Verhindert das Ausknicken der Kolbenstange in Hydraulikzylindern

Mattias Awad erklärt, wie Maschinenbaukonstrukteure höherfesten, speziellen Kolbenstangenstahl nutzen können, um die Knickfestigkeit von Hydraulikzylindern zu erhöhen

Hydraulikzylinder steuern schwere Lasten mit hoher Präzision in Baufahrzeugen, Hebezeugen, Landmaschinen, Windkraftanlagen und anderen industriellen Anwendungen. Ihre Konstrukteure müssen darauf achten, dass die Kolbenstangen einem Knickbruch standhalten, wenn die Hydraulikzylinder Druckkräften ausgesetzt sind.

Knicken ist eine plötzliche und unvorhersehbare Form des Versagens mit schwerwiegenden Folgen. Sie entsteht durch übermäßige Belastung im Schubbetrieb – deshalb achten Ingenieure bei der Konstruktion von Kolbenstangen besonders auf Druckspannungen.

Bei einfachwirkenden Zylindern, die eine Schubkraft bereitstellen, wird die Kolbenstange einer Kompression ausgesetzt. Es sollte so ausgelegt sein, dass die axiale Spannung unter einer kritischen Knickschwelle bleibt.

Doppeltwirkende Zylinder müssen außerdem Ermüdungserscheinungen widerstehen können, die durch die vielen tausend Zyklen entstehen können, die zwischen Kompression und Zug wechseln. Diese Zyklen erzeugen eine erhöhte Spannung um mikroskopische Unvollkommenheiten herum, was zur Ausbreitung von Rissen und schließlich zum Versagen führt. Ermüdungserscheinungen treten meist an Stellen mit reduziertem Querschnitt auf, etwa an Gewindewurzeln oder -kehlen, oder an Defekten in Schweißverbindungen.

Eine sorgfältige Auswahl des Stahls kann das Risiko eines Versagens durch Knicken und Ermüdung verringern. Bei der Konstruktion von Zylindern mit schlanken Stangen können Ingenieure die Euler-Theorie anwenden, ein Modell für elastisches Knicken. Bei weniger schlanken Stäben wird die Knickfestigkeit jedoch in der Euler-Theorie deutlich überschätzt, und Ingenieure können sich vor Knicken schützen, indem sie auf Materialien mit höherer Streckgrenze zurückgreifen.

Diese Praxis wurde durch Methoden des American Institute for Steel Construction (AISC) und der European Convention for Construction Steelwork (ECCS) in die Entwurfsvorschriften für Stützen im Baugewerbe integriert.

Darüber hinaus ist die Krannorm prEN 13001-3-6A eine nützliche Ressource. Es umfasst ein Verfahren zur Beurteilung der Knickfestigkeit von Hydraulikzylindern und eine Methode zur Berechnung der effektiven Länge einer Kolbenstange. Die wirksame Länge hängt davon ab, ob der Zylinder nur an den Enden angeschlossen wird oder ob er in der Mitte an der Stopfbuchse abgestützt wird.

Spezielle Kolbenstangenstähle wurden speziell für die Hydraulik entwickelt, beispielsweise Cromax 180X und Cromax 280X von Ovako. Cromax 180X wird in Form einer hartverchromten Stange geliefert und basiert auf einem mikrolegierten Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt. Dank sorgfältiger Kontrolle der Legierungsmischung und Verarbeitung erreicht es eine Mindeststreckgrenze von 500 N/mm2. Dies entspricht 305 N/mm2 für die Sorte C45E.

Eine höhere Streckgrenze bedeutet, dass die Kolbenstange einem Knicken besser standhalten kann. Ein Konstrukteur kann daher den Durchmesser einer Kolbenstange reduzieren und so das Gewicht des gesamten Zylinders reduzieren.

Alternativ könnten sie eine C45E-Kolbenstange durch eine identische im Cromax 180X ersetzen, um eine größere Last bei gleichem Sicherheitsspielraum gegen Knicken zu übertragen, vorausgesetzt, der Zylinder ist für die höhere Kraft/den höheren Druck dimensioniert.

Ingenieure können verschiedene Qualitäten von Kolbenstangenstahl vergleichen, indem sie einen Kolbenstangenvorhersager verwenden, der Teil des Steel Navigator-Tools auf der Website von Ovako ist. Der Kolbenstangen-Prädiktor bietet Einblicke in die Auswirkungen unterschiedlicher Qualitäten auf den Knickwiderstand unter Verwendung der AISC- und ECCS-Methode.

Ingenieure können die Ermüdungsmodellierung nutzen, um doppeltwirkende Kolbenstangen zu entwerfen. Generell gilt, dass die Dauerfestigkeit mit der Zugfestigkeit des Stabmaterials zunimmt. Bei sicherheitskritischen Anwendungen kann auch eine garantierte Schlagzähigkeit in Betracht gezogen werden.

Unter sonst gleichen Bedingungen sorgt die höhere Zugfestigkeit von Cromax 180X für eine deutlich bessere Ermüdungsfestigkeit als C45E. Wie bei der Knickfestigkeit könnte der Einsatz von Cromax 180X entweder die Verkleinerung einer Kolbenstange ermöglichen oder die Ermüdungslebensdauer bei gleicher Stangengröße verbessern.

Ingenieure müssen auch für die Fertigung entwerfen. Daher ist es wichtig, die Auswirkungen auf die Bearbeitung und Produktion zu berücksichtigen. Die Bearbeitbarkeit der Cromax-Sorten wurde sowohl beim Drehen als auch beim Gewindeschneiden umfassend getestet. Obwohl seine Festigkeit und Härte deutlich höher sind, lässt sich der Stahl im Vergleich zu Materialien wie C45E effizient verarbeiten.

Auch die Schweißbarkeit ist wichtig – insbesondere das Reibschweißen, das häufig bei Kolbenstangen eingesetzt wird, die hohen Belastungen ausgesetzt sind. Ingenieure möchten verhindern, dass sich in der Schweißwärmeeinflusszone (WAZ) spröde Bestandteile bilden.

Cromax-Sorten sind aufgrund des Legierungsgehalts, der entwickelt wurde, um das Risiko einer Mittenseigerung zu vermeiden, die nach dem Reibschweißen zu Versprödung führen könnte, eine gute Wahl. Zusammen mit ihrer höheren Streckgrenze sind sie daher eine gute Wahl, um Konstrukteuren von Hydrauliksystemen dabei zu helfen, die Leistung zu verbessern und Systeme zu verkleinern.

Mattias Awad ist dabeiSo was