O+P Fluidtechnik 10/2017

ANTRIEBE
10
v(t) und a(t) bei Variation der Spalthöhe
11
v(x) und p D
(x) bei Variation der Spalthöhe
Geschwind.
v(t) in mm/s
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
E kin = 2000 J
m = 16000 kg
ϑ = 40°C
Einfluss der Spalthöhe
v (0.40 mm)
v (0.45 mm)
v (0.35 mm)
a (0.40 mm)
a (0.45 mm)
a (0.35 mm)
Verzögerung
|a(t)| in g
0
0
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
Zeit in s
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Geschwind.
v(x) in mm/s Einfluss der Spalthöhe
Dämpf.-Druck
p D
in bar
1000
E kin = 2000 J
v (0.40 mm)
100
900 m = 16000 kg
v (0.45 mm) 90
ϑ = 40°C
v (0.35 mm)
800
80
p D
(0.40 mm)
700
600
p D
(0.45 mm)
p D
(0.35 mm)
70
60
500
400
300
200
100
0
50
40
30
20
10
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Weg x in mm
FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG
werden, da System-Randbedingungen und vor allem das verwendete
Medium und die Temperatur das Verhalten entsprechend
beeinflussen (Bilder 08 und 09).
Der Referenzdämpfungsfall wurde mit HLP 46 bei einer Temperatur
von 40 °C berechnet. Bei 20 °C bzw. 60 °C ergeben sich extreme
Veränderungen (fast Faktor 3) im Bremsweg.
EINFLUSS VON TOLERANZEN
Besonders bei kleinen Zylindern sind aufgrund der geometrischen
Verhältnisse die verdrängten Volumenströme sehr klein. Somit
bedarf es sehr kleiner Drosselquerschnitte, um überhaupt eine
Dämpfungswirkung zu erhalten, die dann durch kleinste Toleranzabweichungen
beeinflusst wird. Parallelgeschaltete einstellbare
Drosselelemente verlieren ihre Wirkung bzw. beschränken sich auf
ein komplettes Eliminieren des Dämpfungeffektes.
Aber auch bei gängigen Abmessungen müssen die Drosseldurchmesser
der Dämpfungsbauteile in hohen Genauigkeiten gefertigt
werden, um die gewünschte Dämpfungswirkung zu erzielen. Der
Dämpfungsspalt wird durch die Buchse und die Bohrung definiert.
Beide Bauteile unterliegen Toleranzen. Durch den umlaufenden
Spalt verändern bereits kleine Durchmesserabweichungen die
Querschnittsfläche signifikant und damit auch die Dämpfungseigenschaften.
Eine Abstellmaßnahme stellt das aufwändige Paaren
der Bauteile dar, auf die aber in der Regel aus Kostengründen
verzichtet werden soll. Auch der Spalt ist nur in der Theorie ein
gleichmäßiger Ringspalt. In der Realität entsteht ein mehr oder
weniger exzentrischer Spalt, der den Durchfluss auf das bis zu
2,5-fache bei gleichem Druck ansteigen lässt (Bilder 10 und 11).
Beim Referenzdämpfungsfall lag ein Ringspalt von 0,4 mm vor.
Dieser wurde um +/-0,05 mm variiert. Bremsweg und Dämpfungsdruck
ändern sich um etwa +/-20 %.
Die Drücke und Temperaturen können auch die teilweise hochpräzisen
und filigranen Bauteile verformen, sodass sich die Dämpfungseigenschaften
deutlich verändern. In Extremfällen führt das zu
selbstverstärkenden Effekten, die Bauteile weiten sich, der Dämpfungsdruck
steigt weiter an und der Spalt wird noch kleiner. Das kann
dazu führen, dass der Zylinder in der Dämpfung klemmt und stecken
bleibt, oder zumindest mechanischer Kontakt entsteht. Dies kann zu
Verschmutzung und Schäden im Hydrauliksystem führen.
FAZIT
Durch nicht zylindrische Dämpfungsgeometrien können die Parameter
auf einen spezifischen Fall optimiert werden. Die Einflüsse,
wie in den Variationsbeispielen dargestellt, bleiben aber grundsätzlich
in gleicher Größenordnung bestehen.
Für den Betrieb ist zu beachten, dass beim Einfahren in die Dämpfung
kein Ablaufdruck (Bild 02; p B
) in der Zylinderkammer anliegt.
Dieser addiert sich zum Dämpfungsdruck p D
und führt zu unzulässig
hohen Drücken in der B-Kammer. Daneben kann allein über das
Flächenverhältnis von Kolben zu Dämpfungsfläche (z. B. 1:10)
durch Druckübersetzung und anliegendem Druck p A
der Zylinder
zerstört werden.
Die in Standardzylindern von Bosch Rexroth verwendeten
Dämpfungssysteme und Geometrien haben sich in der Praxis seit
Jahrzehnten für eine Vielzahl von Anwendungsfällen bewährt und
werden kontinuierlich weiterentwickelt. Allerdings können sie nur
einen allgemeinen Einsatzfall abdecken. Existieren spezielle Anforderungen,
muss die Dämpfung neu ausgelegt oder überprüft werden.
Es empfiehlt sich, die Funktion der hydraulischen Dämpfung
auf die Absicherung mechanischer Beschädigungen am Bauteil
oder der Anlage zu beschränken. Abbrems- oder Beschleunigungsvorgänge
lassen sich heute sehr günstig und flexibel mit einfacher
und wesentlich genauerer elektro-hydraulischer Regelungstechnik
realisieren. Deshalb sollte diese für wiederkehrende, im Prozessablauf
verankerte Abbremsvorgänge favorisiert werden. Damit wird
ein dauerhaft optimaler Betrieb sichergestellt.
www.boschrexroth.com
Autoren: Franz Wirzberger, Leiter Entwicklung und Produktmanagement
Hydraulikzylinder; Markus Junker, Entwicklungsingenieur Hydraulikzylinder,
Bosch Rexroth AG
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