Differentialzylinder: Heben und einziehen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten
Der Differentialzylinder (oder Differenzialzylinder) ist ein hydraulischer Linearmotor. Im Unterschied beispielsweise zu Gleichlaufzylindern hat der Differentialzylinder nur eine Kolbenfläche als Angriffspunkt für den hydraulischen Druck verfügbar. Die der zum Einfahren notwendige zweite Angriffspunkt ist die Rückseite des Kolbens. Dieser ist aber durch den Querschnitt der ausfahrenden Kolbenstange vermindert. Linearmotoren mit ausfahrbaren Kolbenstangen sind deshalb meistens als Differenzialzylinder ausgelegt.Eigenschaften des Differentialzylinders
Dadurch, dass die Rückseite des Kolbens durch die Kolbenstange nur eine verminderte Wirkfläche hat, ändern sich bei gleichbleibenden Druck die Kraft und die Geschwindigkeit je nach Fahrtrichtung. Beim ausfahrendem Zylinder ist die Leistung des Linearmotors maximal, beim einfahrenden Zylinder ist sie schwächer und langsamer. Dies muss bei der Auslegung der hydraulischen Anlage berücksichtigt werden.
Möglichkeiten zur Kompensation des Differenzialverlustes
Es liegt in der Regel im Interesse des Konstrukteurs, dass die Lineargeschwindigkeiten des Hydromotors gleich bleiben. Je schneller der Zylinder einfährt, desto früher kann er auch wieder ausfahren. Die Leistung und die Taktzeit hängt damit nicht nur von der Ausfahrgeschwindigkeit ab, sondern auch wesentlich von der Einfahrtsgeschwindigkeit.
Folgende Möglichkeiten hat der Konstrukteur, um die Einfahrtsgeschwindigkeit des Zylinders trotz verminderter Wirkfläche am Kolben mit der Ausfahrtsgeschwindigkeit zu synchronisieren:
- Steigerung der Pumpleistung
- Steigerung des Volumenstroms durch Ventilsteuerung
- äußere Auflast auf die Kolbenstange
- Drosselung der Ausfahrgeschwindigkeit
Die Steigerung der Pumpleistung würde elektromechanisch durch ein Passieren des Endlagenschalters ausgelöst. Problematisch an dieser Lösung ist, dass damit der Volumenstrom und der Innendruck im gesamten hydraulischen System verändert wird. Sämtliche Aktoren würden bei einfahrendem Zylinder die Geschwindigkeit ändern. Diese Lösung ist deshalb vorwiegend für kleine Systeme geeignet, die keine weiteren Aktoren außer dem Differenzialzylinder betreiben.
Statt den Volumenstrom im gesamten System zu verändern, genügt es nur punktuell für einen größeren Zufluss von Hydraulikflüssigkeit zu sorgen. Dazu eignen sich Leitungen mit größerem Querschnitt und Drosselventile.
Wird die Kolbenstange beim Einfahren belastet, kann der zusätzliche Druck die Einfahrtgeschwindigkeit des Differenzialzylinders erhöhen. Diese Lösung nutzen beispielsweise Bagger.
Wenn es nur um die Synchronisierung und nicht um die Leistungssteigerung gehen soll, kann ein Drosselventil an der Ausfahrseite eine Lösung sein. Dabei wird das System jedoch auf die Geschwindigkeit des einfahrenden Zylinders reduziert. Diese Lösung ist damit immer mit einem Leistungsverlust verbunden.
Wartung von Differenzialzylindern
Differenzialzylinder unterscheiden sich konstruktiv kaum von anderen Hydraulikzylindern. Sie bestehen aus Kolbenstange, Zulaufventilen, Dichtungen und der Zylinderbuchse. Der Primärverschleiß findet vor allem an den Dichtungen statt. Diese lassen sich einfach austauschen. Sofern Kolben und Kolbenstange unbeschädigt sind, hat der Differenzialzylinder nach der Instandsetzung wieder die volle Leistung.