Will D., Gebhardt N. (Hrsg.) Hydraulik: Grundlagen, Komponenten, Schaltungen

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188 7 Arbeitszylinder

den doppeltwirkende Arbeitszylinder mit einseitiger Kolbenstange eingesetzt, so

sind für das Ein- und Ausfahren die jeweiligen Kräfte zu ermitteln.

T=konst.

Abb. 7.12 Wirkungsgrad von Arbeitszylindern

7.2.3 Knickung

Hydraulikzylinder müssen aufgrund ihrer Bauart, die sich aus einer großen Länge

gegenüber dem Durchmesser für die Kolbenstange ergibt, auf Knickung berechnet

werden. Dazu wird, sofern die Bedingung gemäß Gl. (7.20) erfüllt ist, von den Be-

rechnungsvorschriften nach Euler

[7.4] ausgegangen

(7.20)

(7.21)



(7.22)

Die für den gesamten Zylinder maximal zulässige axiale Kraft F wird unter Be-

rücksichtigung der freien Knicklänge l

und des Sicherheitsfaktors S mit Gl. (7.23)

berechnet







(7.23)

Bei Berechnung der Kraft F gemäß Gl. (7.23) bzw. (7.24) sind die nachfolgend

angegebenen Kenngrößen zu berücksichtigen. Der Einfluss der Befestigungsart

auf die Knicklänge ist Tabelle 7.3 zu entnehmen und in Gl. (7.23) der ent-

sprechende Wert einzusetzen. Ist Gl. (7.20) nicht erfüllt, so erfolgt die Berechnung

nach Tetmayer, da sonst mit einer Knickspannung gerechnet würde, die größer ist

als die Spannung der Proportionalitätsgrenze. Nach Tetmayer wird die Gl. (7.24)

verwendet [7.4]. Für die materialabhängigen Koeffizienten der Tetmayer-

Geradengleichung s. z. B. [7.10]. Für S 235 gilt z. B. a = 310 N/mm

und b = 1,14

N/mm

7.2 Berechnung von Zylindern 189

Kolbenstangenfläche

Elastizitätsmodul des Kolbenstangenmaterials

Elastizitätsmodul des Zylinderkörpermaterials

Trägheitsmoment der Kolbenstange (Rundmaterial:



)

Trägheitsmoment des Zylinderkörpers (Zylinderrohr:

)(



)

S Sicherheitsfaktor in der Regel 1 – 3,5 je nach Einsatzfall

freie Knicklänge (s. Tabelle 7.3)

Schlankheitsgrad

Vergleichswert

Korrekturfaktor für Zylinder oft 1, sonst gemäß Gl. (7.25)

Proportionalitätsgrenze des Kolbenstangenmaterials

F maximale axiale Kraft

Innendurchmesser des Zylinderkörpers

Kolbenstangendurchmesser

Außendurchmesser des Zylinderkörpers

Absolutglied der Tetmayer-Gerade (materielabhängig!) in N/mm

Anstieg der Tetmayer-Funktion (materialabhängig!) in N/mm

Tabelle 7.3 Auswahl der freien Knicklänge in Abhängigkeit von der Befestigungsart [7.2]

Belastungsfall

1 2 3 4

symbolische Dar-

stellung

Einbausituation

für Zylinder

freie Knick-

länge

 2 ll

 7,0 ll

 5,0

190 7 Arbeitszylinder

)(





(7.24)

Für Sonderbauarten bzw. spezielle Einsatzfälle gibt es zum Teil gesonderte

Vorschriften. So ist z. B. für Rettungsgeräte in DIN 14751 die Berechnung auf

Knicksicherheit geregelt. Die Besonderheit besteht hier darin, dass auch der Zy-

linderkörper mit einem Steifigkeitsfaktor K

berücksichtigt wird, der sich aus Gl.

(7.25) ergibt





6,06,1

(7.25)

Grundsätzlich ist darauf Wert zu legen, dass die Krafteinleitung immer mittig

in der Kolbenstangenachse erfolgt und Biegekräfte vermieden werden müssen.

Diese Forderung wird wesentlich von der konstruktiven Auslegung der Zylinder-

befestigung beeinflusst (s. Abschn. 7.3.2).

7.2.4 Auslegung

Aus den bisherigen Darstellungen ergibt sich unmittelbar der Algorithmus für die

Auslegung von Zylindern. Am Beispiel eines doppeltwirkenden Zylinders beim

Ausfahren wird der Ablauf dargestellt. Unter Berücksichtigung der Gln. (7.3) und

(7.16) ergibt sich die Gl. (7.26) für die Berechnung des Kolbendurchmessers d

wenn der Einfluss des Gegendruckes vernachlässigt wird (p

= 0)

max1





(7.26)

Wird mit einem gängigen Kolbenflächenverhältnis

gearbeitet, so kann mit

Gl. (7.27) der Kolbenstangendurchmesser d

ermittelt werden



 dd

(7.27)

Aus den nunmehr bekannten Daten muss aus Herstellerunterlagen ein realer

Zylinder ausgewählt werden. Die gewählten Durchmesser, die Länge des Zylin-

ders und das gewählte Material beeinflussen die zu überprüfende Knicksicherheit,

die maximale Hubkraft und die Arbeitsgeschwindigkeit unter Berücksichtigung

des Wirkungsgrades.

7.3 Zusatzelemente an Zylindern 191

7.3 Zusatzelemente an Zylindern

7.3.1 Dichtungen

Ausgehend von der Wirkungsweise ist zwischen Dichtungsformen zu unter-

scheiden, die innen und/oder außen dichten können, d. h. als Kolben- und/oder als

Stangendichtung einsetzbar sind. Die ursprüngliche Dichtungsform war der

Nutring, der aus Chromleder hergestellt wurde [7.21], alle anderen Formen

wurden später entwickelt, als elastomere Werkstoffe zur Verfügung standen. Ver-

bunden mit nahezu beliebiger Formgebungsmöglichkeit können so vielfältige Ab-

dichtungsprobleme gelöst werden [7.20 – 7.23 und 7.30]. Die gesamte Proble-

matik der Abdichtung und Führung der Kolbenstange und des Kolbens eines

Hydraulikzylinders ist in Abb. 7.13 dargestellt.

Abb. 7.13 Dichtungssystem eines Hydraulikzylinders. 1 Kolbendichtung, 2 Stangen-

dichtung, 3 Abstreifer, 4 Kolbenführung, 5 Stangenführung

Derzeit werden vorwiegend nachfolgende Dichtwerkstoffe verwendet:

x Thermoplastische Elastomere,

x Elastomere oder

x Thermoplaste.

Ein typischer Vertreter der thermoplastischen Elastomere ist Polyurethan-

Elastomer (TPE-U), das von folgenden Eigenschaften geprägt ist:

x in ausgewählten Temperaturbereichen besitzen sie ähnliche Eigen-

schaften wie Gummi,

x vielfältige Möglichkeiten in der Formgebung durch unterschiedliche Po-

lyurethan-Zusammensetzungen,

192 7 Arbeitszylinder

x Quellverhalten in Wasser, Fetten, Ölen und Lösungsmitteln kann durch

Weichmacher beeinflusst werden,

x zeichnen sich durch höhere Verschleißfestigkeit gegenüber anderen

Elastomerwerkstoffen aus,

x gutes Tieftemperaturverhalten (Spezial-Polyurethane) und

x hydrolyse- und alterungsbeständig.

Thermoplastische Elastomere sind in Abb. 7.14 am Bsp. von Polyurathan-Elasto-

meren in der chemischen Grundzusammensetzung und als Ausgangsmaterial dar-

gestellt.

Abb. 7.14 Ployurethan-Elastomere (TPE-U)

Den Elastomeren können Nitributadienkautschuk (NBR) und Fluorkautschuk

(FKM) zugeordnet werden. NBR ist dabei besonders für Standardhydrauliköle auf

Mineralölbasis und ÖL-Wasser-Emulsionen geeignet. Der Einsatz ist in einem

Temperaturbereich von -45°C – 120°C möglich. Durch Zusatzstoffe können be-

sondere Einsatzbedingungen beachtet werden. FKM ist dort verwendbar, wo

Dichtmaterialien nicht mehr sicher abdichten. Der Temperaturbereich erstreckt

sich von -30°C – 230°C bei einem guten Druckverformungsrest (Compression-

Set). Zu den Thermoplasten gehören Polytetraflourethylen (PTFE), Polyoxy-

methylen (POM) und Polyamid 6 Guss (PA 6 Guss). PTFE werden mit ver-

stärkenden Compounds eingesetzt, um die mechanische Belastbarkeit des PTFE

zu erhöhen. Sie besitzen so ein sehr gutes Verhalten gegen Verschleiß und Druck-

belastung bei niedrigen Reibbeiwerten. Des weiteren haben sie folgende Eigen-

schaften:

x PTFE ist ein Fluorkunststoff mit außergewöhnlich guten chemi-

schen, thermischen, elektrischen, antiadhäsiven und tribologischen

Eigenschaften, der sich zum Teil thermoplastisch verhält,

x ist in der Schmelze hochviskos und lässt sich nicht im Spritzgieß-

verfahren verarbeiten, spezielle Press- und Sintertechniken sind nö-

tig. PTFE-Derivate wie PFA und FEP sind dagegen im Spritzgieß-

verfahren verarbeitbar,

7.3 Zusatzelemente an Zylindern 193

x PTFE und PFA besitzen die höchste Chemikalienbeständigkeit aller

Kunststoffe aufgrund der starken Kohlenstoff-Fluor-Bindung in der

Molekülkette,

x niedriger Reibungskoeffizient, sowohl statisch als auch dynamisch

(verhindert Stick-slip),

x äußerst geringe Wasseraufnahme, fast universelle Medien-

beständigkeit und

x sehr großer Temperaturbereich.

Abb. 7.15 Elastomere und Thermoplaste. a Nitrilbutadienkautschuk (NBR) b Polytetra-

fluorethylen (PTFE) mit diversen Füllstoffen

POM wird häufig als Basiswerkstoff für Führungsringe und Stützringe verwendet

(Abb. 7.15).

PA 6 GUSS ist ebenso für Führungs- und Stützringe einsetzbar und wird be-

sonders bei komplizierten Strukturen verwendet, wobei nachfolgende Effekte zu

beachten sind:

x PA 6 Guss ist ein hochmolekulares Polyamid, mit dem auch große

Elemente realisiert werden können.

x gute Abriebfestigkeit und Gleiteigenschaften,

x Herstellung von Halbzeugen, die im Extrusions- oder Spritzgießver-

fahren nicht möglich oder wirtschaftlich wären, aufgrund seiner rein

chemischen, drucklosen Polymerisation in beheizten Formen,

x die Wasseraufnahme und damit verbundene Volumenänderung wird

durch etwas höhere Toleranzen bei den Teilen berücksichtigt.

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Abb. 7.16 Polyoxylmethylen (POM)

Zu den einzelnen Werkstoffgruppen gibt es zahlreiche Modifikationen, die je nach

Hersteller unter verschiedenen Handelsnamen bekannt sind. In Tab. 7.4 wird ein

Überblick vermittelt.

Tabelle 7.4 Auswahl gebräuchlicher Dichtwerkstoffe [7.35]

Werkstoff-

gruppe

Kurzbezeichnung Werkstoff Geschützte Handels-

namen

(Auszug)

NBR Nitrilkautschuk Perbunan, Europrene

N, Nipol

CR Chloropen-Kautschuk Baypren, Neopren

AU/EU Polyurethan Urepan, Ullrathan,

Desmopan, Adipren

EPM, EPDM Ethylen-, Propylen-

Kautschuk

Buna EP, Vistalon,

Nordel, Keltan

Elastomere ACM, AEM Acrylatkautschuk Nipol AR, HyTemp,

Vacmac

HNBR Hydrierter Nitril-

kautschuk

Therban, Zeptol

VMQ, PMQ,

PVMQ

Silikon-Kautschuk Elastosil, Silopren

FMQ, FVMQ Fluor-Silikon-

Kautschuk

Silastic

FKM Fluorkautschuk Viton, Florel, Tecni-

fon, Dai-EI

FFKM Perfluorkautschuk Kalrez, Isolast,

Parofluor, Simriz

Thermische TPE-E Thermoplastisches

Polyester-Elastomer

Hytrel

Elastomere TPE-U Thermoplastisches

Polyurethan-Elastomer

Thermoplaste PTFE Polytetrafluorethylen Teflon, Hostaflon

POM Polyoxymethylen Ultraform, Hostaform,

Delrin

PA 6 GUSS Polyamid 6 Guss Ultramid, Durethan

PE-UHMW Polyethylen Lupolen, Hostalen

PEEK Polyetheretherketon Victrex

7.3 Zusatzelemente an Zylindern 195

x Stangendichtungen

In Hydraulikzylindern ist die Stangendichtung die kritische Stelle. Von ihr wird

im Stillstand (v

Kolben

= 0) und während der Bewegung absolute Dichtheit erwartet.

Sie hat gegenüber der Kolbendichtung eine hohe Vorpressung und verursacht da-

her auch die größte Reibung. Den Stangendichtungen muss, aufgrund der an sie

gestellten Anforderungen, besonderes Augenmerk geschenkt werden. Die Dicht-

kante ist dabei so zu gestalten, dass sie keine Leckage zulässt, trotzdem aber einen

ausreichenden Schmierfilm aufbaut, damit keine übermäßige Reibung entsteht.

Reißt der Schmierfilm am Anfang der Dichtung ab, arbeitet der Rest der Dichtung

im Trockenlauf. Dies kann zu kritischen Temperaturerhöhungen, übermäßigem

Verschleiß und zu Stick-Slip-Effekten führen. Wegen der großen Dichtheits-

anforderung an Stangendichtungen wurden in den letzten Jahren verstärkt PUR-

Werkstoffe eingesetzt, deren Abdichtfähigkeit um eine Größenordnung höher liegt

als die vergleichbarer Gummiwerkstoffe. Grund dafür ist das gute Elastizitätsver-

halten bei großen Shore-Härten. Nach der Art der Anpresskrafterzeugung werden

Stangendichtungen in Lippen- und Kompaktdichtungen unterschieden.

x Lippendichtungen

Der Nutring ist das Standardelement für Lippendichtungen. Unter ihnen gibt es

solche mit gleich langer Innen- und Außenlippe, die hauptsächlich aus Elastome-

ren oder Polyurethanen gefertigt werden. Daneben finden auch mit Elastomeren

getränkte Gewebedichtungen Anwendung.

Der Querschnitt der Dichtung ist größer als der Nennquerschnitt des Einbau-

raumes, um durch das Übermaß und die dadurch hervorgerufene Vorspannung

eine Dichtwirkung zu erzielen. Dabei kommt der Rücken der Dichtung im un-

belasteten Zustand nicht zur Anlage an die Gegenfläche. Steigt der Druck des

Hydraulikmediums, führt dies zur Verformung des Dichtelements und zu einer

wachsenden Auflagefläche der Dichtung, bis diese bei höheren Drücken über ihre

gesamte Länge zur Anlage kommt. Durch das Druckmedium werden bei

steigender Belastung die Lippen auseinandergepresst.

Imprägnierte Gewebedichtungen benötigen wegen ihrer großen Steifheit im

Niederdruckbereich einen Stützring, für den oft Elastomere eingesetzt werden. Sie

stellen besondere Konstruktionsanforderungen an den Einbauraum und dessen Zu-

gänglichkeit und werden auch als Dichtungen an ruhenden Flächen eingesetzt.

Droht bei zu großen Drücken Spaltextrusion, indem die Dichtung in den Spalt hin-

ter der Dichtung gequetscht wird, bieten thermoplastische Backringe Abhilfe.

Dabei sind moderne Polyurethane nicht so anfällig wie Elastomere und kom-

men daher teilweise auch ohne Backring aus. Neuere Nutringkonstruktionen ha-

ben eine verkürzte Innenlippe. Der Dichtvorgang geschieht auf die gleiche Weise

wie bei Nutringen mit gleichlangen Lippen. Der Dichtungsrücken hat etwas Un-

termaß, so dass im Niederdruckbereich nur die Dichtlippe zur Absenkung der

Reibkraft anliegt. Um die Dichtwirkung im Niederdruckbereich zu verbessern,

werden Nutringe mit einer weiteren Dichtkante ausgeführt. Bei dieser Art kommt

im Hochdruckbereich ebenfalls die gesamte Dichtungslänge mit der Stange in Be-

rührung. Durch Aufrauung der Dichtfläche mit 2 – 3 Gewebelagen wird eine Auf-

196 7 Arbeitszylinder

rechterhaltung eines ausreichenden Schmierfilms im Hochdruckbereich erreicht.

In den so entstandenen Mikrokavernen lagern sich geringe Schmierstoffmengen

an, die für eine optimale Schmierung ausreichen.

Eine weitere Form der Lippendichtungen sind einzelne Lippenringe und zu-

sammengesetzte Dachmanschetten. Beide haben keinen geraden Dichtungsrücken

und benötigen zur Abstützung auf der druckabgewandten Seite einen Druckring.

Auf der Druckseite des Dichtsatzes werden zur axialen Arretierung Stützringe

eingesetzt. Damit die Reibung dieser Dichtungen nicht zu stark ansteigt, werden

sie ohne oder mit geringer axialer Verspannung eingebaut. Mittels Distanz-

scheiben kann die Länge des Einbauraumes variiert werden. Damit ist die Höhe

der Dichtung einstellbar, was auch bei übermäßigem Verschleiß eine Ver-

längerung der Lebensdauer durch Nachspannen ermöglicht. Eine andere Variante

des Nachspannens bieten Federelemente an der Druckseite des Stützrings, dadurch

erfolgt ein „automatisches Nachstellen“, was gleichzeitig wartungsfreundlicher ist.

x Kompaktdichtungen

Im Gegensatz zu den Lippendichtungen sind bei Kompaktdichtungen weder

Dichtlippe noch Nut vorhanden. Bei Elastomer- und PUR-Dichtungen sind diese

vollständig mit Material ausgefüllt. In diesem Sinne stellt die Variante eines Nut-

ringes mit eingesetztem Stützring eine Vorstufe der Kompaktdichtungen dar.

Dichtkanten aus reinem Elastomer bieten eine bessere Dichtheit als Gewebe-

dichtkanten, so dass der Gummiteil so vergrößert wurde, dass im Niederdruck-

bereich fast ausschließlich dieser Teil in Berührung mit der Gegenfläche steht.

Kompaktdichtungen können aus einem oder mehreren Materialien zusammen-

gesetzt sein. Auch sie werden auf Übermaß gefertigt; dies sorgt für die nötige Vor-

spannung im entlasteten Zustand. Unter Druck stehend werden diese Dichtungen

axial gestaucht, was zu einer radialen Ausdehnung und damit steigender Flächen-

pressung führt. Im Hochdruckbereich liegen bei elastischen Kompaktdichtungen

auch die gesamten Dichtungslängen an der Stange an. Die Leerlaufreibung solcher

Dichtungen ist größer als die der Lippendichtungen. Dadurch besitzen sie im

Hochdruckbereich eine größere Dichtwirkung. Dort gibt es nahezu keine Rei-

bungsunterschiede zwischen Lippen- und elastischen Kompaktdichtungen. Ge-

webelagen, die im vorhergehenden Abschnitt beschrieben wurden, können auch

hier mindernd auf die Reibkraft wirken. Eine andere Variante sind unter der Dich-

tung angeordnete Backringe aus reibungsarmen Thermoplasten. Durch form-

technische Maßnahmen können ebenfalls Schmiermitteldepots an der Lauffläche

erzielt werden. Zum Schutz gegen Spaltextrusion dienen Backringe. Als Ersatz für

Dachmanschetten werden länger bauende Kompaktdichtungen mit mehreren

Dichtkanten verwendet, bei denen die schon genannten Maßnahmen zur

Reibungssenkung durch Schmiermitteldepots und Verhinderung von Spalt-

extrusion zur Anwendung kommen. Eine andere Form von spaltextrusions-

resistenten Kompaktdichtungen, die darüber hinaus auch noch hervorragende

Reibeigenschaften aufweisen, ist die Kombination von einem Elastomeren O-Ring

mit einer thermoplastischen Kunststoffdichtung. Der O-Ring dient zum Ausgleich

der geringeren Elastizität der Thermoplaste und sorgt für ausreichende Vor-

spannung. Der Kunststoffring wird meist aus PTFE hergestellt. Dieser Werkstoff

7.3 Zusatzelemente an Zylindern 197

ist extrem reibungsarm, über ein sehr breites Temperaturband einsetzbar und ver-

fügt über sehr gute chemische Beständigkeit gegenüber vielen Hydraulikflüssig-

keiten. Sogenannte Stick-slip freie Dichtungsvarianten bestehen überwiegend aus

solchen Dichtungslösungen.

Nachteilig wirkt sich hierbei die relativ hohe Leckage aus. Als Abhilfe werden

hierzu zwei Stangendichtungen hintereinander angeordnet. Der zweite Dichtring

ist somit druckentlastet und hat die Aufgabe, das Lecköl des ersten Ringes abzu-

streifen. Daher kommt es auch zu fast keiner Reibkrafterhöhung. Die zweite Dich-

tung kann sowohl aus einer baugleichen Kombinationsdichtung als auch aus ei-

nem elastomeren Nutring bestehen.

x Kolbendichtungen

Einfach wirkende Hydraulikzylinder haben nur auf der Arbeitsseite des Kolbens

einen mit Fluid gefüllten Raum und müssen daher gegen die Atmosphäre ab-

dichten. Somit wird bei ihnen absolute Dichtheit gefordert. Es gelten für deren

Kolbendichtungen die gleichen Anforderungen wie für Stangendichtungen. Man

setzt hier die von den Stangendichtungen bekannten Dichtungsformen und

Dichtungssätze ein. Anders verhält es sich bei doppeltwirkenden Kolben

(Differential- und Gleichgangzylinder). Bei ihnen können beide Seiten des

Kolbens zur Arbeitsseite werden; dabei wird in den jeweiligen Arbeitsraum Öl ge-

fördert, während jeweils aus der anderen Seite das Fluid zum Tank abfließt. Somit

bedeutet Leckage „lediglich“ Energieverlust, der jedoch bei einer hermetischen

Dichtung mit einer deutlich größeren Reibarbeit verbunden ist. Die Anforderung

an die dynamische Dichtheit solcher Dichtungen ist geringer. Um jedoch eine Last

an einer bestimmten Stelle halten zu können, müssen auch diese Dichtungen

statisch absolut dicht sein. Die Problematik der sich dehnenden Zylinderrohre

unter Druckbeaufschlagung ist bei der Auslegung der Dichtung zu berück-

sichtigen. Die Kolbendichtungen können als Lippen- oder Kompaktdichtungen

ausgeführt werden.

In der Konstruktionsphase ist zu beachten, dass exakte Abstimmungen hinsicht-

lich der Einsatzanforderungen mit den Dichtungsherstellern vorzunehmen sind.

Als Hilfsmittel werden Softwarepakete angeboten, s. [7.31 – 7.33]. Nicht un-

erwähnt soll bleiben, dass mit Nachdruck an der Verbesserung des mechanischen

Wirkungsgrades von Zylindern und an der Verlängerung der Lebensdauer der

Dichtungen gearbeitet wird [7.24 – 7.28].

7.3.2 Endlagendämpfung

Die Endlagendämpfung bzw. -bremsung, die ein weiches Anfahren des Kolbens in

die Endlage ermöglicht, dient dem Schutz des Zylinders sowie der gesamten An-

lage. Eine Endlagendämpfung ist i. Allg. für größere Kolbengeschwindigkeiten,

die noch weit unter der maximal zulässigen Geschwindigkeit liegen, erforderlich,

da die sich aus dem System ergebende kinetische Energie (abhängig von Masse

und Geschwindigkeit) ansonsten voll von den Endanschlägen im Zylinderboden

bzw. -deckel aufgenommen werden muss. Die Gesamtenergie des mechanischen