Hydraulikzylinder

Ein Hydraulikzylinder an einer Baumaschine

Der Hydraulikzylinder ist ein mittels Flüssigkeit betriebener Arbeitszylinder.

Er wird auch als hydraulischer Linearmotor bezeichnet und zählt zu den hydraulischen Verbrauchern.

Er ist das wichtigste Arbeitselement in der Hydraulik. In ihm wird die Energie aus der Hydraulikflüssigkeit, die von einem hydraulischen Druckspeicher oder einer Hydraulikpumpe geliefert wird, in eine einfach steuerbare, geradlinig wirkende Kraft umgesetzt. Hydraulikzylinder gibt es in unzähligen Bauformen. Für die Kolben- und Stangendurchmesser gibt es DIN/EN-Normen und auch firmeninterne Normen.

Doppeltwirkende Zylinder

Bei doppeltwirkenden Zylindern gibt es zwei gegenüberliegende Kolbenflächen, die mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt werden. Der Zylinder hat dadurch zwei aktive Bewegungsrichtungen.

Funktionsprinzip eines doppeltwirkenden Zylinders

Differentialzylinder, schematisch

Differentialzylinder

Ein Differentialzylinder besitzt nur auf einer Seite der Kolbenfläche eine Kolbenstange. Dadurch besitzt er zwei verschieden große Wirkflächen: Zum einen die Fläche auf der Kolbenseite, die komplett wirkt, und zum anderen die stangenseitige Fläche, bei der nur die Ringfläche wirkt. Das Verhältnis von Kolbenfläche zu Ringfläche wird mit Φ bezeichnet. Dadurch fährt der Differentialzylinder im Normalfall mit zwei verschiedenen Geschwindigkeiten aus und ein. Wird der Zylinder im geschlossenen Regelkreis betrieben, fährt er entsprechend der vom Sollwert vorgegebenen Geschwindigkeit.

Gleichlaufzylinder, schematisch

Gleichlaufzylinder

Ein Gleichlaufzylinder (auch Gleichgangzylinder genannt) besitzt auf beiden Seiten der Kolbenfläche eine Kolbenstange. Das Volumen des ein- und ausströmenden Hydrauliköls ist deshalb immer gleich groß und somit fährt er auch mit derselben Geschwindigkeit ein und aus. Gleichlaufzylinder können auch mit nur einer Kolbenstange realisiert werden. Dabei sorgt eine spezielle Form der Kolbenstange mit internen Bohrungen dafür, dass die Flächenverhältnisse gleich sind.

Tandemzylinder, schematisch

Tandemzylinder

Bei einem Tandemzylinder werden zwei Zylinder so miteinander verbunden, dass die Kolbenstange des ersten Zylinders durch den Boden des zweiten Zylinders hindurch auf dessen Kolbenstange wirkt. Dadurch erreicht man trotz geringer Baugröße aufgrund der Vergrößerung der wirkenden Kolbenflächen eine größere Kraft.

Einfachwirkende Zylinder

Einfachwirkende Zylinder haben nur eine Kolbenseite, die mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt wird. Arbeit kann dadurch nur in eine Richtung verübt werden. Die Rückbewegung erfolgt durch die Eigenmasse oder einer Fremdkraft (beispielsweise einer Feder). Hebebühnen besitzen oft einfachwirkende Zylinder.

Funktionsprinzip eines einfachwirkenden Zylinders

Tauchkolbenzylinder, schematisch

Plungerzylinder

Ein Plungerzylinder (oder auch Tauchkolbenzylinder) besitzt keinen eigentlichen Kolben, die Kolbenstange dient als Kolben. Plungerzylinder haben einen günstigeren mechanischen Wirkungsgrad, müssen aber axial geführt werden.

Teleskopzylinder

Teleskopzylinder, schematisch

Ein Teleskopzylinder besteht aus mehreren ineinander gebauten Zylindern. Er wird häufig in einfachwirkender Bauform, aber auch in doppeltwirkender Bauform gebaut. Auch ist eine Kombination von einfachwirkenden Stufen mit einer doppeltwirkenden Stufe möglich. Der Vorteil von Teleskopzylindern besteht darin, dass sie bei relativ kleinen Einbaulängen große Hübe erzeugen können.

Kräfteberechnung

Die Kraft F eines einseitig und verlustfrei wirkenden Hydraulikzylinders ergibt sich aus dem im Zylinder wirkenden Druck p und der in Arbeitsrichtung senkrecht stehenden Fläche A:

$F = p \cdot A$.

Bei einem Durchmesser d_K des Zylinderkolbens ergibt sich die ausfahrende Kraft F_A zu:

$F_A = p \cdot \frac{d_K^2 \pi}{4}$.

Bei einem Durchmesser d_S der Kolbenstange ergibt sich die einfahrende Kraft F_R zu:

$F_R = p \cdot \frac{\pi}{4}(d_K^2 - d_S^2)$.

Beispiel

Ein mit 100 bar belasteter Hydraulikzylinder mit 63 mm Kolbendurchmesser und 32 mm Stangendurchmesser ergibt folgende ausfahrende Kraft:

$F_A = 100 \cdot 10 \frac{N}{cm^2} \cdot \frac{6{,}3^2 \pi}{4} cm^2 = 1\ kN \cdot 31{,}1\underline7 = 31{,}1\underline7\ kN$

Die einfahrende Kraft des gleichen Zylinders errechnet sich zu:

$F_R = 100 \cdot 10 \frac{N}{cm^2} \cdot \frac{\pi}{4}(6{,}3^2 - 3{,}2^2)\ cm^2 = 1\ kN \cdot 23{,}1\dot3 = 23{,}1\dot3\ kN$

31,17 kN entspricht etwa einer aufgelegten Masse von 3,18 Tonnen.

Alternativen

Als Alternativen für bestimmte Einsatzgebiete stehen Elektrozylinder und Pneumatikzylinder zur Verfügung.

Weblinks

 Commons: Hydraulikzylinder – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien