Einführung: Warum die Auswahl von Hydraulikzylindern wichtig ist
Hydraulisch Zylinder sind wichtige Stellglieder in hydraulischen Systemen. Ihre sorgfältige Auswahl wirkt sich direkt auf die Anpassung und Leistung der Geräte aus. In verschiedenen industriellen Szenarien und unter verschiedenen Arbeitsbedingungen, von der Präzisionsbearbeitung mit Werkzeugmaschinen bis hin zum Einsatz von schweren Baumaschinen, sind die Anforderungen an Hydraulikzylinder sehr unterschiedlich.
Eine unsachgemäße Auswahl kann zu einer geringen Betriebseffizienz, häufigen Ausfällen und sogar zu Sicherheitsrisiken führen. Daher ist eine wissenschaftliche und systematische Auswahlmethode unerlässlich. In diesem Leitfaden werden die wichtigsten Elemente und Schritte für die Auswahl von Hydraulikzylindern analysiert, um Ihnen einen umfassenden und praktischen Auswahlleitfaden an die Hand zu geben.
Schritt 1: Bestimmen des Systemdrucks P
Die Auswahl des Drucks hängt von der Größe der Last (F) und dem Gerätetyp ab. Sie müssen auch Einschränkungen wie den Einbauraum des Stellantriebs, wirtschaftliche Bedingungen und die Verfügbarkeit von Komponenten berücksichtigen.
Wenn die Last feststeht, erfordert ein niedriger Arbeitsdruck größere Abmessungen des Antriebs. Bei einigen Geräten sind die Abmessungen begrenzt, was unter dem Gesichtspunkt des Materialverbrauchs nicht wirtschaftlich ist. Umgekehrt steigen bei zu hohem Druck auch die Anforderungen an Pumpen-, Zylinder- und Ventilwerkstoffe, Dichtungen und Fertigungspräzision, was unweigerlich zu höheren Gerätekosten führt.
Allgemeine Leitlinien:
- Fest installierte Geräte mit weniger Größenbeschränkungen: niedrigeren Druck wählen
- Mobil Maschinen mit Vorrang für Kompaktheit: höheren Druck wählen
Druckauswahl nach Belastung:
| Belastung (kN) | Auslegungsdruck (MPa) |
|---|
| < 5 | 0.8-1.2 |
| 5-20 | 1.5-2.5 |
| 20-50 | 2.5-3.5 |
| 50-100 | 3.5-5 |
| > 100 | > 5 |
Auslegungsdruck nach Gerätetyp:
| Gerätetyp | Auslegungsdruck (MPa) |
|---|
| Landwirtschaftliche Maschinen | 10-16 |
| Werkzeugmaschine | 2.5-4 |
| Kunststoff-Spritzgießmaschine | 14-18 |
| Bergbaumaschinen | 21-32 |
| Baumaschinen | 16-21 |
Schritt 2: Auswahl des Bohrungsdurchmessers D und des Stangendurchmessers d
Nach der Auswahl des Auslegungsdrucks (P ist bekannt) und der Kenntnis der Lastgröße (F) wird die krafttragende Fläche mit Hilfe von Formeln berechnet. Berechnen Sie dann den Durchmesser der Zylinderbohrung auf der Grundlage der krafttragenden Fläche.
Kraftformeln:
- Schubkraft (Push): F1 = A1 × P1 × β
- Zugkraft: F2 = A2 × P2 × β
Flächenberechnungen:
- A1: Schubseitige Kolbendruckfläche (cm²), A1 = π/4 × D² = 0,785 × D²
- A2: Zugseitige Kolbendruckfläche (cm²), A2 = π/4 × (D² - d²) = 0,785 × (D² - d²)
Wo:
- D: Innendurchmesser des Zylinders / Kolbendurchmesser (cm)
- d: Durchmesser der Kolbenstange (cm)
- P1: Schubseitiger Betriebsdruck (kgf/cm²)
- P2: Zugseitiger Betriebsdruck (kgf/cm²)
- β: Belastungsrate
Wichtige Hinweise:
- Die tatsächliche Zylinderleistung ist geringer als die theoretische Leistung
- Lastrate β-Wert: 80% für Anwendungen mit geringer Trägheit, 60% für Anwendungen mit hoher Trägheit
Berechnungsbeispiel
Gegeben: Die Ausgangskraft des Zylinders beträgt 1000 kg, der Betriebsdruck beträgt 70 kgf/cm²
Lösung:
- Kraft F = 1000 kg
- Betriebsdruck P = 70 kgf/cm²
- Belastungsrate β = 0,8
Schritt 1: Berechnung der Druckfläche
A1 = F1 / (P1 × β) = 1000 / (70 × 0,8) = 17,86 cm²
Schritt 2: Berechnen des Bohrungsdurchmessers
A1 = π/4 × D² = 0,785 × D²
D² = 17,86 / 0,785 = 22,75 cm²
D = √22,75 = 4,8 cm = 48 mm
Ergebnis: Der Innendurchmesser der Bohrung sollte 50 mm betragen.
Auswahl des Stabdurchmessers
| Systemdruck | Stangen-Durchmesser-Verhältnis |
|---|
| P ≤ 10 MPa | d = 0,5D |
| P = 12,5 bis 20 MPa | d = 0,56D |
| P > 20 MPa | d = 0,71D |
Je höher der Druck ist, desto größer muss der Durchmesser der Stange sein, um Festigkeit und Stabilität zu gewährleisten.
Schritt 3: Wählen Sie Stroke S
Legen Sie auf der Grundlage der Anforderungen des Gesamtkonzepts der Anlage oder des Gerätesystems die Installationsmethode und den Hub S fest.
Schlaganfall-Formel:
S = tatsächlicher maximaler Arbeitshub (Smax) + Hubspielraum (ΔS)
Wo: ΔS = ΔS1 + ΔS2 + ΔS3
Grundsätze für die Bestimmung des Hubspielraums:
- ΔS1: Fertigungstoleranz für die Einbaumaße der Systemstruktur
- ΔS2: Erforderlicher Arbeitshubspielraum in der Ausgangsposition des Zylinderhubs
- ΔS3: Erforderlicher Arbeitshubspielraum in der Endlage des Zylinderhubs
Das ist wichtig: Bei Hydraulikzylindern, die eine Pufferfunktion benötigen, wirkt sich die Größe des Hubspielraums direkt auf die Pufferleistung aus. Es wird empfohlen, den Hubspielraum ΔS so weit wie möglich zu minimieren.
Überlegungen zum langen Hub: Bei Zylindern, die den in den Produktkatalogen angegebenen maximal zulässigen Hub überschreiten, ist eine Stabilitätsprüfung auf der Grundlage der spezifischen Arbeitsbedingungen (Lastmerkmale, Installationsmethode usw.) durchzuführen.
Schritt 4: Montagemethode auswählen
Die Befestigungsart des Zylinders bezieht sich darauf, wie der Zylinder mit dem Gerät verbunden wird. Nach der Festlegung der Befestigungsmethode sind die Befestigungsmaße zu bestätigen.
Tabelle zum Vergleich der Montagemethoden
| Montageart | Anmeldung | Merkmale |
|---|
| Flanschmontage | Festeinbau, Kraft auf Mittelachse | Optionen für Front-/Heck-/Heckflansch |
| Zapfenbefestigung | Gekrümmte Bewegungsbahnen, Winkelbearbeitungen | Optionen für Gabelzapfen und Stiftmontage |
| Fußmontage | Feste Installation, außermittige Krafteinleitung | Optionen für den vorderen/ hinteren/seitlichen Fuß |
Flanschmontage
Geeignet für feste Installationen, bei denen die wirkende Kraft und der Stützpunkt auf der gleichen Achse liegen. Einbaulage: vorne, in der Mitte oder hinten.
- Komprimierungsanwendungen (Push): Hintere oder mittlere Flanschbefestigung verwenden
- Anwendungen mit Zugkraft (Pull): Front- oder Mittelflanschbefestigung verwenden
Zapfenbefestigung
Geeignet für Anwendungen, bei denen die einwirkende Kraft dazu führt, dass die bewegte Maschinenkomponente einem gekrümmten Weg in derselben Bewegungsebene folgt.
Heckgabelbefestigung (am häufigsten):
- Einzelner Gabelkopf: Für Bewegungen innerhalb von ±3° in einer Bewegungsebene
- Doppelter Gabelkopf: Für einen beliebigen Winkel in einer Bewegungsebene; Berücksichtigung des Ausknickens der Kolbenstange bei langhubiger Schubkraft
Stiftbefestigung (vorne/mittler/hinten):
- Mittlere Stiftbefestigung: Am weitesten verbreitet, ermöglicht das Gleichgewicht in jeder Position zwischen den Enden
- Hintere Stiftbefestigung: Ähnlich wie bei der Auswahlmethode mit doppeltem Gabelkopf
- Vordere Stiftbefestigung: Geeignet für Zylinder mit kleinerem Stangendurchmesser; Begrenzung des Hubs auf das 5-fache des Bohrungsdurchmessers
Fußbefestigung
Geeignet für feste Installationen, bei denen die Montageebene nicht in der gleichen Ebene wie die Mittelachse des Zylinders liegt. Muss die richtige Positionierung, Befestigung des eingebauten Bauteils und eine geeignete Lastführung sicherstellen, um eine übermäßige seitliche Belastung der Kolbenstange zu vermeiden.
Schritt 5: Endlagenpuffer auswählen
Wählen Sie unter diesen Bedingungen eine beidseitige Dämpfung oder eine einseitige Dämpfung:
- Wenn der Zylinderkolben einen Vollhub mit einer Rücklaufgeschwindigkeit von > 100 mm/s durchläuft: Doppelendlagendämpfung wählen
- Bei einseitiger Dämpfung oder Rücklaufgeschwindigkeit > 100 mm/s vor Hubende: einseitige oder zweiseitige Dämpfung wählen
- Sonstige besondere Arbeitsbedingungen
Schritt 6: Wählen Sie Anschlusstyp und -durchmesser
Hafenarten: Innengewinde, Flansch und andere Sondertypen - je nach Anschlussart der Rohrleitung.
Prinzip der Auswahl des Anschlussdurchmessers: Wenn die Durchflussmenge des Mediums in der Verbindungsleitung zwischen Anlage und Zylinder bekannt ist, sollte die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums durch den Anschluss im Allgemeinen 5 m/s nicht überschreiten.
Schritt 7: Zylinder mit integrierten Ventilen
Druckhaltung: Schieberventile haben Spielleckagen und können den Druck nur für kurze Zeit aufrechterhalten. Um den Druck aufrechtzuerhalten, sollte ein Vorsteuer-Rückschlagventil in den Kreislauf eingebaut werden.
Zylinder “Unterstützung”: Schließen Sie bei vertikalen Hydraulikzylindern ein Vorsteuer-Rückschlagventil an den unteren Kammerkreislauf an, um ein Gleiten zu verhindern.
Zylinderverriegelung: Wenn sich das Wegeventil in der Neutralstellung befindet, schließen zwei Vorsteuer-Rückschlagventile dicht und dichten beide Zylinderkammern ab.
Schritt 8: Auswahl besonderer Arbeitsbedingungen
Arbeitsmedium:
- Normales Medium ist Mineralöl
- Empfohlen: 32# und 46# Hydrauliköl mit Verschleißschutz
- Optimale Öltemperatur: 20-55°C
- Nicht unter 15°C oder über 70°C betreiben
- Wechseln Sie das Hydrauliköl alle 1-6 Monate und reinigen Sie den Öltank.
Umgebung/mittlere Temperatur:
- Normale Temperatur des Arbeitsmediums: -20°C bis +80°C
- Außerhalb dieses Bereichs sind die Auswirkungen auf Dichtungen, Materialien und Kühlsysteme zu beachten.
Hohe Betriebsgenauigkeit:
Bei Servo- oder Mittel-Hochdruck-Systemen mit niedrigen Startdruckanforderungen sind die Auswirkungen auf die Abdichtung, die Werkstoffe und die Detailkonstruktion zu beachten.
Keine Leckage:
Bei Zylindern mit besonderen Anforderungen an die Druckhaltung sind die Auswirkungen auf die Dichtungs- und Materialeigenschaften zu beachten.
Hochfrequenz-Vibrationsumgebung:
Beachten Sie die Auswirkungen auf Materialeigenschaften, Verbindungsstrukturen und Detailgestaltung.
Niedrige Temperaturen, Gefrieren oder verschmutzte Umgebung:
Umgebungen mit hoher Staubbelastung, Spritzwasser, Säurenebel oder Salzsprühnebel - beachten Sie die Auswirkungen auf Dichtungen, Werkstoffe, Oberflächenbehandlung der Kolbenstange und Produktschutz.
Schritt 9: Auswahl der Siegelqualität
Bei besonderen Arbeitsbedingungen, spezifizierten Qualitätsanforderungen oder bei Ausfällen des Dichtungssystems von Hydraulikzylindern mit schwerwiegenden Folgen (Beeinträchtigung der Sicherheit, schwieriger Austausch, große wirtschaftliche Verluste) oder bei besonderen Anforderungen an für den Export geeignete Zylinder empfiehlt es sich, dass professionelle Ingenieure des Herstellers bekannte Dichtungsmarken mit guter Austauschbarkeit und einfacher Beschaffung auf der Grundlage der Arbeitsbedingungen empfehlen.
Schritt 10: Auswahl anderer Merkmale
Entlüftungsventil: Basierend auf der Arbeitsposition des Zylinders, normalerweise auf den höchsten Punkt eingestellt, an dem sich die Luft schließlich in der Endkammer beider Hohlräume ansammelt. Nachdem die Luft abgesaugt ist, verhindert sie Kriechbewegungen, schützt die Dichtungen und verlangsamt den Ölabbau.
Leckage-Anschluss: In Arbeitsumgebungen, in denen das Austreten von Öl nach außen streng verboten ist, muss aufgrund eines langen Zylinderhubs oder bestimmter Arbeitsbedingungen, die während des Betriebs zu einer Ölansammlung hinter der Staubdichtung führen, eine Leckageöffnung an der Stelle der Ölansammlung angebracht werden.
Auswahl-Checkliste Zusammenfassung
Bevor Sie die Auswahl Ihres Hydraulikzylinders abschließen, überprüfen Sie ihn:
- [ ] Systemdruck, der auf der Grundlage von Last und Gerätetyp ermittelt wird
- [ ] Bohrungsdurchmesser berechnet aus Kraft- und Druckanforderungen
- [ ] Stangendurchmesser je nach Betriebsdruck ausgewählt
- [ ] Ermittelter Hub mit ausreichendem Spielraum für Toleranz und Positionierung
- [ ] Für Ihre Anwendung gewählte Befestigungsart (Flansch/Zapfen/Fuß)
- [ ] Puffer ausgewählt, wenn die Kolbengeschwindigkeit 100 mm/s überschreitet
- [ ] Anschlussart und -größe entsprechend den Durchflussanforderungen
- [ ] Besondere Anforderungen (Temperatur, Genauigkeit, Leckage)
- [ ] Siegelqualität entsprechend der Kritikalität und Wartungszugänglichkeit
Häufig gestellte Fragen
Wie berechne ich die Bohrungsgröße von Hydraulikzylindern?
Verwenden Sie die Formel A1 = F / (P × β), wobei F die erforderliche Kraft, P der Betriebsdruck und β die Belastungsrate ist (typischerweise 0,8 für Anwendungen mit geringer Trägheit). Berechnen Sie dann D aus A1 = 0,785 × D².
Welcher Zusammenhang besteht zwischen Druck und Stangendurchmesser?
Für P ≤ 10 MPa ist der Stabdurchmesser d = 0,5D; für P = 12,5-20 MPa ist d = 0,56D; für P > 20 MPa ist d = 0,71D.
Wann sollte ich bei Hydraulikzylindern Puffer verwenden?
Wählen Sie eine beidseitige Dämpfung, wenn die Kolbengeschwindigkeit in beiden Richtungen 100 mm/s überschreitet. Wählen Sie eine einseitige Dämpfung, wenn sich nur eine Richtung mit hoher Geschwindigkeit dem Hubende nähert.
Was ist die beste Befestigungsmethode für gekrümmte Bewegungen?
Die Zapfenbefestigung (Gabelkopf- oder Bolzenbefestigung) eignet sich am besten für gekrümmte Bewegungsbahnen. Ein einfacher Gabelkopf eignet sich für Bewegungen innerhalb von ±3°; ein doppelter Gabelkopf erlaubt jeden Winkel in einer Ebene.
Welche Hydraulikflüssigkeit wird für Hydraulikzylinder empfohlen?
Es wird ein verschleißarmes Hydrauliköl 32# oder 46# empfohlen. Die optimale Betriebstemperatur liegt bei 20-55°C.
Schlussfolgerung
Bei der Auswahl von Hydraulikzylindern müssen mehrere Faktoren systematisch berücksichtigt werden, darunter Druck, Bohrungsgröße, Stangendurchmesser, Hub, Befestigungsart und spezielle Arbeitsbedingungen. Wenn Sie den in diesem Leitfaden beschriebenen schrittweisen Auswahlprozess befolgen, können Sie eine optimale Abstimmung zwischen dem Hydraulikzylinder und Ihrer Ausrüstung sicherstellen.
Die richtige Auswahl gewährleistet die Leistungsfähigkeit der Geräte, reduziert Ausfälle und verlängert die Lebensdauer des Systems.
