Einfachstangen- und Doppelstangen-Hydraulikzylinder wandeln beide den Fluiddruck in lineare Kraft und Bewegung um. Ihr Hauptunterschied liegt in der Anordnung der Kolbenstange: Ein Einfachstangenzylinder hat eine Stange, die von einer Seite des Kolbens herausragt, während ein Doppelstangenzylinder eine Stange hat, die von beiden Enden herausragt.
Dieser strukturelle Unterschied ändert die effektive Fläche des Zylinders, die Kräfte beim Strecken und Zusammenziehen, die Betriebsgeschwindigkeit, die Ölvolumenanforderungen und das Installationsvolumen. Ein Einfachstangenzylinder ist normalerweise die kompaktere und wirtschaftlichere Wahl, während ein Doppelstangenzylinder nützlich ist, wenn in beiden Richtungen ähnliche Kraft und Geschwindigkeit erforderlich sind oder wenn der Mechanismus eine Stangenverbindung auf beiden Seiten benötigt.
Es ist auch wichtig, die Stangenanordnung nicht mit der Art der Betätigung zu verwechseln. Einfachstangen- und Doppelstangen beschreiben die Anzahl der Stangenverlängerungen, während einfachwirkend und doppeltwirkend beschreiben, wie der hydraulische Druck den Zylinder antreibt. Ein Einfachstangenzylinder kann einfachwirkend oder doppeltwirkend sein, und ein Doppelstangenzylinder ist normalerweise – aber nicht unbedingt – doppeltwirkend.
Was ist der Unterschied zwischen einem Einfachstangen- und einem Doppelstangenhydraulikzylinder?
Ein Einfachstangen-Hydraulikzylinder hat eine Kolbenstange, die von einem Ende herausragt und während des Streckens und Zusammenziehens unterschiedliche effektive Flächen, Kräfte und Geschwindigkeiten erzeugt. Ein Doppelstangenzylinder hat Stangen, die von beiden Enden herausragen. Wenn beide Stangen den gleichen Durchmesser haben, bietet er in beiden Richtungen ungefähr gleiche Kraft und Geschwindigkeit.
Was sind Einzelstangenzylinder und Doppelstangenzylinder?
Was ist ein Einzelstangenzylinder?
Ein Einfachstangen-Hydraulikzylinder hat eine Kolbenstange, die mit dem Kolben verbunden ist und durch einen Zylinderkopf hindurchragt. Das gegenüberliegende Ende des Zylinders ist durch eine Kappe verschlossen.
In einem doppeltwirkenden Einfachstangenzylinder kann das Hydrauliköl auf entweder Seite des Kolbens geleitet werden. Das Behandeln des Kappenendes verursacht, dass sich die Kolbenstange ausdehnt, während das Behandeln des Stangenendes verursacht, dass sie sich zurückzieht.
Da die Stange einen Teil der Kolbenfläche auf der Stangenseite einnimmt, sind die beiden effektiven Flächen unterschiedlich. Die gesamte Kolbenfläche steht während der Erweiterung zur Verfügung, aber nur die annuliere Fläche um die Stange steht während der Rückziehung zur Verfügung.
Dieses Design mit ungleichen Flächen bewirkt, dass ein Einfachstangenzylinder in den beiden Richtungen unterschiedliche Kräfte und Geschwindigkeiten erzeugt, wenn der gleiche Druck und Fluss bereitgestellt werden.
Was ist ein Doppelstangenzylinder?
Ein Doppelstangen-Hydraulikzylinder hat eine Kolbenstange, die durch beide Zylinderköpfe hindurchragt. In einem konventionellen Gleichstangen-Design haben die beiden Stangenabschnitte den gleichen Durchmesser und sind entlang derselben Mittelachse durch den Kolben verbunden.
Da eine Stange mit gleichem Durchmesser die gleiche Menge an Kolbenfläche auf beiden Seiten einnimmt, sind die effektiven Druckflächen gleich. Bei gleichem Druck und Fluss kann der Zylinder daher in jeder Richtung ungefähr gleiche theoretische Kraft und Geschwindigkeit erzeugen.
Ein Doppelstangenzylinder wird manchmal als doppeltwirkender Hydraulikzylinder oder als Gleichflächen-Zylinder. bezeichnet. Allerdings ist “Gleichflächen” nur dann zutreffend, wenn die Stangen auf beiden Seiten den gleichen Durchmesser haben. Besondere Doppelstangenzylinder mit unterschiedlichen Stangendurchmessern werden dennoch ungleiche effektive Flächen haben.
Bosch Rexroth bietet beispielsweise konfigurierbare Zugstangen-Zylinder mit Kolbenstangen auf beiden Seiten an, was bestätigt, dass die Doppelstangen-Bauweise eine verfügbare Industrie-Zylinderkonfiguration und kein separates Betätigungsprinzip ist. Bosch Rexroth Doppelstangen-Zylinderkonfiguration
Einzelstangenzylinder vs. Doppelstangenzylinder: Hauptunterschiede
| Vergleichspunkt | Einfachstangen-Zylinder | Gleicher Doppelstangen-Zylinder |
|---|---|---|
| Stangenanordnung | Stange ragt von einem Ende heraus | Stange ragt von beiden Enden heraus |
| Wirksame Kolbenflächen | Unterschiedlich auf den beiden Seiten | Gleich auf beiden Seiten |
| Kraft bei gleichen Druckverhältnissen | Höherer Ausdehnungsdruck als Rückzugskraft | Ähnliche Kraft in beide Richtungen |
| Geschwindigkeit bei gleichem Durchfluss | Rückzug ist schneller als Ausdehnung | Ähnliche Geschwindigkeit in beide Richtungen |
| Ölvolumen pro Hub | Unterschiedlich für Ausdehnung und Rückzug | Ähnlich in beide Richtungen |
| Montagelänge | Kompakter | Benötigt Platz an beiden Enden |
| Anzahl der Dichtungen | Normalerweise eine | Normalerweise zwei |
| Kolbenstangenanschluss | Ein externer Kolbenstangenanschluss | Zwei externe Kolbenstangenanschlüsse |
| Verhalten des hydraulischen Kreislaufs | Differentialfluss und -kraft | Ausgewogenere Strömung und Kraft |
| Typische Verfügbarkeit | Sehr häufig | In der Regel anwendungsspezifisch |
| Relativer Kosten | Allgemein niedriger | Allgemein höher |
| Häufige Anwendungen | Heben, Schieben, Klemmen und mobile Maschinen | Positionierung, Steuerung, Testen und symmetrische Mechanismen |
Wie die Anordnung der Stangen die Zylinderkraft und -geschwindigkeit beeinflusst
Die theoretische Kraft, die von einem Hydraulikzylinder erzeugt wird, wird bestimmt durch:
F=P×A
wobei:
- = theoretische Zylinderkraft
- P = hydraulischer Druck
- A = effektive Druckfläche
Die tatsächliche Ausgangskraft wird aufgrund von Dichtungsreibung, Druckverlust und mechanischem Widerstand etwas niedriger sein.
Einstellkraft des Einzelstangenzylinders
Während der Ausdehnung wirkt der hydraulische Druck auf die gesamte Kolbenfläche:
wobei D der Zylinderdurchmesserdurchmesser ist.
Rückzugskraft des Einzelstangenzylinders
Beim Einziehen belegt die Kolbenstange einen Teil der Druckfläche:
wobei d der Durchmesser der Kolbenstange ist.
Da die ringförmige Fläche kleiner ist als die gesamte Kolbenfläche, erzeugt ein herkömmlicher Einkolbenzylinder während des Einziehens weniger theoretische Kraft als während der Ausdehnung bei demselben Druck.
Geschwindigkeit des Einzelstangenzylinders
Bei gleichem Pumpendurchfluss zieht der Einfachstangen-Zylinder schneller zurück als er sich ausdehnt, da die annularen Fläche auf der Stangenseite kleiner ist als die Fläche des Kolbens auf der Kopfseite.
Kraft des Doppelstangenzylinders
Bei einem gleichwertigen Doppelstangen-Zylinder haben beide Seiten die gleiche annulare Fläche:
Awirksam = Ap− Ar
Die theoretischen Kräfte sind daher:
Wenn die Stangendurchmesser und der hydraulische Druck gleich sind, ist die theoretische Kraft in beiden Richtungen gleich.
Ein gleichwertiger Doppelstangen-Zylinder erzeugt jedoch im Allgemeinen weniger Kraft in beide Richtungen als ein Einfachstangen-Zylinder mit demselben Durchmesser, der mit seiner gesamten Fläche auf der Kopfseite betrieben wird.
Geschwindigkeit des Doppelstangenzylinders
In einem gleichmäßigen Doppelstangen-Zylinder ist die effektive Fläche auf beiden Seiten gleich:
Daher erzeugt der gleiche Durchfluss ungefähr die gleiche Geschwindigkeit in beiden Richtungen. Dies ist einer der Hauptgründe, warum Doppelstangen-Zylinder in Positionierungs-, Test- und Hubsystemen verwendet werden.
Beispiel für einen Kraftvergleich
Betrachten Sie zwei Zylinder mit den folgenden Abmessungen:
- Bohrungsdurchmesser: 80 mm
- Stangendurchmesser: 40 mm
- Betriebsdruck: 160 bar
Die Kolbenfläche beträgt ungefähr:
Ap=5,027 m㎡
Die Stangenfläche beträgt ungefähr:
Ar=1,257 m㎡
Die ringförmige Fläche ist:
Ap−Ar=3,770m㎡
Nehmen wir an, dass Verluste ignoriert werden, betragen die ungefähren theoretischen Kräfte:
| Zylinderbewegung | Effektive Fläche | Theoretische Kraft |
|---|---|---|
| Einzelstangen-Ausdehnung | 5,027 mm² | 80,4 kN |
| Einzelstangen-Rückzug | 3,770 mm² | 60,3 kN |
| Gleichmäßige Bewegung mit doppeltem Kolben – in beide Richtungen | 3,770 mm² | 60,3 kN |
Der Einkolben-Zylinder bietet während der Ausdehnung etwa 33% mehr theoretische Kraft als während der Rückführung. Der Gleichgewicht-Zweikolben-Zylinder bietet in beiden Richtungen ungefähr die gleiche Kraft von 60,3 kN.
Diese Werte sind theoretisch. Ein praktisches Design muss Reibung, Druckverluste, Lastrichtung, Druckspitzen und benötigte Sicherheitsmargen berücksichtigen.
Ölvolumen und Verhalten des Hydraulikschaltkreises
Ein Einkolben-Zylinder benötigt unterschiedliche Ölvolumina für die Ausdehnung und Rückführung. Das Kappenende erhält oder gibt pro Hub mehr Öl ab als das Kolbenende.
Dieser Volumendifferenz beeinflusst den Ventilfluss, den Rücklauf, das Verhalten des Reservoirs und die Zylindergeschwindigkeit. In einigen regenerativen Kreisläufen kann das vom Kolbenseite abgegebene Öl zur Kappen-Seite geleitet werden, um die Ausdehnungsgeschwindigkeit zu erhöhen, obwohl die verfügbare Ausdehnkraft reduziert wird.
Ein Gleichgewicht-Zweikolben-Zylinder hat ungefähr gleiche Kammergrößen für den gleichen Hub auf beiden Seiten. Das Volumen, das in eine Kammer eintritt, ist daher nahe am Volumen, das die andere Kammer verlässt, was die Flussbalancierung in Anwendungen, die symmetrische Hin- und Herbewegung erfordern, vereinfacht.
“Gleicher Fluss” garantiert nicht automatisch eine perfekte Übereinstimmung der Geschwindigkeiten in der Praxis. Dichtungsreibungen, Lastrichtung, Druckverluste in Schläuchen, Ventileigenschaften und externe mechanische Widerstände können dennoch kleine Unterschiede erzeugen.
Vorteile und Einschränkungen von Einzel-/Doppelstangenzylindern
Vorteile von Einzelstangenzylindern
Einkolben-Zylinder sind die Standardwahl für viele mobile und industrielle Systeme, da sie eine nützliche Kombination aus hoher Ausdehnkraft, kompakten Abmessungen und relativ einfacher Konstruktion bieten.
Ihr hauptsächlicher praktischer Vorteil besteht darin, dass nur eine Seite Platz für die sich bewegende Kolbenstange benötigt. Das macht sie einfacher zu installieren in Ladern, landwirtschaftlichen Geräten, Hebesystemen, Anhängern, Pressen und Maschinen zur Materialbearbeitung.
Ein Einkolben-Zylinder nutzt auch die gesamte Kolbenfläche für die Ausdehnung. Für Anwendungen, bei denen der primäre Arbeitsweg eine Druck- oder Hebebewegung ist, ermöglicht dies, mehr Kraft aus einer gegebenen Bohrungsgröße zu gewinnen.
Standard-Einkolben-Zylinder sind in geschweißter und mit Stangen verbundenen Bauweise weit verbreitet, mit vielen Kombinationen aus Bohrung, Hub, Druck und Montage. Dies macht den Austausch, die Anpassung und die Wartung in der Regel einfacher.
Einschränkungen von Einzelstangenzylindern
Die ungleichen effektiven Bereiche erzeugen unterschiedliche Kraft- und Geschwindigkeitsmerkmale in beiden Richtungen. Wenn die Anwendung identische Bewegungen in beide Richtungen erfordert, muss der hydraulische Kreislauf möglicherweise Flussregelungen, proportionalen Ventilen, Positionsrückmeldungen oder andere Kompensationen beinhalten.
Der Unterschied im Kammervolumen bedeutet auch, dass der Rückfluss während bestimmter Bewegungen höher sein kann als der Pumpenfluss. Ventile, Schläuche und Rückleitungen müssen für den tatsächlichen Kreislauffluss und nicht nur für die nominelle Pumpenleistung dimensioniert werden.
Bei Langhub-Kompressionsanwendungen muss das Knicken der Kolbenstange sorgfältig überprüft werden. Der Durchmesser der Stange, die nicht unterstützte Länge, die Montagestruktur, die Lastausrichtung und der Sicherheitsfaktor beeinflussen alle den Knickwiderstand.
Vorteile von Doppelstangenzylindern
Ein Gleichgewicht-Zweikolben-Zylinder kann bei gleichmäßiger Druck- und Flussversorgung ähnliche Kraft und Geschwindigkeit in beide Richtungen bereitstellen. Dieses ausgewogene Verhalten ist wertvoll in Maschinen, die wiederholte bidirektionale Bewegungen durchführen.
Die von beiden Enden aus verlängerte Stange kann auch die mechanische Führung verbessern oder es dem Zylinder ermöglichen, sich mit zwei bewegten Komponenten zu verbinden. Ein Ende der Stange kann die Last antreiben, während das andere einen Sensor, einen mechanischen Stopper, eine Verbindung oder einen Positionsanzeiger betätigt.
Da die Kammergrößen ungefähr gleich sind, sind Doppelstangen-Zylinder nützlich in hydraulischen Systemen, in denen ein ausgeglichener Fluss die Steuerung vereinfacht. Typische Beispiele sind Prüfmaschinen, Positionierungssysteme, Lenkmechanismen, Maschinenarbeitszuführungen und spezialisierte Ventilansteuerungen.
AISOAR hat auch einen individuell angepassten Doppelstangen-Zylinder in einem Wasserfluid-Kontrollprojekt verwendet, das eine stabile Bewegung und eine spezielle End-to-End-Verbindungsanordnung erforderte. AISOAR-Wasserfluid-Hydraulikzylinderprojekt
Einschränkungen von Doppelstangenzylindern
Ein Doppelstangen-Zylinder benötigt Platz für die Stangenbewegung auf beiden Seiten. Sein gesamter Betriebsbereich kann daher erheblich länger sein als der eines entsprechenden Einzelstangen-Zylinders.
Der Zylinder verfügt auch über eine zusätzliche Öffnung für die Stange, eine Stangenlagerung, einen Wischer und ein Dichtungssystem. Dies erhöht die Anzahl der Komponenten und schafft eine zweite äußere Stangenfläche, die vor Korrosion, Verunreinigung und Stoßschäden geschützt werden muss.
Da die effektive Fläche auf beiden Seiten eine annularen Fläche ist, erzeugt ein Doppelstangen-Zylinder mit dem gleichen Bohrungsdurchmesser und Druck normalerweise weniger maximale Kraft als ein Einzelstangen-Zylinder, der am Deckel betrieben wird. Ein größerer Bohrungsdurchmesser oder ein höherer Betriebsdruck kann erforderlich sein, um die gleiche Kraftanforderung zu erfüllen.
Doppelstangen-Zylinder sind auch weniger häufig als Standard-Zylinder für mobile Geräte vorrätig. Viele sind für eine bestimmte Maschine, Installationslänge, Stangenende-Schnittstelle oder Bewegungssteuerungsanforderung ausgelegt.
Typische Anwendungen
Anwendungen von Einzelstangenzylindern
Einzelstangen-Zylinder sind weit verbreitet, wo eine hauptsächliche Druck-, Zug-, Hebe- oder Positionierungsbewegung erforderlich ist. Typische Anwendungen umfassen landwirtschaftliche Maschinen, Lader, Bagger, Kippanhänger, Industriepressen, Spannvorrichtungen, Hebebühnen und Abfallbehandlungsgeräte.
Sie sind besonders geeignet, wenn die Maschine über einen begrenzten Installationsraum verfügt oder wenn der Arbeitsweg mehr Kraft in einer Richtung erfordert als der Rückweg.
Anwendungen von Doppelstangenzylindern
Doppelstangen-Zylinder sind häufiger in Geräten zu finden, die symmetrische bidirektionale Bewegungen, zwei mechanische Stangenverbindungen oder ein ähnliches hydraulisches Volumen auf beiden Seiten erfordern.
Typische Anwendungen umfassen:
- Hydraulische Lenksysteme
- Materialpositionierungsausrüstung
- Pendelmotorische industrielle Maschinen
- Hydraulische Testausrüstung
- Maschinenwerkzeug- Zuführungssysteme
- Große Ventilsteller
- Wassersteuerungs- und Toranlagen
- Servo-hydraulische und Ermüdungstestgeräte
Die tatsächliche Eignung hängt von der erforderlichen Kraft, dem Hub, der Geschwindigkeit, der Zyklenrate, der seitlichen Lastkontrolle und dem verfügbaren Installationsraum ab.
Wie man zwischen einem Einzelstangen- und einem Doppelstangenzylinder wählt
Beginnen Sie mit der erforderlichen Kraft und Geschwindigkeit in beide Richtungen. Wenn der Hauptarbeitsweg eine höhere Kraft erfordert und der Rückhub schneller und schwächer sein kann, ist ein Zylindersystem mit einem Kolben in der Regel die effizientere Wahl. Wenn ähnliche Kraft und Geschwindigkeit in beiden Richtungen erforderlich sind, kann ein gleichmäßiger Zylinder mit doppeltem Kolben das mechanische und hydraulische Design vereinfachen.
Der Installationsraum ist ebenso wichtig. Ein Zylinder mit doppeltem Kolben benötigt Platz für die Kolbenbewegung an beiden Enden, einschließlich Spielraum für Kolbenanschlüsse und Schutz. Ein Zylinder mit einem Kolben passt normalerweise leichter in kompakte mobile Geräte.
Die endgültige Auswahl sollte die gesamte Maschine berücksichtigen und nicht nur den Zylinder:
- Erforderliche Druck- und Zugkraft
- Ausdehnungs- und Rückziehgeschwindigkeit
- Verfügbarer Pumpenfluss und Druck
- Hub- und Gesamtlänge der Installation
- Kolbenknicken und Zugbelastung
- Montage- und Lastausrichtung
- Erforderliche Synchronisation oder Positioniergenauigkeit
- Korrosions- und Kontaminationsbelastung
- Wartungszugang und Dichtungswechsel
- Positionssensoren, Dämpfer und Regelventile
Für ungewöhnliche Anwendungen sollte der Zylinderhersteller die Maschinengeometrie, den Betriebszyklus, die maximale Last und den Hydraulikschaltkreis überprüfen, bevor die endgültigen Abmessungen genehmigt werden.
Können Einfachstangen- und Doppelstangen-Zylinder angepasst werden?
Ja. Beide Typen können je nach Betriebsdruck, Bohrung, Hub, Arbeitszyklus und Wartungsanforderungen in geschweißter, mit Zugstangen oder für die industrielle Nutzung konzipierter Ausführung hergestellt werden.
Anpassbare Elemente können Bohrdurchmesser, Stangendurchmesser, Hub, Montagetyp, Anschlussart, Dichtungsmaterial, Dämpfung, Oberflächenbehandlung und Positionssensing umfassen. Ein Doppelstangen-Zylinder erfordert auch die Bestätigung beider Stangenendmaße, der freiliegenden Stangenlängen und ob die Stangendurchmesser gleich sind.
AISOAR stellt geschweißte Hydraulikzylinder nach Maß und benutzerdefinierte Zugstangen-Hydraulikzylinder nach Zeichnungen, Mustern und verifizierten Anwendungsanforderungen her.
