Präzise, dicht, ohne Reibung

Dichtungssysteme - Eine dichte und reibungsarme Lagerung des Kolbens, dies bei hoher Standfestigkeit und gutem Kosten-Nutzen-Verhältnis: Das ist das Ziel bei der Konstruktion hochwertiger Hydraulikzylinder.

06. Juni 2006

Der Schlüssel zu Spitzenleistungen und zu preiswerten Qualitätsprodukten für das ganze Spektrum hydraulischer Linearantriebe ist die optimale Dichtungskombination. Von den Anfängen der Hydraulik bis in die 50er-Jahre gab es noch die Dachmanschetten-Dichtungen, die je nach Einsatzbereich mit einer Einstellmutter vorgespannt wurden. Diese waren dann je nach Vorspannung entweder dicht bei hoher Reibung oder reibungsarm bei geringer Dichtwirkung.

Wenig Reibung dank Präzisionsarbeit

Schon in der heute klassischen Standardausführung ist die Kolbenstange eines Hydraulik-Zylinders der Firma Hänchen aus dem schwäbischen Ostfildern gehont und damit als verschleiß- und reibungsarme Konstruktion ausgelegt. Am Kolben sitzt ein Teflonring mit rechteckigem, an den Kanten angeschrägtem Profil auf einen O-Ring aus NBR. Die hochpräzise Fertigung ermöglicht außerdem den Verzicht auf Führungsbänder, was zu minimierter Reibung und besseren Standzeiten führt. Mit dieser Konstruktion für den universellen Einsatz erreichte Hänchen bereits Ende der Siebzigerjahre erstmals serienmäßig Geschwindigkeiten bis zu 0,5 m/s. Durch die robuste Konstruktion hat diese Ausführung einen Arbeitsbereich von -15°C bis +100°C. Servoslide ist heute die Basis-Qualität mit opti­mierten Reibungseigenschaften. Die Kolben sind mit einer aufgespritzten und nachbe­arbeiteten Kunststoff-Führung ausgerüstet. Die Gleitflächen der Kunststoffführung wirken vibrationsdämpfend, vermeiden Kantenpressung und gewährleisten weitgehend stick-slip-freie Bewegungen. Sie bieten darüber hinaus auch eine gewisse Aufnahmefähigkeit für Seitenkräfte. Die hohe Fertigungsgenauigkeit und kleine Führungsspiele garantieren einen langlebigen Einsatz.

Mehr Leistung

Durch einen zusätzlichen kolbenstangenseitigen Teflonring und eine besonders hohe Fertigungsgenauigkeit lassen sich ein geringes Führungsspiel und äußerst stick-slip-arme Bewegungen auch bei sehr niedrigen und sehr hohen Kolben­geschwindigkeiten erreichen. Eine solche Dichtungskombination bietet Hänchen unter dem geschützten Markennamen Servocop. Diese Baureihe erhält auch einen zusätzlichen drucklosen Lecköl-Anschluss mit abschließender Lecköl-Dichtung. Dies ermöglicht trotz einer reibungsarmen Dichtungs-Paarung eine praktisch leckagefreie Konstruktion mit mini­maler Stick-Slip-Neigung. Denn nur durch Lecköl-Konstruktionen lässt sich das Dilemma zwischen Reibung und Dichtigkeit auflösen. Die Gleitflächen der Kunststoffführung schließlich wirken bei geringer Vergrößerung der Einbaulänge vibrationsdämpfend und vermeiden Kantenpressung. Trotz sehr hoher Leistung gehört die Baureihe Servocop ins mittlere Preissegment: Selbst Bewegungen mit weniger als 0,02 m/s er­folgen völlig gleichmäßig, ein stick-slip-artiger Effekt tritt erst bei noch geringeren Geschwindigkeiten auf. Gleichzeitig sind Geschwindigkeiten bis zu 2 m/s möglich. So decken diese Dichtungskombinationen ein weites Aufgaben-Spektrum bis hin zu Testzylindern ab. Noch höhere Anforderungen erfüllt die patentierte schwimmende Ringspalt-Dichtung mit der Bezeichnung Servofloat.

Berührungslos dicht

Beim Systemstart wird über die Zylinderkammern ein hydrodynamischer Ölstrom in der Ringspaltdichtung aufgebaut, sodass sich die Ringspaltdichtung metallisch berührungslos »schwimmend« und selbstzentrierend radial um die Kolbenstange bewegt. Hier verformt sich eine Büchse aus Stahl durch einen Drosselspalt und erzeugt so einen berührungsfreien Dichtspalt von wenigen 1/100 mm. Dieses Verfahren funktioniert aber nur durch eine Produktionsgenauigkeit im Bereich weniger µm, da ansonsten die Leckage zu hohen hydraulischen Verlusten führt. Das austretende Lecköl wird drucklos über einen Sammel­anschluss in den Fluidkreislauf zurückgeführt. Das Fehlen einer berührenden druckbeaufschlagten Dichtung minimiert die Haft- und Gleitreibung im Zylinder. Weil kein hydrodynamischer Schmierfilm durch die Relativbewegung der Gleitpartner notwendig ist, kann auch im Bereich kleinster Amplituden und Geschwindigkeiten eine stick-slip-freie Bewegung erfolgen. Ein Zylinder mit schwimmender Ringspaltdichtung kann außerdem gewisse Querkräfte aufnehmen. Diese Reihe verfügt darüber hinaus durch die mit Spezialbronze beschichteten Kolben- und Lagerflächen über Notlaufeigenschaften, die zusätzlich die Betriebssicherheit erhöhen. Die Ölversorgung ist von entscheidender Bedeutung für die Wirksamkeit der schwimmenden Ringspaltdichtung. Je sauberer dabei das Öl ist, desto zuverlässiger arbeitet das System. Sind die Teilchen im Öl nicht größer als 3/4 der kleinsten Spalthöhe, verschleißen die Spaltringe nicht. Deshalb empfiehlt Hänchen die Reinheitsklasse 13/11 nach ISO 4406. In Test- und Prüfsystemen bieten Hydraulik-Zylinder mit der schwimmenden Ring­spaltdichtung einen echten Höchstleistungs-Zylinder mit einem deutlichen Preisvorteil gegenüber Zylindern mit hydrostatisch gelagerter Kolbenstangenführung.

Hydrostatisch gelagert

Besonders bei höheren Querkräften sind Zylinder mit hydrostatisch gelagerter Kolbenstangenführung eine optimale Konstruktion. Bei der Servo­bear-Ausführung, quasi die High-End-Lösung von Hänchen, wird die Kolbenstange durch das Aufbringen von hydraulischem Druck in vier Taschen im Ölstrom schwebend hydraulisch eingespannt. Nur die Abstreifer verursachen ein vernachlässigbares Mindestmaß an Reibung. Da die Hydrostatik in diesen Dichtungskombinationen für eine Zentrierung der Kolbenstange entgegen potenziellen Querkräften sorgt, lassen sich so auch Antriebslösungen im Grenzbereich des heute Machbaren realisieren. Das Unternehmen nutzt diese Technik Beispielsweise für Flugzeugtests , aber ebenso für unterschiedlichste Industrie-Anwendungen mit einem mechanisch äußerst anspruchsvollen Umfeld. Highend-Ausführung dieser Baureihe ist eine besonders kompakte und leichte Konstruktion, die der Hydraulik-Spezialist mit einem CNC-Bearbeitungszentrum als Einheit aus Aufbauplatte und Hydraulik-Zylinder aus einem Aluminium-Block fertigt. Zusätzlich ist in dieser kompakten Antriebseinheit auch noch ein Wegmess-System integriert. Diese Konstruktion ist Teil einer Bau­reihe, die insgesamt den Leistungsbereich von 4 bis 400 kN abdeckt. Zusätzlich bietet Hänchen eine große Zahl möglicher Sonderkonfigurationen im Dichtungsbereich, mit denen beispielsweise der Einsatz spezieller Fluide, extreme Temperaturbedingungen, Höchstgeschwindigkeiten bis zu 40 m/s oder der Einsatz von Hydraulik-Zylindern unter besonders rauen Umweltbedingungen möglich werden. Diese Erfahrungen fließen dann letztendlich auch in alle Serien- und Sonder-Produkte des Hauses ein.

Jörg Beyer

FAKTEN

- Für jede Anwendung eine Dichtungskombination: ›Servoslide‹ - mit Kunststoffführung und guten Reibeigenschaften.

- ›Servocop‹ - mit Lecköldichtung für stick-slip-arme Bewegungen.

- ›Servofloat‹ - mit patentierter Ringspaltdichtung, und ›Servobear‹ - mit hydrostatischen Lagerungen.

Erschienen in Ausgabe: 04/2006