüssigkeiten von einer Inkompressibilität ausgegangen. Tatsächlich zeigt sich in der Praxis eine spürbare „Stauchung“ der Flüssigkeit bei hohen Druckbelastungen.

Eine solche „negative Dehnung“ überträgt sich natürlich auf die Kolbenstange und führt zu ungewollten Veränderungen in der Positionierung der Kolbenstange bzw. in der tatsächlich ausführbaren Hubbewegung der Kolbenstange.

Beispiel:

Ein Zylinder mit einem Kolbendurchmesser von 100 mm und einem Hub von 100 mm kann sich bei einer Belastungsänderung von 0 kN auf 157 kN (entspricht etwa 200 bar Druckänderung) um knapp 1,5 mm setzen.
Bei 500 bar erreicht eine solche „Stauchung“ bereits den Wert von 3,75 mm.

In diesem Beispiel unberücksichtigt: Weder Dichtungseinflüsse noch Rückwirkungen aus der gesamten Hydraulikkonstruktion, wie zum Beispiel die Verwendung von Hydraulikschläuchen. 

 

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