Die Befestigungsart eines Hydraulikzylinders wählt man, indem man zwei Fragen beantwortet: wie sich die Last während des Arbeitszyklus bewegt und in welcher Richtung die Kraft auf die Struktur übertragen werden muss.
Bewegt sich die Last entlang einer festen Achse, ist die richtige Befestigung starr (Flansch, Füße, Gewindebohrungen). Erzwingt die Kinematik der Maschine eine Winkeländerung, muss die Befestigung gelenkig sein (Gabel oder Schwenkauge, Gelenklager, Schwenkzapfen).
Die Norm ISO 6020/2 kodifiziert all diese Lösungen. Die Conforti-Hydraulikzylinder mit Zugankern der Baureihen CD/DK/MD bieten im Katalog genormte Befestigungen: vordere und hintere Flansche (ME5/ME6), Gabel, Schwenkauge und Gelenklager (MP1/MP3/MP5), vordere, hintere und mittige Schwenkzapfen (MT1/MT2/MT4), Füße (MS2), Gewindebohrungen und verlängerte Zuganker (MX5/MX6, MX1/MX2/MX3). Die Befestigung bestimmt, wie sich die Lasten auf Kolbenstange, Führung und Dichtungen verteilen, und geht über den Hubfaktor in den Knicknachweis ein.
Der Zylinder arbeitet nur mit axialen Lasten gut
Die Kolbenstange eines Hydraulikzylinders ist dafür ausgelegt, Kraft entlang ihrer eigenen Achse zu übertragen. Jede Radialkraft, die durch einen Fluchtungsfehler zwischen Zylinderachse und Lastbahn oder durch eine nicht zur Kinematik passende Befestigung entsteht, wirkt auf die Führungsbuchse und die Kolbenstangendichtungen und beschleunigt deren Verschleiß. Die Befestigungsart ist das Mittel, mit dem der Konstrukteur diesen Aspekt steuert: Eine starre Befestigung zwingt den Zylinder, genau entlang der vorgesehenen Achse zu arbeiten, während eine gelenkige Befestigung ihm erlaubt, der Last zu folgen, wenn die Maschine die Schwenkbewegung vorgibt. Eine nicht optimale Befestigung zu wählen heißt, ein Problem zu schaffen, das sich nur schwer ausgleichen lässt.
Fest oder schwenkend: Die Kinematik der Maschine entscheidet
Das erste Auswahlkriterium ist die Bahn des Kraftangriffspunkts. Ändert sich der Winkel zwischen Zylinder und Last während des Zyklus nicht (eine vertikale Presse, ein Schieber auf Führungen), ist die Befestigung starr, und die Wahl verlagert sich darauf, wo die Kraft übertragen werden soll (Zylinderkopf, Zylinderboden oder seitliche Füße). Dreht sich die Last dagegen um einen Drehpunkt (ein Gelenkarm, eine Kippvorrichtung, ein Kipptisch), muss der Zylinder schwenken können: Die Befestigung ist gelenkig, und die Schwenkebene (oder die Schwenkebenen) ist festzulegen. Es ist eine Bewertung mit mehreren Parametern, keine Abfolge: Lastrichtung, Kinematik, verfügbarer Bauraum und Hub müssen gemeinsam betrachtet werden, weil jeder dieser Faktoren manche Lösungen ausschließt und andere begünstigt.
Starre Befestigungen: Flansche, Füße, Gewindebohrungen, verlängerte Zuganker
Für feste Einbausituationen sehen die Baureihen CD/DK/MD vier Gruppen vor, alle nach ISO 6020/2. Der vordere Flansch ME5 und der hintere Flansch ME6 befestigen den Zylinder an einer Wand oder Platte in der Ebene von Zylinderkopf bzw. Zylinderboden: Sie sind die Standardlösung, wenn die Kraft fluchtend zur Zylinderachse übertragen werden muss, und die Position, vorne oder hinten, richtet sich nach der Geometrie der Maschine und danach, wie die Struktur die Last aufnimmt. Die Füße MS2 stützen den Zylinder auf einer Ebene parallel zur Achse: eine einfache und gut zugängliche Lösung, mit dem Hinweis, dass die Schubachse nicht in der Befestigungsebene liegt, weshalb die Schrauben der Füße auf die resultierenden Beanspruchungen zu prüfen sind. Die vorderen Gewindebohrungen MX5 und die hinteren MX6 sowie die verlängerten Zuganker MX1/MX2/MX3 nutzen Elemente, die am Zylinder bereits vorhanden sind, für die Befestigung durch Platten und Wände hindurch und reduzieren so Bauraum und zusätzliche Bauteile.
Gelenkige Befestigungen: Gabel und Schwenkauge, Gelenklager, Schwenkzapfen
Erzwingt die Kinematik eine Schwenkbewegung, bietet der Katalog zwei Gruppen. Die hinteren Schwenkbefestigungen, Gabel MP1, Schwenkauge MP3 und Gelenklager MP5, lassen den Zylinder um einen Bolzen am Zylinderboden schwenken: MP1 und MP3 arbeiten in einer definierten Schwenkebene, während MP5 dank des Gelenklagers auch Fluchtungsfehler außerhalb der Ebene ausgleicht und die sichere Wahl ist, wenn die tatsächliche Bahn nicht exakt in einer Ebene liegt. Die Schwenkzapfen MT1 (vorne), MT2 (hinten) und MT4 (mittig) verschieben die Schwenkachse entlang des Zylinderkörpers: Insbesondere die mittigen Schwenkzapfen MT4 ermöglichen es, den Drehpunkt dort zu platzieren, wo die Maschine ihn braucht (die Position wird in der Bestellung mit dem Maß XV angegeben). Die Wahl der Befestigung ist immer mit dem Kolbenstangenende abzustimmen: Für einen schwenkenden Zylinder sieht der Katalog Anschlusselemente mit Gelenkkopf oder Gabelkopf mit Bolzen vor, denn eine gelenkige Lagerung an nur einem Ende würde radiale Restlasten auf der Kolbenstange hinterlassen.
Befestigung und Knickung: der tatsächliche Zusammenhang
Die Knicksicherheit eines auf Druck belasteten Zylinders hängt von der Kolbenstange ab, insbesondere von ihrem Durchmesser im Verhältnis zur freien Länge. Jede Befestigung hat ihren eigenen Hubfaktor FC. Der Hub multipliziert mit FC ergibt die ideale Länge LI, von der die maximal mögliche Schubkraft für jeden Kolbenstangendurchmesser abhängt (siehe Diagramm im Conforti-Katalog). In der Praxis: Bei gleichem Hub und gleicher Schubkraft kann eine schwenkende Befestigung eine größere Kolbenstange erfordern als eine gut eingespannte starre Befestigung. Deshalb ist der Knicknachweis nach der Wahl der Befestigungsgruppe zu führen, nicht davor. Das ist einer der Gründe, warum Befestigung, Kolbenstange und Hub gemeinsam festgelegt werden.
Der typische Fehler: starre Befestigung, wo die Kinematik schwenkt
Der häufigste Fehler ist nicht, zwischen zwei gleichwertigen Befestigungen die „falsche“ zu wählen: Er besteht darin, einen Zylinder starr zu befestigen, den die Maschine schwenken lassen möchte. Eine starre Befestigung auf einer Bahn, die auch nur um wenige Grad abweicht, belastet Kolbenstange und Buchse bei jedem Zyklus radial; der Zylinder funktioniert, verschleißt aber Führungen und Dichtungen viel früher als vorgesehen, mit Leckagen und ungeplanten Stillständen. Der umgekehrte Fall ist subtiler: eine gelenkige Befestigung mit nur einer Schwenkebene (MP1/MP3) vorzusehen, wenn die tatsächliche Schwenkbewegung oder der Fluchtungsfehler nicht immer in dieser Ebene liegt. In diesem Fall ist die richtige Antwort das Gelenklager MP5, gegebenenfalls auch mit Gelenkkopf auf der Kolbenstangenseite. Praktische Regel für die Konstruktionsprüfung: Wenn sich nicht nachweisen lässt, dass Zylinderachse und Lastbahn in jedem Punkt des Hubs übereinstimmen, muss die Befestigung mindestens einen Freiheitsgrad vorsehen.
Auswahlmatrix der Befestigungen nach ISO 6020/2 im Conforti-Katalog, Baureihen CD/DK/MD
Befestigung | Lagerungsart | Anwendung | Hinweise |
Flansch vorne ME5 (A) · Flansch hinten ME6 (B) | Starr, an Wand/Platte senkrecht zur Achse | Last entlang einer festen Achse, Kraft fluchtend zur Zylinderachse in die Struktur eingeleitet (z. B. Pressen, geführte Schieber) | Position vorne oder hinten je nach Geometrie der Maschine und dem Punkt, an dem die Struktur die Last aufnimmt |
Füße MS2 (E) | Starr, auf einer Ebene parallel zur Achse | Feste Einbausituationen mit Auflage auf einem Sockel und einfachem Zugang | Die Schubachse liegt nicht in der Befestigungsebene: Schrauben der Füße auf die resultierenden Beanspruchungen prüfen |
Gewindebohrungen MX5/MX6 · Verlängerte Zuganker MX1 (Q), MX2 (S), MX3 (R) | Starr, durch Platten oder Wände hindurch | Kompakte Befestigung in Plattenstrukturen, ohne zusätzliche Elemente | Nutzen die Gewindebohrungen und Zuganker des Zylinders selbst: Stärken und Schnittstelle der Platte prüfen |
Gabel MP1 (M) · Schwenkauge MP3 (C) | Gelenkig, Schwenkbewegung in einer definierten Ebene | Last, die sich um einen Drehpunkt dreht, mit einer Bahn in einer Ebene senkrecht zur Gelenkachse (Arme, Hebel, Kippvorrichtungen) | Mit gelenkigem Anschlusselement an der Kolbenstange abstimmen (Gabelkopf mit Bolzen); Fluchtungsfehler außerhalb der Ebene werden nicht ausgeglichen |
Gelenklager MP5 (D) | Gelenkig, mit Ausgleich von Fluchtungsfehlern außerhalb der Ebene (Gelenklager) | Schwenkende Kinematik, bei der die tatsächliche Bahn nicht exakt in der Ebene senkrecht zur Gelenkachse liegt | Im Zweifelsfall die sichere Wahl; Zubehör LD im Katalog erhältlich; mit Gelenkkopf auf der Kolbenstangenseite kombinieren |
Schwenkzapfen vorne MT1 · hinten MT2 · mittig MT4 (H) | Gelenkig, Schwenkpunkt entlang des Zylinderkörpers | Wenn der Drehpunkt an einer genauen Stelle des Zylinderkörpers liegen muss (Bauraum, Massenausgleich) | Bei MT4 wird die Position des Drehpunkts in der Bestellung mit dem Maß XV angegeben (min./max. im Katalog je Bohrung) |
Anwendungen
Die Wahl der Befestigung fällt je nach Kontext unterschiedlich ins Gewicht. In Pressen und geführten Schubeinheiten ist die Last axial und fest: Flansche ME5/ME6 oder Füße MS2, wobei das starre Schema den Knicknachweis begünstigt. In der Industrieautomation und im Sondermaschinenbau bestehen in derselben Anlage feste Antriebe und gelenkige Kinematiken nebeneinander: Das ist der typische Fall, in dem die obige Matrix den Fehler vermeidet, die Befestigung „der einfacheren Stückliste zuliebe“ zu vereinheitlichen, obwohl die Bahnen unterschiedlich sind. Im Druckguss und in Anlagen mit begrenztem Bauraum erlauben die mittigen Schwenkzapfen MT4, den Drehpunkt dort zu platzieren, wo der Platz es zulässt, und die Plattenbefestigungen (MX) verringern die Anzahl der beteiligten Bauteile. Bei langen Hüben (Prüfstände, lange Verfahrwege) ist die Wahl der Befestigung mit der Wahl der Bauart verknüpft: Die Ausführung mit Gegenflanschen HD/HK, die der Katalog über 2000 mm Hub empfiehlt, behält dieselben ISO-Befestigungsschemata wie die Zugankerbaureihe bei.
Die Lösung von Conforti
Alle beschriebenen Befestigungen sind genormte Katalogoptionen, die bei der Konfiguration ausgewählt werden können.
Baureihen CD/DK/MD — Zugankerzylinder nach ISO 6020/2
Die Zugankerbaureihen CD/DK/MD nach ISO 6020/2 (Bohrungen 25–200 mm, Betriebsdruck 160 bar) bieten im Katalog das gesamte Spektrum genormter Befestigungen (Flansche, Gabeln und Schwenkaugen, Gelenklager, Schwenkzapfen, Füße, Plattenbefestigungen) sowie Kolbenstangen-Anschlusselemente mit Gelenkkopf oder Gabelkopf: Die zur Kinematik der Maschine passende Konfiguration wird innerhalb des Standards zusammengestellt, mit verfügbaren Ersatzteilen und Abnahmeprüfung jedes Zylinders nach ISO 10100.
Baureihen HD/HK — Zylinder mit Gegenflanschen nach ISO 6020/2
Für lange Hübe und Betriebsdrücke bis 210 bar behalten die Baureihen HD/HK mit Gegenflanschen nach ISO 6020/2 (Bohrungen 50–200 mm) die Außenabmessungen und Befestigungsschemata der Norm bei und verzichten auf sehr lange Zuganker: Die Wahl der Befestigung bleibt gleich, nur die Bauart ändert sich.