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Spezielle Dichtungen ermöglichen Stick-slip-Freiheit von Gleichlaufzylindern

16.07.2008
Damit Gleichlaufzylinder in Prüfständen dynamische Belastungszyklen am Prüfobjekt reproduzierbar erzeugen können, müssen sie im Takt arbeiten. Voraussetzung dafür ist eine verzögerungsfreie Bewegung der Zylinderkolben. Für diese Stick-slip-Freiheit sind besondere Kolben- und Kolbenstangendichtungen erforderlich. Die Lösung dabei liegt in spezifischen Dichtungskombinationen, wie der Flugzeug-Prüfstand mit 163 Zylindern für den Airbus 380 zeigt.

Stick-slip-Freiheit ist eine Grundvoraussetzung, wenn 163 Hydraulikzylinder computergesteuert exakt im Takt arbeiten und das größte Passagierflugzeug aller Zeiten testen. Denn um die Betriebsfestigkeit des neuen Airbus 380 im Flugbetrieb zu prüfen, simulieren Hydraulik-Zylinder die an Tragflächen, Triebwerksaufhängungen, Leitwerken, Klappen, Rumpf und Fahrwerk während des Flugbetriebs auftretenden wechselnden Kräfte.

Über ein aufwändiges Regelsystem werden die Kräfte aufgebracht, die bei Start, Landung und Flug unter Normal- und Extrembedingungen auf das Flugzeug einwirken. So lassen sich mögliche Gefahren, zum Beispiel Werkstoffermüdung und Schadenstoleranzverhalten, bereits „am Boden“ feststellen.

Dichtung zwischen Verschluss und Stange hält Hydraulikzylinder exakt im Takt

Damit die Hydraulikzylinder exakt im Takt arbeiten, kommt es auf die Abdichtung zwischen Verschluss und Stange an. Sie ist der Schlüssel für die funktionelle Qualität. Darin liegt ein Technologievorsprung. Er ist die Grundlage dafür, dass Hänchen seit 35 Jahren am Test aller Airbus-Modelle beteiligt ist.

Was Qualität bedeutet, zeigt sich am Schaden, den eine Zylinderfehlfunktion verursachen kann: Ein einziger fehlerhafter Zylinder zerstört den teuren Prüfling und das Ergebnis von vielen Testmonaten oder gar Jahren. Der computergesteuerte Gleichtakt muss perfekt sein, um zu simulieren, wie sich das Flugzeug im jahrelangen Dauerbetrieb verhält.

Gleichlauf-Zylinder für Prüfaufgaben optimal

Gleichlauf-Zylinder sind für solche sensiblen Prüfaufgaben ein mechanisch optimaler Antrieb: Denn nur so reagiert eine Hydraulik in beide Hubrichtungen auf den anliegenden Druck mit dem gleichen Verhalten.

Konventionelle Zylinder in Differenzial-Bauweise können dagegen nur durch aufwändige elektronische Regelungsmaßnahmen ein weitestgehend symmetrisches Verhalten imitieren. Denn beim Differenzial-Zylinder ist kolbenstangenseitig die wirksame Kreisring-Fläche des Kolbens deutlich kleiner als die Kreis-Fläche auf der Verschluss-Seite.

Um – insbesondere für dynamische Prüfaufgaben – in beiden Hubrichtungen dieselbe Fläche mit Druck zu beaufschlagen, verwenden Hydrauliker beim Gleichlauf-Zylinder einen fluidtechnischen Trick: Der Kolben erhält in jeder Hubrichtung eine Kolbenstange, auch wenn die zweite Stange nur die Funktion hat, für die nötige Symmetrie des Antriebs zu sorgen.

Kombination der Dichtungen ist Schlüssel zum Erfolg

Doch die Funktionsgrundlage für hochwertige Prüfzylinder liegt in den Dichtungskombinationen, für deren Weiterentwicklung Hänchen einen hohen Forschungs- und Entwicklungsaufwand betreibt. Schon in der Grundausführung ist die Kolbenstangenführung eines Hänchen-Hydraulikzylinders mit einem speziellen Kunststoff beschichtet. Ein zusätzlicher druckloser Lecköl-Anschluss mit abschließender Lecköl-Dichtung ermöglicht trotz dieser reibungsarmen Dichtungspaarungen eine praktisch leckagefreie Konstruktion mit minimaler Stick-slip-Neigung.

In den letzten Jahren dehnte Hänchen ein Konstruktionsmerkmal auf alle Katalog-Zylinder aus: Bei den meisten Katalog-Zylindern wird eine Kunststoff-Führung aufgespritzt und nachbearbeitet. Damit ist auch eine gewisse Aufnahmefähigkeit für Seitenkräfte gegeben. Diese Ausrüstung des kolbenseitigen Verschlusses gilt heute unter dem Namen Servoslide als Basisqualität bei Hänchen.

Unter dem geschützten Markennamen Servocop bietet Hänchen eine Dichtungskombination, die trotz sehr hoher Leistung noch im mittleren Preissegment liegt. Durch einen zusätzlichen kolbenstangenseitigen PTFE-Ring und eine besonders hohe Fertigungsgenauigkeit werden ein geringes Führungsspiel und äußerst stick-slip-arme Bewegungen auch bei einer sehr niedrigen und sehr hohen Kolbengeschwindigkeit erreicht. Selbst bei einer Geschwindigkeit unter 0,02 m/s erfolgen die Bewegungen völlig gleichmäßig, ein stick-slip-artiger Effekt tritt erst bei einer noch niedrigeren Geschwindigkeit auf.

Berührungsfreie Abdichtung zwischen Stange und Zylinder

Die Dichtungskombination Servocop deckt ein weites Spektrum von Prüfaufgaben ab, sodass alle Testzylinder-Typen mit dieser Dichtungs-Qualität ausgestattet werden können. Bei den Katalog-Zylindern sind dies die Reihen 126 Gleichlauf/Differenzial, 166 Gleichlauf, 306 Gleichlauf/Differenzial sowie 327 Gleichlauf. Die letztgenannte Baureihe entstand im Umfeld früherer Airbus-Versuche und ist besonders versteift.

In der auf der Hannover-Messe 2007 erstmals vorgestellten Baureihe 326 werden die Reihen 327 bis 329 zusammengefasst. Die Servocop-Qualität ermöglicht Geschwindigkeiten bis zu 4 m/s und kommt auch beim Test des Supervogels vielfach zum Einsatz, teilweise auch in Synchronlaufzylindern mit verkürzter Bauweise.

Schwimmende Ringspalt-Dichtung für höhere Anforderungen

Wo noch höhere Anforderungen herrschen, kommt die patentierte schwimmende Ringspalt-Dichtung in der Ausführung Servofloat zum Einsatz. Bei dieser Dichtung verformt sich eine Büchse aus Stahl durch einen Drosselspalt und erzeugt so einen berührungsfreien Dichtspalt von wenigen hundertstel Millimetern. Dieses Verfahren funktioniert aber nur bei einer Maßgenauigkeit im Bereich weniger Mikrometer, weil ansonsten die Leckage zu hohen hydraulischen Verlusten führt.

Das Ergebnis ist die Zylinderreihe 328. Sie unterscheidet sich nur in der etwas höheren Empfindlichkeit für Seitenkräfte von einem Zylinder mit hydrostatisch gelagerter Kolbenstangenführung, bringt aber einen Kostenvorteil von rund 30%. Zylinder in Servofloat-Dichtung bieten aufgrund der vernachlässigbaren Reibung höchste Positionier- und Wiederholgenauigkeit, sind stick-slip-frei und für äußerst langsame und schnelle Bewegungen geeignet.

Zylinder mit hydrostatisch gelagerter Kolbenstangenführung bringen Motoren an ihre Grenze

Für höchste Anforderungen sind Zylinder mit hydrostatisch gelagerter Kolbenstangenführung eine optimale Konstruktion. Bei ihnen 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.

Weil die Hydrostatik in diesen Dichtungskombinationen für eine Zentrierung der Kolbenstange entgegen potenziellen Querkräften sorgt, lassen sich so Antriebslösungen im Grenzbereich des Machbaren realisieren. Für den Airbus war dieser Aufwand nicht erforderlich. Hänchen setzt diese Technik aber für andere Flugzeugtests ebenso ein wie in unterschiedlichen Industrie-Anwendungen mit einem mechanisch anspruchsvollen Umfeld.

Die Herausforderung beim Airbus-Auftrag war die Größe des Prüflings, der teilweise die doppelten Dimensionen früherer Testparameter nötig machte. Diese Herausforderung musste Hänchen durch deutlich größere Baulängen, Hübe, Kräfte und Geschwindigkeiten mit der bewährten Präzision bewältigen. Damit wurde der neue Airbus technisch auch zu einem Meilenstein der modernen Hydraulik. Die dabei gemachten Erfahrungen fließen in alle Serien- und Sonderprodukte von Hänchen ein.

Hartmut Hänchen ist geschäftsführender Gesellschafter der Herbert Hänchen GmbH & Co. KG in Ostfildern-Ruit. Jörg Beyer ist Inhaber der Agentur Mediaword für Unternehmenskommunikation in Tübingen.

Hartmut Hänchen und Jörg Beyer | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/konstruktion/antriebsundsteuerungstechnik/articles/136900/

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