Ein Hydraulikzylinder wirkt einfach: ein Rohr, ein Kolben, eine Kolbenstange. Die eigentliche Herausforderung beginnt bei der Auslegung. Drei Größen müssen zusammenpassen: der Kolbendurchmesser, der Betriebsdruck und der Pumpenförderstrom. Liegt eine davon daneben, zieht der Zylinder die Last nicht oder bewegt sich zu langsam für den Einsatz. Wir erklären die Physik hinter dem Hydraulikzylinder, rechnen Kraft und Geschwindigkeit an einem konkreten Beispiel durch und zeigen, welche Angaben in die Anfrage gehören, damit die Berechnung gleich beim ersten Mal stimmt.

Einfachwirkende, doppeltwirkende und Teleskopzylinder

Ein Hydraulikzylinder wandelt den Druck der Hydraulikflüssigkeit in eine geradlinige Kraft um, schiebend oder ziehend. Wie der Druck aufgebracht wird und wie die Kolbenstange zurückkehrt, hängt von der Bauart ab.

Ein einfachwirkender Zylinder nimmt Druckflüssigkeit nur auf einer Seite des Kolbens auf. Dieser Druck erzeugt den Arbeitshub. Zurück fährt die Kolbenstange durch eine Feder oder das Eigengewicht der Last. Das ist die einfachste und günstigste Bauform überhaupt. Man findet sie an Hebeböcken, Kippbrücken und einfachen Hubrahmen. Kraft entsteht nur in eine Richtung.

Ein doppeltwirkender Zylinder hat auf jeder Kolbenseite einen Anschluss, die Pumpe kann also jede der beiden Kammern mit Druck beaufschlagen und die Kolbenstange sowohl beim Ausfahren als auch beim Einfahren aktiv bewegen. Genau deshalb ist er der Standard in der Landtechnik, im Straßenbau und bei Hebebühnen geworden: Der Bediener steuert beide Bewegungsrichtungen, nicht nur eine.

Ein Teleskopzylinder verschachtelt mehrere Stufen mit abnehmendem Durchmesser ineinander, jede Stufe dient der nächsten als Führungsrohr. Eingefahren ist er kaum länger als seine breiteste Stufe. Ausgefahren liefert er einen Hub, der ein Vielfaches seiner eingefahrenen Länge beträgt. Deshalb sitzt er in Kipperaufbauten, auf Anhängern und in Kommunalfahrzeugen, wo der Einbauraum begrenzt ist, die Last aber hoch angehoben werden muss.

Kraft: Druck mal Fläche

Die Kraft eines Zylinders folgt einer einzigen Beziehung: Kraft ist gleich Druck mal der Fläche, auf die dieser Druck wirkt.

F = p × A

Bei Druck in MPa und Fläche in mm² ergibt sich das Ergebnis direkt in Newton (1 MPa = 1 N/mm²). Der Betriebsdruck wird meist in bar angegeben, deshalb lohnt es sich, sich zu merken: 1 bar = 0,1 MPa.

Nehmen wir einen Zylinder mit 100 mm Kolbendurchmesser bei 160 bar (16 MPa) auf dem Ausfahrhub, wenn der Druck auf die gesamte Kolbenfläche wirkt:

  • Kolbenfläche: A = π/4 × 100² ≈ 7854 mm²
  • Kraft: F = 16 N/mm² × 7854 mm² ≈ 125 700 N ≈ 125,7 kN (etwa 12,8 t Gewichtskraft)

Dieser Wert muss die Last mit Reserve abdecken, für Reibung, Querkräfte und den Druckabfall in Schläuchen und Ventilen zwischen Pumpe und Zylinder.

Warum die Einfahrkraft kleiner ist als die Ausfahrkraft

Beim doppeltwirkenden Zylinder nutzt der Ausfahrhub die gesamte Kolbenfläche. Beim Einfahrhub ist das anders. Die Kolbenstange selbst nimmt auf dieser Seite einen Teil des Kolbenquerschnitts ein, der Druck wirkt also nur auf die verbleibende Ringfläche.

Bei gleichem Kolbendurchmesser von 100 mm und einer Kolbenstange von 56 mm:

  • Kolbenstangenfläche: π/4 × 56² ≈ 2463 mm²
  • Ringfläche: 7854 − 2463 ≈ 5391 mm²
  • Einfahrkraft bei 160 bar: 16 × 5391 ≈ 86 300 N ≈ 86,3 kN

Das sind etwa 69 % der Ausfahrkraft bei gleichem Druck. Der Grund liegt schlicht im Durchmesser der Kolbenstange, ein Konstruktionsfehler ist das nicht. Deshalb stehen Kolben- und Kolbenstangendurchmesser gemeinsam auf der Zeichnung: Ihr Verhältnis bestimmt die verfügbare Kraft auf jedem Hub. Eine dickere Kolbenstange, nötig gegen Knickung bei langen Hüben, kostet immer etwas Einfahrkraft.

Kolbenstangengeschwindigkeit und Pumpenförderstrom

Die Kraft zeigt, welche Last der Zylinder bewegen kann. Die Geschwindigkeit hängt davon ab, wie schnell die Pumpe den Raum füllt. Die Kolbenstangengeschwindigkeit ergibt sich aus dem Förderstrom geteilt durch die Fläche des zu füllenden Raums:

v = Q / A

Bei einem Pumpenförderstrom von 60 l/min (1000 cm³/s) und demselben Kolbendurchmesser von 100 mm (78,5 cm²) ergibt sich eine Ausfahrgeschwindigkeit von rund 1000 / 78,5 ≈ 12,7 cm/s, also etwa 0,13 m/s. Der Einfahrhub füllt die kleinere Ringfläche, deshalb treibt derselbe Förderstrom von 60 l/min die Kolbenstange schneller zurück. Für den Rückhub ist das praktisch, bei der Auslegung von Hydraulikpumpe oder Hydraulikmotor für den Kreislauf muss man es aber berücksichtigen: Die Anforderungen an Förderstrom und Druck unterscheiden sich in beiden Richtungen.

Was in die Anfrage gehört

Die Berechnung des Zylinders stimmt gleich beim ersten Mal, wenn die Anfrage folgende Angaben enthält: Kolben- und Kolbenstangendurchmesser (oder die geforderte Kraft in jeder Richtung), Betriebs- und Maximaldruck des Systems, sowie Hublänge und Einbaulänge im ein- und ausgefahrenen Zustand. Ein paar weitere Angaben sparen dann noch eine Rückfrage:

  • Pumpenförderstrom oder die geforderte Ausfahr- und Einfahrgeschwindigkeit;
  • Befestigungsart (Zapfen, Gelenkauge, Flansch) und Einbaulage des Zylinders im Betrieb;
  • Belastungsart und Einsatzbedingungen: Staub, Meeresumgebung, hohe Temperatur.

Senden Sie uns eine Zeichnung, eine Skizze oder einfach die Parameter oben. Wir wählen Kolben- und Kolbenstangendurchmesser sowie die Druckklasse passend zu Ihrer Last und Geschwindigkeit aus. Kontaktieren Sie uns, wir antworten innerhalb eines Werktags.