Hydraulikzylinder
Hydraulikzylinder
Was ist ein Hydraulikzylinder? Welche Hydraulikzylindertypen gibt es?
Ein Hydraulikzylinder ist die Aktuator- oder „Motor“-Seite eines Hydrauliksystems. Manchmal auch als „Muskeln“ bezeichnet, die leichte Arbeiten wie Heben, Senken, Bewegen oder „Feststellen“ schwerer Lasten ausführen.
Die Pumpe ist die „Generatorseite“ des Systems, die einen konstanten oder regulierten Ölfluss zur Unterseite des Zylinders bringt. Dadurch wird die Kolbenstange nach oben bewegt. Hydraulikzylinder wandeln Druck und Ölfluss in einem Hydrauliksystem in Arbeit oder mechanische Kraft um. Sie werden dort eingesetzt, wo eine lineare Bewegung erforderlich ist, um etwas zu bewegen.
Zylinder werden auch als „Hydraulikzylinder“, „Hydraulikkolben“ oder „Aktuatoren“ bezeichnet. Vereinfacht ausgedrückt wandeln sie Fluidkraft in mechanische Energie um. Der Hydraulikzylinder unterscheidet sich vom Hydraulikmotor dadurch, dass er keine Drehbewegung, sondern eine lineare (transformierende) Bewegung ausführt. Daher der Begriff „Linearmotor“.
Hydraulikzylinder erzeugen große Kräfte und präzise Bewegungen. Daher besteht es aus starken Materialien wie Stahl, die den großen auftretenden Kräften standhalten.
Doppeltwirkende Hydraulikzylinder
In der Industrie werden hauptsächlich zwei Arten von Hydraulikzylinderkonstruktionen verwendet: Stangenzylinder und Zylinder mit geschweißtem Körper. Darüber hinaus gibt es weitere breite Arten von Zylinderkonstruktionen: Teleskop-, Hub-, Differential-, Rephasier- sowie einfach- und doppeltwirkende Hydraulikzylinder.
Hydraulikzylinder sind im Allgemeinen doppeltwirkend. Dies bedeutet, dass unter Druck stehendes Öl auf beide Seiten des Kolbens aufgebracht werden kann, um eine Bewegung in beide Richtungen zu ermöglichen. Manchmal werden einfachwirkende Zylinder verwendet, bei denen das Gewicht der Last genutzt wird, um den Zylinder in die geschlossene Position zu drehen.
Hydraulikzylinder bieten eine größere Flexibilität in Design und Konstruktion bei der Kraftübertragung zwischen zwei verschiedenen Punkten. Zylinder unterschiedlicher Größe ermöglichen es, ein System zu schaffen, das Gewichte ziehen, schieben und heben kann. Darüber hinaus können Biegungen und Ecken in den Systementwurf einbezogen werden, was bei realen Platzbeschränkungen nützlich ist.
Allerdings sollte der Hydraulikzylinder nur zum linearen Schieben und Ziehen verwendet werden. Es dürfen keine Biegebewegungen oder Seitenlasten auf die Kolbenstange oder den Zylinder übertragen werden. Daher sollte eine Rolle idealerweise über eine einzelne Gabel mit einem sphärischen Kugellager verbunden werden. Dadurch kann sich der Zylinder bewegen und jede Fehlausrichtung zwischen ihm und der Last, die er schiebt, wird ausgeglichen.
Überholung / Reparatur von Hydraulikzylindern
Zwei oder mehr Zylinder können „parallel“ oder „in Reihe“ installiert werden. Anschließend werden die Bohrungen und Stangen ausgerichtet, um sicherzustellen, dass alle Stangen gleichmäßig aus- und/oder eingefahren werden, wenn der Durchfluss zum ersten oder letzten Zylinder im Hydrauliksystem geleitet wird. Dies wird als „rephasierende“ Hydraulikzylinder bezeichnet.
Bei „parallelen“ Anwendungen sind die Bohrungs- und Stangenabmessungen immer gleich und Hydraulikzylinder werden immer paarweise verwendet.
Bei „Serien“-Anwendungen sind Bohrungs- und Stangengrößen immer unterschiedlich und es können zwei oder mehr Hydraulikzylinder verwendet werden. Die Löcher und Stangen sind so dimensioniert, dass alle Stangen gleichermaßen aus- oder eingefahren werden, wenn der erste oder letzte Zylinder im System durchströmt wird. Diese hydraulische Synchronisierung der Stangenpositionen macht einen Mengenteiler im Hydrauliksystem oder irgendeine Art mechanischer Verbindung zwischen den Zylinderstangen überflüssig.
Wie funktionieren Hydraulikzylinder?
Hydraulikzylinder, auch Hydraulikzylinder genannt, werden durch unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit, normalerweise Hydrauliköl, angetrieben.
Der Hydraulikzylinder besteht aus einem Zylinderrohr, in dem sich ein mit einer Kolbenstange verbundener Kolben hin und her bewegt. Der Zylinder wird an beiden Enden durch den Zylinderboden – auch Deckelende genannt – und den Zylinderkopf verschlossen. Die zweite Stelle ist dort, wo die Kolbenstange aus dem Zylinder austritt. Der Kolben verfügt über Gleitringe und Dichtungen. Der Kolben teilt das Innere des Zylinders in zwei Kammern. Erstens die untere Kammer oder das Kappenende und zweitens die kolbenstangenseitige Kammer, das „Stangenende“. Der hydraulische Druck wirkt auf den Kolben, um lineare Arbeit und Bewegung auszuführen.
Am Zylinderkörper sind Flansche, Zapfen und/oder Gabeln montiert. Die Kolbenstange verfügt außerdem über Befestigungsvorrichtungen, um den Hydraulikzylinder an dem Objekt oder der Maschinenkomponente zu befestigen, die er schiebt.
Der Hydraulikzylinder ist die Aktuator- oder „Motor“-Seite des Systems. Die „Generator“-Seite des Hydrauliksystems ist die Hydraulikpumpe, die einen konstanten oder regulierten Ölfluss zur Unterseite des Hydraulikzylinders bringt, um die Kolbenstange nach oben zu bewegen. Der Kolben drückt das Hydrauliköl aus der anderen Kammer zurück in den Tank. Unter der Annahme, dass der Öldruck in der Kolbenstangenkammer ungefähr Null ist, entspricht die auf die Kolbenstange ausgeübte Kraft dem Druck im Hydraulikzylinder multipliziert mit der Kolbenfläche (F=PA).
Wird Öl in die kolbenstangenseitige Kammer gepumpt, bewegt sich der Kolben nach unten und das Hydrauliköl aus dem Kolbenbereich fließt drucklos in die Kammer zurück. Druck in der Kolbenstangenflächenkammer (Zugkraft) / (Kolbenfläche – Kolbenstangenfläche).
Teile des Hydraulikzylinders
Ein Hydraulikzylinder besteht aus folgenden Teilen:
Zylinderrohr
Das Zylinderrohr ist größtenteils ein nahtloses, dickwandiges Schmiederohr, das innen bearbeitet werden muss. Zylinderlaufbahn geschliffen und/oder innengehont.
Unten oder Abdeckung
Bei den meisten Hydraulikzylindern sind Zylinder und Boden miteinander verschweißt. Bei unsachgemäßer Ausführung kann das Innere des Laufs beschädigt werden. Aus diesem Grund verfügen einige Hydraulikzylinderkonstruktionen über eine Schraub- oder Flanschverbindung von der Zylinderendkappe zum Zylinder. Diese Art von Zylinderrohr kann in Zukunft zerlegt und repariert werden.
Zylinderkopf
Der Zylinderkopf ist manchmal durch eine Art einfaches Schloss am Lauf befestigt (bei einfachen Zylindern). Im Allgemeinen erfolgt die Verbindung jedoch durch Schrauben oder Flanschen. Flanschverbindungen sind die besten, aber auch die teuersten. Vor der Bearbeitung wird ein Flansch an das Rohr geschweißt. Der Vorteil besteht darin, dass die Verbindung verschraubt und jederzeit leicht zu lösen ist.
Kolben
Der Kolben ist ein kurzes, zylindrisches Metallbauteil, das die beiden Seiten des Zylinderrohrs innen trennt. Der Kolben ist normalerweise mit Nuten versehen, um Elastomer- oder Metalldichtungen aufzunehmen. Bei diesen Dichtungen handelt es sich meist um O-Ringe, U-Ringe oder Gusseisenringe. Sie verhindern, dass das unter Druck stehende Hydrauliköl von der Kolbenseite in die gegenüberliegende Kammer gelangt. Dieser Druckunterschied zwischen den beiden Seiten des Kolbens bewirkt, dass der Zylinder aus- und einfährt.
Kolbendichtungen variieren in Design und Material, um den Druck- und Temperaturanforderungen des verwendeten Hydraulikzylinders gerecht zu werden. Im Allgemeinen eignen sich Elastomerdichtungen aus Nitrilkautschuk oder anderen Materialien am besten für Umgebungen mit niedrigen Temperaturen, während Dichtungen aus Viton für höhere Temperaturen besser geeignet sind. Kolbenringe aus Gusseisen sind die besten Hochtemperaturdichtungen.
Kolbenstange
Die Kolbenstange ist typischerweise ein Stück harter, verchromter kaltgewalzter Stahl, der mit dem Kolben verbunden ist und sich vom Zylinder durch den Stangenkopf erstreckt. Hydraulikzylinder mit doppeltem Stangenende verwenden Aktuatoren mit einer Stange, die sich von beiden Seiten des Kolbens und von beiden Enden des Zylinders erstreckt. Die Kolbenstange verbindet den hydraulischen Aktuator mit der Maschinenkomponente, die die Arbeit verrichtet. Diese Verbindung kann in Form eines Maschinengewindes oder einer Montagebefestigung wie einer Stangengabel oder einer Stangenöse erfolgen. Diese Befestigungselemente können an die Kolbenstange geschraubt oder angeschweißt werden, manchmal sind sie auch ein bearbeiteter Teil des Stangenendes.
Hydraulische Zylinderdichtung
Der Hydraulikzylinderkopf ist mit Dichtungen ausgestattet, um zu verhindern, dass unter Druck stehendes Hydrauliköl durch die Schnittstelle zwischen Stange und Kopf austritt. Dieser Bereich wird Stabdrüse genannt. Normalerweise verfügt es über eine weitere Dichtung, einen sogenannten Stangenabstreifer, der verhindert, dass Verunreinigungen in den Hydraulikzylinder gelangen, wenn die ausgefahrene Stange in den Zylinder eingefahren wird. Die Stangenhülse verfügt außerdem über ein Stangenlager. Dieses Lager trägt das Gewicht der Kolbenstange und führt sie beim Vor- und Zurücklaufen durch die Stangendichtung. In einigen Fällen, insbesondere bei kleinen Hydraulikzylindern, bestehen die Stangenverbindung und das Stangenlager aus einem einzigen integralen, maschinell bearbeiteten Teil.
Zum Schieben und Ziehen sollte ausschließlich ein Hydraulikzylinder verwendet werden. Es dürfen keine Biegemomente oder Seitenlasten auf die Kolbenstange oder den Zylinder übertragen werden. Daher ist die ideale Verbindung eines Hydraulikzylinders eine einzelne Gabel mit sphärischem Kugellager. Dadurch kann sich der hydraulische Aktuator bewegen und jegliche Fehlausrichtung zwischen dem Aktuator und der Last, die er schiebt, kann beseitigt werden.
Konstruktionsarten von Hydraulikzylindern
Teleskopischer Hydraulikzylinder
Die Länge eines Hydraulikzylinders ist die Summe aus Hub, Kolbendicke, Basis- und Kopfdicke und der Länge der Glieder. Normalerweise passt diese Länge nicht zur Maschine. Dabei dient die Kolbenstange gleichzeitig als Kolbenrohr und eine zweite Kolbenstange.
Solche Hydraulikzylinder werden Teleskopzylinder genannt. Wenn wir normale Stangenzylinder als einstufig bezeichnen, handelt es sich bei Teleskopzylindern um mehrstufige Einheiten mit 2, 3, 4, 5 und sogar 6 Stufen. Im Allgemeinen sind Teleskop-Hydraulikzylinder viel teurer als normale Zylinder. Die meisten Teleskopzylinder sind einfachwirkend (Schub). Doppeltwirkende Teleskopzylinder sind Sonderanfertigungen.
Hydraulikzylinder vom Stangentyp
Hydraulikzylinder in Stangenausführung verwenden hochfeste Stahlstangen mit Gewinde, um die beiden Endkappen am Zylinderrohr zu halten. Diese Bauweise wird am häufigsten in industriellen Fabrikanwendungen eingesetzt. Zylinder mit kleinem Durchmesser verfügen normalerweise über 4 Pleuelstangen, während Zylinder mit großem Durchmesser möglicherweise bis zu 16 oder 20 Pleuelstangen erfordern, um die Endkappen unter den enormen Kräften zu halten, die erzeugt werden.
Die National Fluid Power Association (NFPA) hat die Abmessungen hydraulischer Zugstangenzylinder standardisiert. Dies ermöglicht den Austausch von Zylindern unterschiedlicher Hersteller innerhalb der gleichen Baugruppe. Spurstangenrollen können für Service und Reparatur komplett zerlegt werden.
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Hydraulikzylinder mit geschweißtem Körper
Diese Hydraulikzylinder haben keine Pleuelstangen. Der Lauf ist direkt mit den Endkappen verschweißt. Die Anschlüsse werden mit dem Zylinder verschweißt, und die vordere Stangendichtung wird dann normalerweise mit dem Zylinderrohr verschraubt oder verschraubt. Dadurch können die Kolbenstangenbaugruppe und die Stangendichtungen für Wartungsarbeiten entfernt werden.
Geschweißte Schaftzylinder haben gegenüber Zugstangenzylindern eine Reihe von Vorteilen. Geschweißte Walzen haben beispielsweise einen schmaleren Körper und häufig eine kürzere Gesamtlänge, sodass sie besser in die engen Maschinenverhältnisse passen. Geschweißte Zylinder versagen nicht aufgrund der Streckung der Stange bei hohen Drücken und langen Hüben. Die geschweißte Ausführung eignet sich auch zur Individualisierung.
Darüber hinaus lassen sich dem Zylinderkörper ganz einfach Sonderfunktionen hinzufügen. Dazu gehören kundenspezifische Anschlüsse, kundenspezifische Halterungen, Ventilverteiler usw. kann enthalten. Der glatte Außenkörper der geschweißten Walzen ermöglicht auch die Konstruktion mehrstufiger Teleskopwalzen.
Darüber hinaus dominieren Hydraulikzylinder mit geschweißtem Gehäuse den Markt für mobile Hydraulikgeräte. Zum Beispiel in Anwendungen wie Baumaschinen (einschließlich Baggern, Bulldozern) und Materialtransportgeräten (Gabelstapler und Heckhubtüren). Sie werden auch im Tagebau der Schwerindustrie wie Kränen, Bohrinseln und großen Geländefahrzeugen eingesetzt.
Herstellung von Kolbenstangen
Die Kolbenstange eines Hydraulikzylinders arbeitet sowohl innerhalb als auch außerhalb des Zylinders und somit sowohl innerhalb als auch außerhalb der Hydraulikflüssigkeit und der umgebenden Atmosphäre.
Hydraulikzylinderwelle verchromt
Für eine ordnungsgemäße Abdichtung sind glatte und harte Oberflächen am Außendurchmesser der Kolbenstange und der Gleitringe wünschenswert. Auch die Korrosionsbeständigkeit ist von Vorteil. Auf die Außenflächen dieser Teile kann häufig eine Chromschicht aufgebracht werden. Allerdings können Chromschichten porös sein – sie ziehen Feuchtigkeit an und verursachen schließlich Oxidation.
In rauen Meeresumgebungen werden häufig sowohl eine Nickelschicht als auch eine Chromschicht auf den Stahl aufgebracht. Normalerweise werden 40 bis 150 Mikrometer dicke Schichten aufgetragen. Manchmal werden massive Edelstahlstangen verwendet. Für Anwendungen mit geringer Belastung kann hochwertiger Edelstahl wie AISI 316 verwendet werden. Andere rostfreie Stähle wie AISI 431 können ebenfalls verwendet werden, wenn höhere Belastungen, aber geringere Korrosionsbedenken bestehen.
Keramikbeschichtungen
Aufgrund der Unzulänglichkeiten metallischer Werkstoffe wurden keramische Beschichtungen entwickelt. Zunächst schienen die keramischen Schutzsysteme ideal zu sein, doch die Porosität war höher als erwartet. Kürzlich wurden korrosionsbeständige halbkeramische Lunac 2+-Beschichtungen eingeführt. Diese harten Beschichtungen sind nicht porös und nicht sehr spröde.
Längen von Hydraulikzylindern
Kolbenstangen sind in der Regel entsprechend der Anwendung in zugeschnittenen Längen erhältlich. Da gewöhnliche Stäbe einen Weich- oder Weichstahlkern haben, können ihre Enden geschweißt oder bearbeitet werden, um ein Schraubengewinde herzustellen.