Funktionsweise eines Hydraulikzylinders
Schon 4500 vor Christus sollen die Ägypter einfache hydraulische Systeme verwendet haben. Erfinder der modernen Hydraulik ist Joseph Bramah. Er entwickelte 1795 ein geschlossenes System aus Wasser (griechisch: Hydor) und Rohren (griechisch: Aulos), das auf den Regeln des Mathematikers Blaise Pascale basierte. Mithilfe dieser Maschine erhöhte sich die verfügbare Kraft um das 2000-fache. Mit einem Kilo Druck konnte man also 2000 Kilo bewegen. Zunächst arbeiteten die Systeme mit Wasser, ab 1905 dann auch mit Öl. Im Vergleich zu Wasser verdampft Öl nicht so leicht, zieht sich bei Kälte nicht zusammen und hält dem Druck besser stand.
Im Alltag begegnet uns Hydraulik unter anderem in Kränen, Hebebühnen oder Autobremsen. Gerade beim Auto wird die Wirkung der Hydraulik besonders deutlich: Der geringe Druck, den der Fuß auf das Bremspedal ausübt, reicht aus, um ein tonnenschweres Gefährt zu stoppen. Kernstück dieser Technik ist der Hydraulikzylinder. Wir befinden uns damit im Themenbereich der Antriebstechnik, die neben der Hydraulik auch pneumatische und elektrische Antriebe kennt.
So funktioniert ein Hydraulikzylinder
Es gibt verschiedene Arten von Hydraulikzylindern. Die einfachste Form besteht aus einem Zylinder, einem Einlassloch für die Flüssigkeit, sowie einem beweglichen Kolben. Das System ist in sich geschlossen. Durch Druck bewegt sich die Stange in einer sogenannten Linearbewegung.
Hierbei handelt es sich um einen sogenannten einfachwirkenden Hydraulikzylinder, da die Kraft nur in eine Richtung wirken kann. Damit sich der Kolben zurückzieht, reicht in diesem System entweder Eigengewicht, ein Federrückzug oder ähnliches.
Anwendung findet diese Technik etwa in einer KFZ-Werkstätte. Die Hebebühne hebt das Auto mittels eines einfachwirkenden Hydraulikzylinders nach oben. Nach unten kommt der PKW dann durch sein eigenes Gewicht. Die einfachwirkenden Zylinder gibt es auch als Hohlkolben mit Federrückzug. Sie verfügen über eine Bohrung, sodass ein Gewinde durch den Hohlkolben geführt werden kann. Ein Hub von über 90
Tonnen ist möglich.
Teleskop-Zylinder zählen ebenfalls zu den einfachwirkenden Zylindern. Mehrere Zylinderkolben sind wie bei einem Teleskop hintereinandergeschaltet. Dadurch entsteht zwar nicht mehr Hubkraft, aber eine größere Hublänge.
Diese doppelwirkenden Zylinderarten gibt es
Neben dem einfachwirkenden Zylinder ist auch der doppelt-wirkende Hydraulikzylinder weit verbreitet. Er kommt zum Beispiel bei Baumaschinen zum Einsatz. Der doppelt wirkende Hydraulikzylinder verfügt über zwei Wirkrichtungen. Das bedeutet, dass er in beide Richtungen Kraft ausüben kann, er hat demnach eine Vorschub- und eine Rückschubwirkung. Hierfür gibt es zwei Einlasslöcher für die Flüssigkeit – eines auf jeder Seite. Genau wie beim einfachwirkenden Zylinder kann die Kraft durch das Fluid aufgebaut und verstärkt werden. Interessant zu beobachten ist, dass der Zylinder langsamer aus- als einfährt. Das liegt an den unterschiedlich großen Flächen auf den verschiedenen Seiten. Der Differentialzylinder wird oft als Synonym für den doppelwirkenden Hydraulikzylinder gebraucht.
Unterarten des doppelwirkenden Zylinders sind der Gleichlaufzylinder, der Tandemzylinder und der ISO-Normzylinder.
Der Gleichlaufzylinder unterscheidet sich vom klassischen doppelwirkenden Hydraulikzylinder durch seine identische Ausfahr- und Einfahrschnelligkeit. Dies wird durch Kolbenstangen auf beiden Seiten und identische große Flächen des Kolbens ermöglicht. So wird auf beiden Seiten die gleiche Menge an Hydraulikfluid mit der gleichen Fläche verdrängt, sodass der Zylinder gleich schnell ein- und ausführt.
Wer besonders wenig Kraft aufwenden und damit eine möglichst große Kraftwirkung erzielen will, ist mit dem Tandemzylinder gut beraten. Hier werden verschiedene Zylinder hintereinander geschalten, die Ihre Wirkung jeweils verstärken. Die Konstruktion ist aufwendiger und dadurch meist kostenintensiver, kann dafür aber viel bewegen.
ISO steht für die internationale Organisation für Normung (International Organization for Standardization). ISO-Normzylinder entsprechen bestimmten Normen. In der Industrie werden häufig Zylinder in Rundbauweise verwendet, die nach ISO-Norm 6022 /DIN 24333 gebaut sind sowie Zugstangenzylinder nach ISO 6020-2. Sie haben daher den Vorteil, dass sie leicht nachbestellt und ausgetauscht werden können, da unterschiedliche Hersteller die gleichen Maße fertigen und die einzelnen Bauteile kompatibel sind.
Die Vor- und Nachteile eines Hydraulikantriebs
Pneumatische Systeme funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie die Hydraulik, verwenden aber Luft anstatt eines Fluides. Luft lässt sich zusammendrücken, Flüssigkeiten hingegen so gut wie nicht. Das ist auch der Grund, weshalb Pneumatik in der Regel nur bei geringerem Druck bis zu etwa zehn bar eingesetzt wird.
Da Flüssigkeiten unter Druck nicht so stark nachgeben, gewährleisten sie eine genauere und gleichmäßigere Bewegung. Die Bewegung ist stufenlos möglich, man spricht hier auch von einer Linearbewegung. Hydraulikzylinder sind ohne Vorlaufzeit direkt einsatzbereit. Gut geeignet ist diese Technik für mobile Anwendungen wie etwa einer Maschine auf dem Bau. Durch Hydraulik können sehr hohe Kräfte umgesetzt werden.
Im Gegensatz dazu sind pneumatische Antriebe einfacher und sauberer zu warten. Das kann in bestimmten Industrien wie etwa im Lebensmittelbereich ein entscheidender Faktor sein. Pneumatische Systeme sind in der Regel kostengünstiger und ihre Bewegung ist deutlich schneller als die hydraulische. Dafür ist die Bewegung ungenauer und es ist schwer, die Geschwindigkeiten präzise zu regeln.
Eine dritte Antriebsmöglichkeit ist die Elektronik. Ihre Wartung ist meist komplizierter und erfordert mehr Expertenwissen als die Hydraulik. Die Anschaffung ist grundsätzlich teurer, in den vergangenen Jahren wurde sie jedoch immer günstiger und für viele Industrien dadurch immer attraktiver.
Die Geschwindigkeiten sind mit etwa zehn Metern pro Sekunde höher als in Hydraulik oder Pneumatik. Trotz der Schnelligkeit ist der elektronische Antrieb sehr genau und kann exakt eingestellt werden. Da sich die Elektrikanlage prinzipiell auf jede beliebige Position entlang des Wirkungsweges einstellen lässt, ist sie die flexibelste Lösung.
Unterm Strich gibt es also für jede Antriebsart gute Gründe. Die Entscheidung für oder gegen einen Hydraulikantrieb hängt von den Bedürfnissen des jeweiligen Betriebes, der benötigten Kraftwirkung, aber auch vom Budget ab.
