Reibungsverluste

Ein hydraulischer Zylinder kann nicht arbeiten, ohne dass durch sich berührende Bauteile, wie zum Beispiel Dichtungen, Reibungsverluste entstehen.

Berechnet man den Durchmesser eines Kolbens, nimmt man in der Regel einen Wert von 20% für die Reibungsverluste an. Um jeglichen Problemen aus dem Weg zu gehen, welche durch die Reibungsverluste entstehen können, hat man in diesen Wert bereits eine gewisse Sicherheit mit einkalkuliert.

Allerdings sollte man auch darauf achten, dass man den Kolben aus Angst vor Reibungsverlusten nicht Überdimensioniert, da dadurch zum Beispiel auch der Einsatz von größeren Aggregaten bedingt wird und sich dies schnell in deutlich überhöhten Kosten zeigen kann.  Aus diesem Grund kann es durchaus effizient sein, den Kolben genau zu bemessen, auch wenn dies mit einigen Umständen verbunden ist, weil dazu sämtliche Effekte untersucht werden müssen, welche zu Verlusten führen können.

Folgende Faktoren beeinflussen die Reibung in einem Hydraulikzylinder:

  • Die verwendeten Dichtungs- und Zylinderwerkstoffe
  • Die Oberflächenstruktur (Profil der Dichtung, Rauheit, Verschleißzustand)
  • Die Flächenpressung
  • Partikel im Dichtspalt
  • Der Schmierungszustand (Mischreibung, flüssige Schmierung)
  • Eigenschaften der Flüssigkeit (chemische Zusammensetzung, Dichte, Viskosität)
  • Die Temperatur
  • Die Bewegungsrichtung (stoßend, ziehend)
  • Die Kolbengeschwindigkeit

Aufgrund der vielen Faktoren, welche die Verlustwerte beeinflussen können, ist es nicht möglich diese und ihre Auswirkungen in einer Tabelle oder in Gleichungen zusammen zu fassen. Allerdings kann man einige grundlegende Tatsachen ableiten:

Stufendichtungen, welche man im Allgemeinen in Blockzylindern verwendet, weisen eine relativ hohe Reibung auf, wenn sie neu sind. Allerdings nimmt die Reibung während des Einsatzes der Dichtungen und bei zunehmender Arbeitsgeschwindigkeit immer weiter ab. Werden die Dichtungen jedoch bei niedrigen Geschwindigkeiten genutzt, so nehmen die Reibungsverluste nach längerem Einsatz wieder zu (bis zu 80% Zunahme in einem Bereich von 0,2cm/s bis 50 cm/s).

Der vorherrschende Betriebsdruck übt bei dem Ausfahren der Kolbenstange nur bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten einen Einfluss auf die Reibung aus. Während bei einer ausfahrenden Kolbenstange ab einer Geschwindigkeit von 5 cm/s der Druck so gut wie keinen Einfluss auf die Reibung hat, steigen beim Einfahren der Kolbenstange die Reibungsverluste proportional zum  Druck an. Allerdings ist auch hier die Reibung bei niedrigen Geschwindigkeiten am höchsten.

Betrachtet man die im Zylinder erzeugte Kraft, so ist der Verlust hauptsächlich bei ziehender Bewegung von Bedeutung. Zum einen hat der Zylinder weniger Kraft bei ziehender als bei stoßender Bewegung und zum anderen ist die Reibung größer. Bei kleinen Kolbendurchmessern (16 mm bis 20 mm) und Betriebsdrücken um 140 bar kann es tatsächlich vorkommen, dass der Reibungsverlust nahezu 20 % beträgt.

Je größer die Zylinder sind, desto geringer wird der Einfluss der Reibung auf die Gesamtkraft. Hat man einen Kolben mit einem Durchmesser von 100 mm, so liegen die Reibungsverluste selbst bei ungünstigsten Bedingungen nie höher als bei 2%. Bei noch größeren Durchmessern kann man die Reibungsverluste einfach vernachlässigen. Wäre der Reibungsverlust höher, hätte dies beträchtlichen Einfluss auf die Lebensdauer der Dichtung, da die Energie in Wärme umgesetzt wird und die Dichtung somit überhitzen würde.