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

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198 7 Arbeitszylinder

Systems wird mit Gl. (7.28) berechnet und muss der Dämpfungsenergie nach Gl.

(7.29)

entsprechen, damit die angestrebte Wirkung erreicht wird.

sin5,0

r sgmvmE

(7.28)

m Masse der bewegten Teile

s Dämpfungslänge

v Geschwindigkeit der bewegten Teile

g Erdbeschleunigung

Winkel der Kraftwirkungslinie gegenüber der senkrechten Einbaulage

Vorzeichen je nach Bewegungsrichtung (+ Schub, - Zug)

Dämpfungskraft

dsFE

(7.29)

Die hydraulische Endlagendämpfung setzt voraus, dass der Rücklaufquer-

schnitt der sich leerenden Zylinderkammer kurz vor Hubende über den Dämp-

fungsweg gedrosselt wird.

Für die praktische Umsetzung gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die am

Kolben angebrachten Zusatzelemente ragen jeweils in den Dämpfungsraum und

bewirken durch den sich ergebenden Gegendruck die Dämpfungskraft. Die we-

sentlichen Arten sind in Abb. 7.17 schematisch dargestellt.

a b

c d

Abb. 7.17 Arten der Endlagendämpfung. a mit Ringspalt b mit Bohrungen c mit Keil-

spalten d mit Drosselventilen

7.3 Zusatzelemente an Zylindern 199

Die Realisierung der Endlagendämpfung gemäß Abb. 7.17 a ist eine kosten-

günstige und sehr einfache Art der Dämpfung, die keine ständige Veränderung der

Dämpfungskraft gestattet. Der Arbeitskolben schließt gemäß Abb. 7.17 b ab-

wechselnd die aus mehreren Bohrungen bestehenden Rücklaufquerschnitte teil-

weise ab. Auch hier ist die Dämpfung nicht regelbar, sie ist von den jeweiligen

Querschnitten der Bohrungen abhängig. Eine weitere Variante ist die in Abb.

7.17 c dargestellte Rücklaufdrosselung, bei der der Dämpfungskolben mit Keil-

spalten oder Drosselkerbe in den Dämpfungsraum ragt. Um beim Anfahren in

Gegenrichtung nicht mit verminderter Kolbenfläche aus dem Dämpfungsbereich

fahren zu müssen, werden Rückschlagventile eingesetzt. Die Endlagendämpfung

gemäß Abb. 7.17 d wird realisiert, indem der Dämpfungskolben kurz vor

Hubende, wenn er die Bohrung im Zylinderdeckel erreicht hat, den Hauptabfluss

der verdrängten Druckflüssigkeit verschließt. Das Fluid muss nun über das

Drosselventil abfließen und es wird der oft einstellbare Gegendruck aufgebaut.

Bei Richtungsumkehr wird der Zylinder mit dem gesamten Volumenstrom beauf-

schlagt, so dass ein ungehindertes Ausfahren des Zylinders möglich ist.

Eine vollkommen andere Möglichkeit stellt der Einsatz von Industriestoß-

dämfern dar, die als separate Komponente parallel zum Hydraulikzylinder an-

geordnet werden [7.33]. Sie werden so dimensioniert, dass sie über ihren Arbeits-

weg hinweg die kinetische Energie des gesamten bewegten Systems so abbauen,

dass bei Erreichen der Endposition keine freie Energie verbleibt. Sie arbeiten ähn-

lich den in Kfz eingesetzten hydraulischen Stoßdämpfern, wobei innerhalb des

System durch den Aufbau von unterschiedlichen Gegendrücken der Bewegungs-

richtung Gegenkräfte entgegengesetzt werden. Sie werden vorrangig dort ein-

gesetzt, wo hohe Geschwindigkeiten verbunden mit großen Kräften in den

Endpositionen der Zylinder nicht zu umgehen sind.

7.3.3 Befestigungsmöglichkeiten der Zylinder

Die Einsatzbedingungen bestimmen die mögliche Befestigungsart von Zylin-

dern. Sie werden entweder in den Zylinderboden integriert oder durch Be-

festigungen am Zylinderkörper realisiert. Die Befestigungsarten unterliegen ver-

schiedenen nationalen und internationalen Normen, um eine Austauschbarkeit

zwischen verschiedenen Herstellern und Ländern zu gewährleisten. Abbildung

7.18 zeigt die grundlegenden Arten, die durch zahlreiche Modifikationen vor

allem als starre Ausführung oder als Kugelgelenk realisiert werden. Es gibt keine

Vorzugsvarianten, sondern die Kinematik, die Kraftwirkungslinie und die Einbau-

verhältnisse bestimmen die Befestigungsart, die in jedem Fall gemeinsam mit der

Gestaltung des Kolbenstangenendes zu betrachten ist.

Die Befestigung hat immer so zu erfolgen, dass die in Tabelle 7.3 angegebenen

Belastungsfälle eingehalten werden, also keine statisch unbestimmten Systeme

vorliegen bzw. keine außermittige Krafteinleitung erfolgt. Um das zu realisieren,

müssen die beiden Zylinderbefestigungen entsprechend gestaltet werden. Die Kol-

benstangenenden werden so ausgelegt, dass sie aufzuschrauben sind oder ander-

weitig befestigt werden können. Die Gestaltung selbst erfolgt nach den erforder-

200 7 Arbeitszylinder

lichen Gegebenheiten als Gewindeanschluss, Gelenkauge, Querrohr oder nur als

Bohrung in der Kolbenstange.

a b c

d e

Abb. 7.18 Befestigungsarten. a Flanschbefestigung am Zylinderkopf b Flanschbefestigung

am Zylinderboden c Fußbefestigung d Schwenkbodenbefestigung e Gelenkaugenbe-

festigung

7.3.4 Wegmesssysteme

Zylinderantriebe mit Wegmessung erweitern die Einsatzmöglichkeiten der Zylin-

der und sind für geregelte translatorische Achsen eine Grundvoraussetzung. Dabei

ist grundsätzlich zwischen in den Zylindern integrierbaren Verfahren und externen

Verfahren zu unterscheiden. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die Art der

Wegmessung, die auf der Basis analoger und digitaler Verfahren ausgeführt wer-

den kann.

Unter den analogen Systemen dominieren die Widerstandswegmessung (mit

Potentiometer) für Längen bis ca. 1 m und der Einsatz induktiver Sensoren für

Längen bis ca. 500 mm. Dagegen hat die kapazitive Wegmessung nur für sehr

kleine Wege Bedeutung.

Die induktiven Sensoren arbeiten als passive Sensoren, die auf dem Prinzip der

Selbstinduktion basieren. Fließt durch eine Spule ein Wechselstrom, so erzeugt

dieser ein sich ständig änderndes Magnetfeld, das wiederum in der Spule gemäß

dem Induktionsgesetz eine Spannung induziert. Zur Lagemessung wird eine weg-

abhängige Induktionsänderung genutzt. Es werden vorwiegend Aufnehmer ver-

wendet, die nach dem Differentialtransformator- oder dem Differentialdrossel-

System arbeiten – sie stellen elektrisch einen Transformator mit einer Primär-

wicklung und zwei lose angekoppelten Sekundärwicklungen dar. Die Sekundär-

wicklungen sind räumlich auf einer gemeinsamen Achse hintereinander liegend

angeordnet und elektrisch einander gegengeschaltet, so dass bei Mittelstellung des

7.3 Zusatzelemente an Zylindern 201

Kerns (Tauchanker) die Ausgangsspannung Null wird. Durch Verschieben des

Tauchankers wird die in den Sekundärspulen induzierte Wechselspannung un-

gleich. Am Ausgang des Aufnehmers liegt dann proportional zur Verschiebung

des Ankers eine Wechselspannung an. Die Spulen werden oft mit einer Träger-

frequenz von 5 kHz oder höher betrieben. Nach einer Demodulation und Filterung

liegt dann ein Gleichspannungssignal vor. Die Aufnehmer sind aufgrund ihres

Aufbaus besonders für den Einsatz unter schwierigen Umgebungsbedingungen

geeignet [7.17].

Wegaufnehmer in Differentialdrossel-Schaltung stellen elektrisch eine Wheat-

ston’sche Halbbrücke mit veränderlichen, komplexen Widerständen dar, die durch

eine Ohmsche Halbbrücke im Trägerfrequenzverstärker ergänzt wird. Die Aus-

gangsspannung der Brückenschaltung ist proportional der Verschiebung eines

Magneteisenkerns. Im Messverstärker wird das Messsignal demoduliert und ge-

glättet. Die berührungsfreien arbeitenden Sensoren sind besonders für kleine We-

ge geeignet.

Für größere Wege sind die offenen Wegaufnehmer nach dem Oszillator-

Dämpfungsverfahren besser geeignet. Bei diesem Verfahren wird durch An-

näherung eines elektrisch leitenden Messobjektes die Dämpfung und damit die

Amplitude eines LC-Schwingkreises verändert. Über einen relativ großen Weg er-

hält man eine der Messobjektposition proportionale Amplitude der Ausgangs-

spannung. Nach der Gleichrichtung und Filterung des Ausgangssignals liegt dann

ein Gleichspannungssignal vor. Bei hohen Oszillatorfrequenzen (50 – 500 kHz)

können sehr dynamische Messsysteme erreicht werden.

Abb. 7.19 Hydraulikzylinder mit integriertem Wegmesssystem (AHP Merkle GmbH)

In Abb. 7.19 ist eine Prüfvorrichtung mit Belastungszylinder dargestellt, die

u. a. für Zerstörungsversuche für kleinere Zylinder eingesetzt wird. Der innerhalb

der Vorrichtung montierte Prüfzylinder wird von dem sichtbaren äußeren Zylinder

belastet. Dadurch, dass der Belastungssensor mit Druck- und Wegsensoren aus-

gerüstet ist, können Aussagen über die Belastungsgrenzen des Prüfzylinders be-

stimmt werden.

202 7 Arbeitszylinder

Eine weitere Möglichkeit ist das magnetostriktive Sensorprinzip, das be-

rührungslos als absolutes Längenmesssystem arbeitet. Kernstück des Wegauf-

nehmers ist ein ferromagnetisches Messelement, wobei die zu messende Position

durch einen beweglichen Dauermagneten markiert wird, der den Wellenleiter um-

schließt. Zur eigentlichen Messung wird ein kurzer Stromimpuls durch den

Wellenleiter geschickt. Dadurch entsteht ein mit dem Impuls laufendes, örtlich

veränderliches zweites Magnetfeld radial um den Wellenleiter. Das Zusammen-

treffen mit dem Magnetfeld des Positionsgebers löst einen Impuls aus. Die Lauf-

zeit zwischen zwei Impulsen wird ausgewertet und damit die Stelle des Positions-

gebers bestimmt. Die digitalen Verfahren arbeiten entweder mit codierten

Linealen oder mit Ultraschall. Die Verfahren mit Längenmassstäben können

inkremental oder absolut arbeiten.

7.4 Überprüfung von Zylindern

Grundvoraussetzung für die optimale Funktion von Zylindern ist deren exakte Fer-

tigung, da nur so leckagefreie und reibungsarme Komponenten hergestellt werden

können. Für die Bewertung der Dichtheit der eingesetzten Dichtungen in Hydrau-

likzylindern gibt es in Deutschland derzeit keine verbindlichen Richtlinien bzw.

Normen. In der Praxis werden häufig bei der Abnahme von Standardzylindern

Funktionsproben mit Sichtprüfung durchgeführt, bzw. erfolgt die Prüfung nach ei-

genen Vorschriften. Meist geschieht dies in Anlehnung an die amerikanische Prüf-

norm ASME B30.1 bzw. die in Österreich und der Schweiz geltende ISO

101000:2001. Die wesentlichen Aussagen beider Normen sind nachfolgend dar-

gestellt:

x ISO 10100:2001

1. Stick-Slip-Test,

Zylinder wird mit 5 bar (Zylinderdurchmesser D  32 mm) bzw.

10 bar (D > 32 mm) beaufschlagt und mindestens 3 Mal in die

Endpositionen gefahren,

2. Sichtprüfung nach innerer Leckage,

Zylinder wird unter max. Betriebsdruck ein- und ausgefahren,

3. Sichtprüfung nach äußerer Leckage,

wechselseitiges Beaufschlagen der Kolbenboden- bzw. Stangen-

seite mit 1,5-fachem des max. Betriebsdrucks, 10 s Haltezeit.

x ASME B30.1

1. Dichtheitsprüfung mit 10 Arbeitsspielen bei 110% des max. Be-

triebsdruckes über den gesamten Hub,

2. Dichtheitsprüfung mit einer Belastung des Zylinders bei 90%

des maximalen Hubes und dem 1,5-fachen des Betriebsdruckes.

x VDMA Richtlinie 24577

Beurteilung von Zylindern durch Reibkraftmessungen.

7.4 Überprüfung von Zylindern 203

Vor diesem Hintergrund wurden von [7.36] experimentell gestützte Unter-

suchungen durchgeführt. Die Experimente wurden an ausgewählten Zylindern und

Dummys (dem Zylindervolumen entsprechende verschlossene Rohre) durch-

geführt. Aufbereitete Messwerte von Druckhalteprüfungen sind in Abb. 7.20 dar-

gestellt. Es ist eindeutig erkennbar, dass bei dem Prüfzylinder während Langzeit-

messungen über mehrere Tage keine Druckverluste bzw. Leckagen nachweisbar

sind. Der Zylinder wurde zu Beginn der Messung mit 300 bar beaufschlagt und

die Kugelventile geschlossen. Über die gesamte Messzeit wurde kein Öl nach-

gefördert. Bedingt durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten des Öles und

des Zylinderkörpers bzw. der Kolbenstange ergeben sich die ermittelten Mess-

werte. So ist zu erkennen, dass die Druckschwankungen ausschließlich durch die

Temperaturschwankungen hervorgerufen werden.

240

260

280

300

320

0 24487296120

Zeit [h]

Druck [bar]

Temperatur [°C]

p2 [bar]

Kolbenbodenseite

T2 [°C]

Kolbenbodenseite

T3 [°C]

Raumtemperatur

Abb. 7.20 Langzeituntersuchung zum Druckhaltevermögen. 1 Druck Kolbenbodenseite,

2 Raumtemperatur, 3 Temperatur Kobenbodenseite

Mit Hilfe eines mathematischen Modell (gemäß Abb. 7.21) kann die thermo-

dynamischen Veränderungen des Systems werden. Die Ermittlung der

Temperaturverläufe erfolgt über die Wärmeströme



. Der innere Wärmestrom

ergibt sich zu:



Metall

Öl

iii

TTAQ 



(7.30)

Der äußere Wärmestrom ergibt sich zu:



UmgebungMetallaaa

TTAQ 



(7.31)

Anhand der Wärmeströme kann die Energieänderung des Öls und des Metalls

ermittelt werden:



ttQtQE

Öl

 ' '



(7.32)











ttQQtQQE

aiaiMetall

 ' '



(7.33)

Mit nachfolgenden Gln. wird der Verlauf der Öl- und Metalltemperatur iterativ

von Punkt zu Punkt berechnet:

1 2 3

Zei

[

]

204 7 Arbeitszylinder





1,2, ÖlÖlÖlÖlÖlÖlÖlÖl

TTcmTcmE  ' '

(7.34)

ÖlÖl

Öl

ÖlÖl





1,2,

(7.35)





1,2, MMMMMMMM

TTcmTcmE  ' ' (7.36)





1,2,

(7.37)

Öl

, m

Öl

, T

Öl

Metall

, m

Metall

Umgebung

Metall

Abb. 7.21 Modell zur Bestimmung der Wärmeströme an Hydraulikzylindern

In einem geschlossenen System, wie es bei einem statischen Zylindertest vor-

liegt, wird durch eine Temperaturänderung eine Volumenänderung und damit eine

Druckänderung verursacht. Befindet sich das System im thermischen Gleich-

gewicht, dann sind bei einem geschlossenen System keine Druckänderungen zu

erwarten.

Der Temperatureintrag beim Drucktest, unabhängig von der Zylindergröße be-

trägt ca. 0,01 K/bar. In Abhängigkeit von der Wärmekapazität des Zylinders sowie

der Ölmenge wird der zeitliche Verlauf des Temperaturausgleichs beeinflusst. Die

Dauer bis zum Erreichen des stabilen thermischen Zustandes nimmt mit der Größe

der Zylinder zu und erreicht bei größeren Zylindern Zeiträume von mehreren

Stunden.

Der Druckverlust infolge der Temperaturänderung betrug bei den untersuchten

Zylindern etwa 10 bar/K. Das Simulationsmodell bietet die Möglichkeit, für einen

beliebigen Zylinder den zu erwartenden Enddruck in Abhängigkeit des Tempera-

tureintrages zu bestimmen.

Mit dem Simulationsmodell wird es möglich, innere Leckagen zu erfassen. De-

fekte an den Kolbendichtungen verursachen zwar keine umweltgefährdenden äu-

ßeren Leckagen; sie sind beim statischen Drucktest jedoch deutlich schwieriger zu

detektieren und beeinträchtigen die Funktionsfähigkeit bis hin zum Versagen des

Zylinders.

Die Ursachen des Druckverlustes sind im Wesentlichen auf thermische Vor-

gänge zurückzuführen, solange der Zylinder dicht ist. Wird davon ausgegangen,

dass das Öl im Hydraulikzylinder unter Druck steht und allmählich auskühlt, und

7.4 Überprüfung von Zylindern 205

dabei sich das Ölvolumen durch die sinkende Temperatur verringert. Durch die

Kompressibilität des Öls wird jedoch erreicht, dass sich das Öl entspannt, es somit

zu einem Druckabfall kommt, und das Öl wiederum das innere Zylindervolumen

annimmt. Mit Gl. (7.38) kann das mathematisch erfasst werden

 ' 1

Zyl

. (7.38)

Bei einer anderen Betrachtungsweise wird der Zylinder als starrer Körper, der un-

abhängig von Temperatur- und Druckänderungen volumenkonstant ist, an-

genommen. Das heißt, der Betrag, um den sich das Öl aufgrund der Abkühlung

zusammenzieht, wird infolge der Kompressibilität des Öls ausgeglichen, so dass

wieder das Ursprungsvolumen herrscht.

pÖltÖl

' ' (7.39)

kTp

ÖltÖl

' '

(7.40)

Für den Einsatz des Simulationsmodells bei Zylinderprüfungen müssen folgen-

de Bedingungen realisiert werden:

x Das System Fluid-Zylinder-Umgebung muss bei Testbeginn im thermi-

schen Gleichgewicht stehen;

x Die Umgebungsbedingungen dürfen sich während des Tests nicht ändern;

x Wärmeeinträge, außer die durch die Druckbeaufschlagung verursachten,

wie z. B. durch die Reibung bei Zylinderhub, durch Befüllung mit war-

mem Öl etc., müssen vermieden werden;

x schneller Aufbau des Prüfdrucks (max. 1 – 2 s),

x zylindernahe Absperrventile,

x geeignete Ventiltechnik (unter Druck schaltbar; 100%-ig dicht),

x Wärmebrücken zwischen Zylinder und Prüfstand sind zu vermeiden und

x Bestimmung der zylinderspezifischen Wärmeübergangskoeffizienten.

Das Modell wurde an Zylindern mit Elastomerdichtungen und an reibungs-

optimierten Zylinder mit Gleitringdichtungen erfolgreich erprobt. Durch Realisie-

rung von messbaren Spalten im Bereich der Dichtungen ergibt sich der in Abb.

7.22 dargestellte Verlauf. Das Öl strömt durch den Dichtbereich des Zylinder-

kolbens und der sich daraus ergebende Druckabfall ist in kürzester Zeit erkennbar

(gestrichelte Linien). Dieser Sachverhalt entspricht einer Fehlmontage des Zylin-

ders bei der Fertigung, diese Zylinder sind auch bei Kurzeitprüfungen eindeutig

erkennbar.

206 7 Arbeitszylinder

Abb. 7.22 Druckabfallmessung an Hydraulikzylindern. 1 Zylinder funktionstüchtig, 2 Zy-

linder defekt

Unter messtechnisch vertretbarem Aufwand und hinreichender Genauigkeit der

Aussagen stellt die zeitbezogene Druckabfallmessung die praktisch umsetzbare

Lösung dar [7.18]. In Abb. 7.23 ist schematisch ein Lösungsvorschlag dargestellt,

dabei wird deutlich, dass vor allem die Spannvorrichtungen für den schnellen

Prüfzylinderwechsel unter der Voraussetzung, dass Zylinder mit unterschiedlichen

geometrischen Daten zu prüfen sind, den Aufwand ausmachen. Dieser Prüfstand

wird erfolgreich zur Qualitätskontrolle von Hansa-Flex AG Aggregatebau in

Dresden [7.19] eingesetzt.

Abb. 7.23 Zylinderprüfstand (HANSA-FLEX AG Aggregatebau Dresden)

8 Ventile

Die Verbraucher (Hydromotoren bzw. Arbeitszylinder) erhalten von der Volu-

menstrom- bzw. Druckquelle ihre hydraulische Leistung und formen sie in me-

chanische Leistung um. Damit die Verbraucher an der anzutreibenden Maschine

die geforderten Parameter (z. B. Drehzahl, Drehmoment bzw. Geschwindigkeit,

Kraft) zeitlich und größenmäßig zur Verfügung bringen können, sind Ventile in

den Kreislauf zu schalten.

Ventile haben die Aufgabe, die hydraulische Leistung zu steuern bzw. zu re-

geln, um damit Start bzw. Stopp zu bewirken sowie Richtung und Größe des Vo-

lumenstromes und/oder Größe des Druckes zu beeinflussen. Dabei erhalten die

Ventile ihre Schalt- und Steuerinformationen meist als elektrische oder mechani-

sche Informationen über ihre Betätigungselemente. Häufig werden diese Informa-

tionen aus den aktuellen Parametern des Hydraulikkreislaufs entsprechend der

vorhandenen Schalt- bzw. Regelungsstruktur gewonnen. Die Ventilfunktion wird

durch Öffnen oder Schließen der Ventilelemente verwirklicht. Dabei sind definier-

te Schaltstellungen für freien Durchfluss oder Sperrung, aber auch stetig verstell-

bare Zwischenstellungen der Ventilelemente zur Drosselung des Durchfluss-

stromes gebräuchlich. Die Ventilelemente sind als Sitzelemente oder

Schieberelemente ausgeführt (

Abb. 8.1).

Abb. 8.1 Ventilelemente. a Kugelsitzelement b bis d Kegelsitzelemente e schieber-geführ-

tes Kegelsitzelement f Teller- bzw. Plattenelement g Kolbenlängsschieberelement

D. Will, N. Gebhardt (Hrsg.), Hydraulik,