Wirkungsgrad hydraulischer Antriebe Hydraulikantriebe holen auf bei Steuerbarkeit und Energieeffizienz

In den Bereichen Steuerbarkeit und Energieverbrauch sind Hydraulikantriebe mit Differenzialzylindern mindestens so gut wie elektromechanische Linearachsen. Voraussetzung dafür ist die Integration eines Hybridventils, das zwischen Standardschaltung bei Kraftaufbau und regenerativer Schaltung bei schnellen Bewegungen wechselt.

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„Hydraulikzylinder sind schwer zu steuern“ oder „Eine hydraulische Linearpositionierung ist weniger genau als eine elektromechanische“. Diese Aussagen hört man häufig in Gesprächen über lineare Bewegungen im Maschinenbau. Es stimmt, dass sich elektromechanische Antriebe aufgrund ihres symmetrischen Verhaltens bei Kraft und Geschwindigkeit leicht auf die gewünschte Bewegung einstellen lassen. Es ist aber auch richtig, dass lineare Hydraulikantriebe genau dieselbe Leistung erbringen: bei erhöhter Kraftdichte.

Hydraulische Lineartechnik kann mit elektromechanischen Linearantrieben konkurrieren

Das zeigt der heutige Entwicklungsstand im Bereich der gesteuerten hydraulischen Linearbewegung. Die hydraulische Lineartechnik hat die Leistungsfähigkeit, beim Kraft-Geschwindigkeits-Verhalten mit elektromechanischen Antrieben zu konkurrieren. Die Lösung liegt in neuartigen Hydraulikventilen – in sogenannten Hybridventilen, mit denen sich hydraulisch betätigte Differenzialzylinder ebenso symmetrisch steuern lassen wie elektromechanische Linearantriebe. Zudem haben sie ein erhebliches Energieeinsparpotenzial im Vergleich zu den aktuellen Standardtechniken.

Heutzutage gibt es unterschiedliche Bauarten von Hydraulikzylindern, zum Beispiel Kolbenzylinder, Teleskopzylinder sowie Zylinder mit Einzel- oder Doppelstangen. Aufgrund der mechanischen Einfachheit kommt meist der in zwei Richtungen arbeitende Einzelstangen-Differenzialzylinder zur Anwendung. Er besteht aus einer Kolbenstange, die mit dem Kolben verbunden ist. Dadurch entstehen zwei unterschiedlich große Arbeitsvolumina.

Zylinder verhält sich asymmetrisch zu Kräften in Aus- oder Einfahrrichtung

Ist der Druck konstant, verhält sich der Zylinder asymmetrisch im Verhältnis zu den in Aus- oder Einfahrrichtung wirkenden Kräften. Bei konstantem Volumenstrom ist das Verhalten asymmetrisch in Bezug auf die Aus- oder Einfahrgeschwindigkeit. Hauptkonstruktionsparameter ist das Querschnittsverhältnis αZ (1):

Dabei entspricht Ap der Kolbenquerschnittsfläche und Ar dem Kolbenquerschnitt abzüglich dem Stangenquerschnitt, also der sogenannten Ringfläche. Im Allgemeinen würde der Maschinenbauer das Verhältnis wählen, das sich am besten für die Anforderungen der jeweiligen Bewegung eignet. In der Praxis gibt es festgelegte Standards, die jedoch immer Kompromisse sind. Am häufigsten beträgt das Flächenverhältnis 2 : 1 oder 4 : 3.

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