Hydraulikzylinder - Wirkweise und Anwendung
Hydraulikzylinder, auch Arbeitszylinder genannt, sind Geräte, die hydraulische Energie in mechanische Bewegung umwandeln. Diese Umwandlung führt zu einer linearen Bewegung, weshalb Hydraulikzylinder auch als Linearmotoren bezeichnet werden. Der Arbeitsdruck innerhalb des Hydrauliksystems ermöglicht große Kräfte, die durch Hydraulikventile wie z.B. Druckbegrenzungsventile kontrolliert werden können. Die Arbeitsgeschwindigkeit hängt vom Durchflussvolumen und der Kolbenfläche ab.
Inhalt
Die Hauptbestandteile eines Hydraulikzylinders sind der Zylinderkörper, der in der Regel aus einem Rohr besteht, und eine Kolbenstange mit einem Kolben. Der Zylinderkörper besteht in der Regel aus nahtlosem Stahlrohr.
Innerhalb des Zylinderkörpers, der für den maximalen Systemdruck ausgelegt ist, bewegt sich der Arbeitskolben mit der Kolbenstange. Die Bewegungsrichtung hängt davon ab, ob das Fluid von der Stangenseite oder von der Bodenseite zugeführt wird, was zu einer Einfahr- oder Ausfahrbewegung führt. Das auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbens verdrängte Fluid wird normalerweise in den Vorratsbehälter zurückgeführt. Der Kolben, der mit Dichtungen versehen ist, trennt die beiden Zylinderräume und minimiert die interne Leckage. Der Zylinderkörper ist an den Enden mit Zylinderdeckeln verschlossen, die entweder angeschraubt, angeschweißt oder mit Zugankern verspannt sind. In diesen Deckeln sind die hydraulischen Anschlüsse, die Endlagendämpfung und die Kolbenstangenführung mit den Kolbenstangendichtungen untergebracht.
Die Kolbenstangendichtungen verhindern weitgehend, dass Hydraulikflüssigkeit aus dem Zylinder austritt und Schmutzpartikel in das Hydrauliksystem gelangen. An der Oberfläche der Kolbenstange können kleine Unebenheiten auftreten, die dazu führen, dass Flüssigkeit in den Vertiefungen verbleibt und potenziell Schmutz in das Hydrauliksystem eintragen kann. Durch die Gestaltung der Oberfläche der Kolbenstange wird dieser Effekt zumindest bei neuen Geräten stark reduziert.
Vorteile von Hydraulikzylindern
Hydraulikzylinder sind eine sehr gängige Komponente in Hydrauliksystemen:
- Der Einsatz von Hydrozylindern als Direktantriebe ist einfach in der Konstruktion und kann vom Maschinenbauer leicht positioniert werden.
- Durch den Wegfall der Umwandlung einer rotatorischen in eine lineare Bewegung bietet der Zylinderantrieb einen hohen Wirkungsgrad.
- Ein Hydrozylinder kann seine maximale Zylinderkraft vom Beginn bis zum Ende des Hubs konstant halten. Eine einfache Begrenzung der Hubkraft kann durch ein Druckventil erreicht werden.
- Die Kolbengeschwindigkeit in einem Hydrozylinder hängt vom Durchflussvolumen und der wirksamen Kolbenfläche ab. Bei konstantem Fördervolumen bleibt auch die Kolbengeschwindigkeit vom Beginn bis zum Ende des Hubes konstant.
- Je nach Bauart kann ein Hydrozylinder nur Druckkräfte oder sowohl Druck- als auch Zugkräfte erzeugen.
- Durch entsprechende Dimensionierung von Hydrozylindern können leistungsstarke Antriebe mit geringen Einbaumaßen realisiert werden.
Einsatzgebiete von Hydraulikzylindern sind vor allem das Heben, Senken, Verriegeln und Verschieben von Lasten.
Bauarten von Hydraulikzylindern
Einfachwirkende Hydraulikzylinder
Einfachwirkende Zylinder sind so konstruiert, dass nur eine Seite des Kolbens mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt wird. Das bedeutet, dass sie nur in einer Richtung Arbeit verrichten können. Die Rückstellung erfolgt entweder durch eine äußere Kraft, durch das Eigengewicht oder durch eine separate Feder. Eine Sonderform sind Tauchkolben- bzw. Plungerzylinder, bei denen die Kolbenstangenfläche allein die Hubkraft bestimmt. Sie erzeugen unter gleichen Bedingungen eine geringere Hubkraft als Zylinder mit Scheibenkolben, haben aber einen besseren mechanischen Wirkungsgrad. Da bei dieser Bauform die zusätzliche Führung durch den Kolben entfällt, ist eine externe axiale Führung des Gesamtsystems unerlässlich.
Teleskopzylinder
Teleskopzylinder sind eine Zylinderbauart, bei der mehrere hintereinander angeordnete Kolben teleskopartig aus- oder eingefahren werden. Diese Bauform erlaubt nur eine diskontinuierliche Arbeitsgeschwindigkeit. Die Teleskopkolben werden entweder durch ihre eigene Masse oder durch eine äußere Kraft abgesenkt. Teleskopzylinder gibt es in einfachwirkender und doppeltwirkender Ausführung. Sie werden bei beengten Platzverhältnissen oder sehr großen Arbeitslängen eingesetzt.
Gleichlauf-Teleskopzylinder haben eine besondere Konstruktion, bei der die Zylinderräume der einzelnen Stufen durch zusätzliche Zylinderringräume verbunden sind. Dadurch wird für jede Zylinderstufe eine konstante Fläche realisiert. Dadurch werden alle Kolben gleichzeitig und mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, ohne dass Druck- oder Geschwindigkeitsschläge auftreten.
Doppelt wirkende Hydraulikzylinder
Doppeltwirkende Hydraulikzylinder, die in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt werden, besitzen zwei Kolbenflächen, die mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt werden können. Dadurch können Arbeiten in beiden Bewegungsrichtungen ausgeführt werden. Die Ansteuerung des Zylinders erfolgt häufig über 4/2- oder 4/3-Wegeventile.
Je nach Arbeitsrichtung wird entweder die gesamte Kolbenfläche oder nur die Ringfläche mit Druckflüssigkeit beaufschlagt. Das bedeutet, dass die erreichbaren Kolbenkräfte für p=konst. und die Vorschubgeschwindigkeiten für Q=konst. in den beiden Bewegungsrichtungen des Zylinders nicht gleich sind.
Einen Sonderfall stellen Zylinder mit beidseitiger Kolbenstange (Gleichlaufzylinder) dar, bei denen je nach Arbeitsrichtung nur die Ringfläche mit Druckflüssigkeit beaufschlagt wird. Dadurch hat der Zylinder in beiden Bewegungsrichtungen die gleichen Eigenschaften. Diese Zylinder werden häufig in Werkzeugmaschinen oder als Lenkzylinder in mobilen Arbeitsmaschinen eingesetzt.
Befestigungsarten
Gelenkaugenbefestigung: Dabei werden an beiden Enden des Zylinders Gelenkaugen angebracht. Diese Gelenkaugen haben Bohrungen, durch die Bolzen oder geführt werden können.
Die Gelenkaugenbefestigung bietet mehr Flexibilität bei der Montage des Hydraulikzylinders. Sie ermöglicht eine gewisse Bewegungsfreiheit und Ausrichtung des Zylinders in der Anwendung. Durch Drehen der Gelenkaugen können kleine Winkelabweichungen oder Ungenauigkeiten ausgeglichen werden.
Schwenkaugenbefestigung: Die Schwenkaugenbefestigung ist eine übliche Methode zur Befestigung von Hydraulikzylindern. Sie ermöglicht es dem Zylinder, sich beim Ausfahren und Einfahren zu drehen oder zu schwenken. Dies kann nützlich sein, wenn der Zylinder in einer Anwendung eingesetzt wird, die eine gewisse Beweglichkeit oder Flexibilität erfordert, wie z. B. bei bestimmten Arten von Maschinen oder Fahrzeugen. Eine gängige Befestigungsart erfolgt mittels sogenanter Gabelköpfe:
Diese haben eine Gabelform und können verwendet werden, um einen Zylinder in einer bestimmten Position zu fixieren und ihm gleichzeitig eine gewisse Beweglichkeit zu ermöglichen.
Flanschbefestigung: Bei der Flanschbefestigung wird der Zylinderkopf des Hydraulikzylinders mit einer Flanschplatte oder einem Flanschring direkt an der Maschine oder dem Arbeitsgerät befestigt. Diese Methode bietet eine stabile und sichere Verbindung zwischen dem Zylinder und der Anwendung.
Gewindebefestigung: Einige Hydraulikzylinder haben Gewindebohrungen im Zylinderkopf, die es ermöglichen, den Zylinder direkt an einer entsprechenden Gewindebohrung in der Anwendung zu befestigen. Diese Methode bietet eine feste Verbindung und erfordert keine zusätzlichen Befestigungselemente wie Flansche oder Bolzen.
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