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O+P Fluidtechnik 10/2017

O+P Fluidtechnik 10/2017

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG ANTRIEBE DIE DÄMPFUNG IM HYDRAULIKZYLINDER Franz Wirzberger, Markus Junker Die hydraulische Dämpfung im Hydraulikzylinder ist ein interessantes und gerne eingesetztes Feature, um mechanische Beschädigung an Komponenten oder Maschinenteilen zu vermeiden. Sie ist konstruktiv einfach zu realisieren und stellt ein Differenzierungsmerkmal gegenüber mechanischen Linearantrieben wie Kugel-, Gewinde- oder Planetengewindetrieben dar. Die richtigen Einsatzfälle darzustellen, Parameter und Einflussfaktoren für die Auslegung zu beschreiben und die Grenzen von hydraulischen Dämpfungen aufzuzeigen soll im Folgenden dargestellt werden. 52 O+P Fluidtechnik 10/2017

ANTRIEBE FUNKTION Die grundsätzliche Funktion der hydraulischen Dämpfung besteht darin, eine translatorische Bewegung gegen Antriebs-, Gewichtsoder Trägheitskräfte auf ein entsprechend niedriges Niveau abzubremsen, so dass weder Zylinder noch die Anlage mechanischen Schaden nehmen. Hydraulikzylinder mit Dämpfung basieren normalerweise auf dem Prinzip einer selbsttätig wirksamen, innerhalb des Zylinders realisierten Strömungsdämpfung, welche nahe der Endlagen des Zylinders wirkt. Bei der Einfahrt in die Zylinderendlagen wird durch einen Spalt oder eine Dichtung eine Dämpfungskammer gebildet. Der Spalt bzw. die Dichtung teilt diese Kammer (Wirkfläche AD) flächenmäßig von der normalen Zylinderkammer (Wirkfläche AA bzw. AB) ab. Dieser Sachverhalt ist beispielhaft in Bild 02 für die kopfseitige Dämpfung des ausfahrenden Differentialzylinders (Bild 01) dargestellt, wobei für die Wirkflächen A B = A D + A B, Rest gilt. Um in der Dämpfungskammer den für die Abbremsung notwendigen Gegendruck zu erzeugen, muss der verdrängte Volumenstrom aus der Dämfungskammer gedrosselt/ gestaut werden. Einfach ist dies durch den abtrennenden Spalt und/oder durch andere Widerstände (Drosseln, Bohrungen usw.) zu 01 erreichen. In der Regel wird eine positionsabhängige signifikante Erhöhung des Abströmwiderstandes angestrebt, über den Hub lassen sich nicht-konstante Strömungswiderstände (Querschnitte) realisieren. Der aus dem Bewegungsverlauf erzeugte Ölvolumenstrom wird damit durch einen stetig engeren Drossel- oder Blendenquerschnitt gedrückt und erzeugt dadurch einen weiteren Druckanstieg in der Dämpfungskammer, der gegen die Bewegung den Zylinder und die verbundenen Maschinenteile abbremst. Üblicherweise strömt das Medium aus der Dämpfungskammer zurück in die Druckkammer des Zylinders. Der wirksame Dämpfungsdruck ist daher auch vom vorliegenden Kammerdruck abhängig. Für die in Bild 2 dargestellte Situation ergibt sich der Dämpfungsdruck zu p D = p B + Δp D . Durch spezielle Geometrien können eine 02 optimale Energieumwandlung realisiert, unzulässig hohe Druckspitzen vermieden und eine ausreichend geringe Aufprallgeschwindigkeit sichergestellt werden. Druck pB Bei Automationsaufgaben gilt es zudem, die ∆pD Taktzeit gering zu halten und damit eine negative Wirkung der Dämpfung zu vermeiden. Um eine schnelle Umkehrbewegung zu ermöglichen wird üblicherweise eine Rückschlagventilfunktion eingesetzt, die es durch Umgehen der Strömungswiderstände erlaubt, ausreichend Medium für die Rückwärtsbewegung zur Verfügung zu stellen und keine Bremskraft x(t) oder Kavitation entstehen zu lassen. AUSLEGUNG Für eine Auslegung ist eine Vielzahl von Parametern erforderlich. Entscheidend sind die Geschwindigkeit zu Beginn (Dämpfungseintritt), die zulässige Geschwindigkeit am Ende der Dämpfungsstrecke (gefordertes Geschwindigkeitsprofil), die auf die Achse des Zylinders reduzierte bewegte Masse (Systemträgheit), die weiteren Kraftverhältnisse (ziehende/drückende Last), Druckverhältnisse in den Kammern, Druck- und Dämpfungsflächen, Zylinderorientierung, Medium (Viskosität) sowie Betriebstemperaturbereich. Physikalisch gesehen ist die hydraulische Dämpfung ein Abbremsvorgang, bei dem mechanische Energie in Wärme umgewandelt wird. Diese heizt beim Abdrosseln des Dämpfungsdruckes das Betriebsmedium und den Zylinder auf. Die Energie, die zu vernichten ist, setzt sich nach Gl. 1 zusammen aus dem kinetischen Anteil (hier geht die Anfangsgeschwindigkeit quadratisch ein), sowie dem Integral aus der resultierenden Kraft der Zylinderkammern (p A·A A und p B·A B ) und allen extern angreifenden Kräften F ext über dem Dämpfungsweg s D . Diese wird idealerweise vollständig in die hydraulische Energie umgewandelt, was mit dem Integral der Leistung über der Dämpfungszeit t D ausgedrückt werden kann. Flächen und Drücke am Differentialzylinder Abb.2 Zugkraft pB×AB Kammer B Situation während kopfseitiger Dämpfung Dämpfungsdruck pD sD Druck pA Dämpfungskammer (Wirkfläche: AD) Dämpfungslänge Volumenstrom Q durch Ringspalt Druckkraft pA×AA Kammer A Spalthöhe hD Spalt-Ø dD O+P Fluidtechnik 10/2017 53

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