Hydraulische Zylinder: Funktionsprinzipien und Typen

Der Hydraulikzylinder ist ein Aktuator im hydraulischen System, dessen Aufgabe es ist, hydraulische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Der Eingang zum Hydraulikzylinder ist der Durchfluss und der Druck der Flüssigkeit, und der Ausgang ist die lineare Geschwindigkeit und Kraft. Der Kolben des Hydraulikzylinders kann eine lineare Hin- und Herbewegung ausführen und dabei eine begrenzte lineare Verschiebung erzeugen.

I. Arbeitsprinzip des Hydraulikzylinders

Zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips des Hydraulikzylinders wird ein doppelt wirkender Hydraulikzylinder mit einer Kolbenstange als Beispiel herangezogen. Wie in Abbildung 1 dargestellt, besteht der Hydraulikzylinder hauptsächlich aus dem Zylinderrohr 1, dem Kolben 2, der Kolbenstange 3, dem Enddeckel 4 und der Kolbenstangendichtung 5.

1-Zylinder-Fass
2-Kolben
3-Kolbenstange
4-Endabdeckung
5-Dichtung

Wenn das Zylinderrohr fixiert ist und kontinuierlich Hydrauliköl in die linke Kammer eingeleitet wird, bewegt sich der Kolben, wenn der Öldruck ausreicht, um alle Kräfte auf die Kolbenstange zu überwinden, kontinuierlich mit der Geschwindigkeit v ₁ und die Kolbenstange wirkt auf die äußere Umgebung ein.

Umgekehrt bewegt sich der Kolben nach links, wenn Hydrauliköl in die rechte Kammer eingeleitet wird, mit der Geschwindigkeit v ₂ und die Kolbenstange wirkt auch auf die äußere Umgebung ein. Auf diese Weise wird eine hin- und hergehende Bewegung vollzogen. Diese Art von Hydraulikzylinder wird als fester Zylinder bezeichnet.

Wenn die Kolbenstange fixiert ist und kontinuierlich Hydrauliköl in die linke Kammer eingeleitet wird, bewegt sich das Zylinderrohr nach links; wenn kontinuierlich Hydrauliköl in die rechte Kammer eingeleitet wird, bewegt sich das Zylinderrohr nach rechts. Diese Art von Hydraulikzylinder wird als Zylinder mit fester Kolbenstange bezeichnet.

Die in diesem Kapitel besprochenen Hydraulikzylinder sind, sofern nicht anders angegeben, allesamt Beispiele für Hydraulikzylinder mit festem Zylinderrohr und beweglicher Kolbenstange.

Das in den Hydraulikzylinder eingeleitete Öl muss einen Druck p und einen Durchfluss q haben. Der Druck wird zur Überwindung der Last verwendet, und der Durchfluss wird zur Bildung einer bestimmten Bewegungsgeschwindigkeit verwendet. Der Druck und die Durchflussmenge, die dem Hydraulikzylinder zugeführt werden, sind die dem Zylinder zugeführte hydraulische Energie; die Kraft und die Bewegungsgeschwindigkeit, die der Kolben auf die Last ausübt, sind die vom Hydraulikzylinder abgegebene mechanische Energie.

Daher sind der Druck p, die Durchflussmenge q, die Ausgangskraft F und die Geschwindigkeit v, die dem Hydraulikzylinder zugeführt werden, die wichtigsten Leistungsparameter des Hydraulikzylinders.

II. Klassifizierung von Hydraulikzylindern

Aufgrund der unterschiedlichen Verwendungszwecke verschiedener Maschinen und der verschiedenen Bewegungsformen, die sie ausführen, gibt es viele Arten von Hydraulikzylindern, die im Allgemeinen nach der Art der Ölversorgung, dem Aufbau, den Funktionsmerkmalen und der Verwendung klassifiziert werden.

Je nach Richtung der Ölzufuhr können sie in einfach wirkende Zylinder und doppelt wirkende Zylinder unterteilt werden. Ein einfach wirkender Zylinder versorgt nur eine Seite des Zylinders mit Hochdrucköl und verlässt sich auf andere äußere Kräfte, damit der Kolben zurückkehrt. Bei einem doppelt wirkenden Zylinder werden beide Seiten des Zylinders mit Hydrauliköl versorgt. Die Vorwärts- und Rückwärtsbewegung des Kolbens wird durch den Hydraulikdruck vollzogen.

Je nach Bauform lassen sie sich in Kolbenzylinder, Plungerzylinder, Schwenkzylinder und Teleskophülsenzylinder unterteilen.

Je nach Form der Kolbenstange lassen sie sich in Einkolbenstangenzylinder und Doppelkolbenstangenzylinder unterteilen.

Je nach dem speziellen Verwendungszweck des Zylinders können sie in Tandemzylinder, Booster-Zylinder, Zylinder zur Erhöhung der Geschwindigkeit, Stufenzylinder usw. unterteilt werden. Diese Arten von Zylindern bestehen nicht aus einem einzigen Zylinderrohr, sondern sind mit anderen Zylinderrohren und Bauteilen kombiniert, so dass diese Zylinder vom strukturellen Standpunkt aus auch als kombinierte Zylinder bezeichnet werden. Je nach dem vom Hydraulikzylinder verwendeten Druck können sie in Niederdruck-Hydraulikzylinder, Mitteldruck-Hydraulikzylinder, Hochdruck-Hydraulikzylinder und Ultra-Hochdruck-Hydraulikzylinder unterteilt werden.

Für Werkzeugmaschinen werden in der Regel Mittel- und Niederdruck-Hydraulikzylinder mit einem Nenndruck von 2,5 bis 6,3 MPa verwendet; für Baumaschinen, Maschinen und Flugzeuge werden meist Mittel- und Hochdruck-Hydraulikzylinder mit einem Nenndruck von 10 bis 16 MPa verwendet; für Maschinen wie Hydraulikpressen werden meist Hochdruck-Hydraulikzylinder mit einem Nenndruck von 25 bis 31,5 MPa verwendet.

Die Klassifizierung von Hydraulikzylindern ist in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1 Klassifizierung von Hydraulikzylindern

Name			Symbol	Arbeitsmerkmale
Einfachwirkender Hydraulikzylinder	Kolbenzylinder			Unidirektionaler hydraulischer Antrieb, Rückstellung durch Eigengewicht, Feder oder andere externe Kräfte
	Plungerzylinder			Der Kolben ist dick, hält die Kraft gut aus und wird unidirektional durch hydraulischen Druck angetrieben.
	Teleskop-Hülsenzylinder			Angetrieben von der Hydraulik wird er abschnittsweise von groß nach klein herausgeschoben und dann durch sein Eigengewicht abschnittsweise von klein nach groß wieder eingezogen.
Doppelt wirkender Hydraulikzylinder	Einzelne Kolbenstange	Standard-Zylinder		Der Kolben bewegt sich unter hydraulischem Druck in beide Richtungen, bremst am Ende des Hubs nicht ab, und die Kraft und Geschwindigkeit der Bewegung in beide Richtungen sind unterschiedlich.
		Nicht einstellbarer Dämpfungszylinder		Der Kolben bewegt sich unter hydraulischem Druck in beide Richtungen, wird am Ende des Hubs abgebremst, und der Verzögerungswert ist nicht einstellbar. Die Kraft und Geschwindigkeit der Bewegung in beide Richtungen sind unterschiedlich.
		Einstellbarer Dämpfungszylinder		Der Kolben bewegt sich unter hydraulischem Druck in beide Richtungen und wird am Ende des Hubs abgebremst, wobei der Verzögerungswert einstellbar ist. Die Kraft und Geschwindigkeit der Bewegung in beide Richtungen sind unterschiedlich.
		Differentialzylinder		Kann die Aufnahme von Öl in die kolbenstangenlose Kammer beschleunigen, aber die Schubkraft ist entsprechend geringer.
	Doppelte Kolbenstange	Standard-Zylinder		Der Kolben bewegt sich unter hydraulischem Druck in beide Richtungen, bremst am Ende des Hubs nicht ab, und die Kraft und Geschwindigkeit der Bewegung sind in beiden Richtungen gleich.
		Zylinder mit doppelter Geschwindigkeit		Zwei Kolben bewegen sich gleichzeitig in entgegengesetzte Richtungen.
		Nicht einstellbarer Dämpfungszylinder		Der Kolben bewegt sich unter hydraulischem Druck in beide Richtungen, wird am Ende des Hubs abgebremst, und der Verzögerungswert ist nicht einstellbar. Die Kraft und die Geschwindigkeit der Bewegung in beide Richtungen sind gleich.
		Einstellbarer Dämpfungszylinder		Der Kolben bewegt sich unter hydraulischem Druck in beide Richtungen, verzögert am Ende des Hubs, wobei der Verzögerungswert einstellbar ist. Die Kraft und die Geschwindigkeit der Bewegung in beide Richtungen sind die gleichen.
	Teleskop-Hülsenzylinder			Doppelt wirkender Hydraulikantrieb, der Ein- und Ausfahrvorgang ist der gleiche wie bei einem einfach wirkenden Teleskopzylinder.
Kombizylinder	Booster-Zylinder			Angetrieben durch den Öleinlass in Kammer A, gibt er Hochdrucköl in Kammer B ab.
	Tandemzylinder			Wird in Situationen verwendet, in denen der Durchmesser des Zylinders begrenzt ist, die Länge jedoch nicht, was eine größere Schubkraft ermöglicht.
	Multi-Positions-Zylinder			Durch das Öffnen verschiedener Öleinlässe nach Bedarf kann der Kolben A drei Positionen einnehmen.
	Schrittschaltzylinder			Mehrere Kolbenhübe sind in binärer Reihenfolge angeordnet. Durch das Öffnen verschiedener Öleinlässe kann der Kolben je nach Bedarf unterschiedliche Wege zurücklegen.
	Zahnstangen-Ritzel-Zylinder			Wandelt die hin- und hergehende lineare Bewegung des Kolbens in die hin- und hergehende Drehbewegung des Getriebes um.