Anwendungssituationen von Hydraulikzylindern

Die typischen Hubbereiche von AHP Merkle Hydraulikzylindern reichen von 1 mm bis 2 000 mm. Natürlich gibt es auch Sonderkonstruktionen mit längeren Hüben. Bei der Festlegung bzw. Dimensionierung sollten wichtige Betriebsbedingungen wie Dynamik, Kolbengeschwindigkeit, Kraftverhältnisse, etc. besondere Beachtung finden.

Stanzen

Da beim Stanzen hohe dynamische Belastungen (Schaltschläge, Druckspitzen) auftreten, müssen sowohl die Zylinder als auch die Dichtungen dafür ausgelegt sein. Das ist der Grund dafür warum die Führung verstärkt, die Dichtungssysteme angepasst und die Gesamtkonstruktion auf die erheblich höhere Belastung ausgelegt sind. Weiterhin unterscheiden sich Stanz- von Blockzylindern darin, dass Stanzzylinder größere Anschlüsse haben, um höhere Volumenströme erzielen zu können.

Hohe Kolbengeschwindigkeit und/oder große Massen

Die Anfahrt in die Endlage muss besonders berücksichtigt werden, wenn hohe Kolbengeschwindigkeiten und große bewegte Massen auftreten.

Hydraulikzylinder mit integrierten Endlagendämpfungen oder externe Stoßdämpfer einzusetzen empfiehlt sich um unnötige Stoßbelastungen zu vermeiden. Bei der Entscheidung für integrierte Endlagendämpfung oder externe Stoßdämpfer ist nicht nur die bewegte Masse wichtig, sondern auch der Hub. Es empfiehlt sich externe Dämpfungsmaßnahmen vorzusehen, wenn der Hub zu kurz ist. In dem Fall kann eine Endlagendämpfung die Dynamik der Zylinderbewegung nämlich stark beeinflussen und „träge“ machen.

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

Querkräfte

Des Öfteren treten in mechanischen Konstruktionen auch Querkräfte auf, die keinesfalls vom Hydraulikzylinder aufgenommen werden dürfen. Die Kolbenstange kann dabei bei übermäßiger Krafteinwirkung eine plastische Verformung erfahren. Außerdem werden dadurch die Führungen und Dichtungen beschädigt.

Aufgrund dessen müssen geeignete Führungen, wie sie z. B. bei den Schiebereinheiten und den Kernzugeinheiten von AHP Merkle Standard sind, die auftretenden Querkräfte aufnehmen. Geeignete Kupplungen und Gelenklager bieten zudem die Möglichkeit ungewollte Krafteinwirkung auf Hydraulikzylinder abzufangen.

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

Synchronanwendung

Wenn man in einer Anwendung mehrere Zylinder gleichlaufend betreiben will, muss man sich der Besonderheiten dieser Anordnung bewusst sein. Dieses Vorhaben lässt sich nur durch zusätzliche konstruktive Maßnahmen wie beispielsweise präzisen und stabilen Führungen erreichen. Selbst baugleiche Einheiten fahren nicht hundertprozentig gleich ein und aus. Deshalb muss das Gleichlaufen durch die entsprechenden konstruktiven Gleichlaufmaßnahmen sichergestellt werden. Andernfalls könnten Schäden an den Zylindern auftreten und gegebenenfalls auch an weiteren Elementen der Anordnung.

Solche Gleichlaufmaßnahmen wären zum Beispiel der Einsatz von Mengen- oder Stromteilern oder auch die Achsensynchronisation mittels eines Wegmesssystems. Hinzu kommt, dass externe Führungen vorhanden sein müssen, die besonders genau und stabil ausgelegt worden sind. 

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 Druckübersetzung

Zur Optimierung von Bewegungsprofilen oder Kraftentwicklungen werden Hydraulikzylinder miteinander kombiniert. Dabei müssen die möglichen Auswirkungen detailliert beobachtet und konstruktiv berücksichtigt werden.

Wenn zwei an der Kolbenstange gekoppelte Hydraulikzylinder unterschiedliche Kolbendurchmesser besitzen, so steigt der Druck im kleineren erheblich, wenn der größere „drückt“. Falls der Hydraulikzylinder in dieser Anordnung nicht auf die Kolbenfläche, sondern auf die Ringfläche des kleineren Hydraulikzylinders drückt, fällt der Druckanstieg noch erheblich dramatischer aus.

Eine weitere typische Risikoquelle ist gegeben, wenn große externe Kräfte auf Hydraulikzylinder wirken. Dies kann beispielsweise geschehen wenn das Ventil zum Zurückfahren des Auswerfers nicht rechtzeitig öffnet.

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

Auf www.ahp.de gibt es ein interaktives Berechnungstool zur 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 u. ä. 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, was zu ungewollten Veränderungen in der Positionierung der Kolbenstange bzw. in der tatsächlich ausführbaren Hubbewegung der Kolbenstange führt.

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.

Bei diesem Beispiel sind aber weder Dichtungseinflüsse noch Rückwirkungen aus der gesamten Hydraulikkonstruktion wie zum Beispiel die Verwendung von Hydraulikschläuchen berücksichtigt.