Om een zwenkbeweging tot stand te brengen in een willekeurige applicatie zijn uiteenlopende oplossingen beschikbaar. Wanneer een beperkte inbouwruimte, een hoge krachtdichtheid én een hoge nauwkeurigheid spelen, wordt de spoeling echter dunner. Holland Hydraulics werkt voor deze vraagstukken samen met HKS, ontwikkelaars van een speciale hydraulische zwenkaandrijving. De werking berust op het aanbrengen van een meervoudig tegengesteld werkende schroefdraad op een cilinderstang die de lineaire beweging van een hydraulische zuiger omzet in een nauwkeurige draaibeweging. Niet nieuw, wel relatief onbekend.
Voor het realiseren van een zwenkbeweging met behulp van hydraulische aandrijftechniek, zijn drie werkingsprincipes beschikbaar: het tandheugel/rondsel principe, het draaivleugelprincipe en de meervoudige, tegengesteld werkende schroefdraad. De laatste wordt ook wel een helix schroefdraad genoemd.
Tandheugel/rondsel principe
Twee tegenover elkaar liggende lineaire cilinders die middels een tandheugel met elkaar zijn verbonden; daarop is het tandheugel/rondsel principe gebaseerd. Tegen de tandheugel wordt een rondsel gemonteerd. Wanneer de tandheugel door de cilinders in beweging wordt gebracht, zal het rondsel gaan draaien en daarbij dus een specifieke zwenkbeweging realiseren. Afhankelijk van de gewenste zwenkhoek is de aandrijving radiaal groter of kleiner. De dwarskrachten die door de vertanding ontstaan en op de tegenover elkaar liggende cilinders werken, worden – afhankelijk van de uitvoering – hydraulisch gebalanceerd of door rollagers ondersteund. Oplossingen gebaseerd op het tandheugelrondsel principe worden over het algemeen gebruikt voor het overbrengen van grotere draaimomenten en zijn in afmeting behoorlijk fors. Toepassingen zijn onder meer te vinden in cementfabrieken, de bandenindustrie, energiecentrales, de staalindustrie en bij het verstellen van scheepsroeren.
Draaivleugelprincipe
Het principe op basis van draaivleugels wordt ook wel de vingebaseerde zwenkaandrijving genoemd. Het gaat hierbij om een vaste opstelling waarbij tussen een holle cilinder en een as een ringvormige ruimte tot stand wordt gebracht. Deze ruimte wordt in tweeën verdeeld door een scheidingswand (de vin of draaivleugel) die aan de behuizing is bevestigd en een zuiger die vast met de as is verbonden. Bij het uitoefenen van voldoende druk op een van de werkruimtes ontstaat er een koppel waardoor de roterende cilinder een zwenkbeweging uitvoert. Een belangrijk voordeel van dit principe is de beperkte inbouwruimte en de directe krachtoverbrenging. Nadeliger is de beperkte draaihoek tot 300 graden, maar nog belangrijker: de standaard aanwezige lekkage. Hoewel de laatste minimaal is, betekent dit toch een belangrijk element dat de nauwkeurigheid reduceert, waardoor deze zwenkaandrijving voor lang niet alle toepassingen geschikt is.
Hoe werkt een helix-schroefdraad zwenkaandrijving?
Dan tot slot het principe met de helix schroefdraad waar het in dit artikel verder over gaat. De basis van dit ontwerp is een meertraps, tegengesteld draaiende helix schroefdraad. Hierbij wordt de lineaire beweging van de zuiger via de helix-schroefdraad omgezet in een cumulatieve draaibeweging. Hoe langer de lineaire slag van de zuiger, hoe groter de draaibeweging. Productspecialist bij Holland Hydraulics Bennie Jolink legt uit: “Het principe van deze variant is eenvoudig, maar om de theoretische functionaliteit en betrouwbaarheid van deze rotatieaandrijving ook echt in de praktijk te realiseren, moet het maximale uit de beschikbare mogelijkheden van de productietechnologie worden gehaald. En dat is precies waar HKS – de Duitse ontwikkelaar en producent van deze aandrijvingen – toe in staat is. Op geavanceerde CNC-machines wordt bijvoorbeeld de mechanische hoekspeling geminimaliseerd tot kleiner dan 10 hoekminuten. Ook de oppervlakken van de verschillende onderdelen hebben een extreem lage oppervlakteruwheid waardoor er geen speling en lekkage optreden.”
Opbouw en eigenschappen
De zwenkaandrijving met helix schroefdraad is opgebouwd uit verschillende elementen:
- Afdichtingsring
- As met lager
- Stuuras
- Behuizing
- Demping
- Ontluchtingsschroef
- Zuiger
- Stelschroef
- Tandring
- Bodem
- Lasthoudklep (optioneel)
De werking is in bijgaande figuur te zien. Wanneer druk op P1 wordt uitgeoefend, draait de aandrijfas vanuit de uitgangspositie naar links (tegen de klok in). Wanneer druk op P2 in de eindpositie wordt uitgeoefend, draait de aandrijfas terug naar de uitgangspositie (met de klok mee). Afhankelijk van de aanslag is hiermee een zwenkbereik van 90 – 360 graden te realiseren; optioneel is het zwenkbereik groter dan 360 graden.
Voordelen van de HKS-techniek in de praktijk
Kai Frischkorn van HKS vertelt dat het ‘bijzondere’ aan deze hele configuratie in feite de vertanding is. “Deze is in de jaren ’70 ontwikkeld en door ons in de loop der jaren doorontwikkeld en geoptimaliseerd. De dubbele spoed zorgt daarbij voor een hoge nauwkeurigheid en voorkomt speling op de vertanding. De hoge nauwkeurigheid is tevens bereikt door te investeren in vooral de ruim- en freesprocessen waarmee de onderdelen worden vervaardigd en nabewerkt.”
Zijn collega Danu Popov vult aan: “Juist omdat we het productieproces maximaal in de vingers hebben, kunnen we ook relatief eenvoudig aanpassingen maken voor afwijkende vragen en eisen van klanten. Sterker nog: dat is eigenlijk iets dat we bijna dagelijks doen. Aanpassingen kunnen klein zijn of bestaan uit standaard opties zoals een zeewaterbestendige coating, een behuizing van aluminium, een lasthoudklep, afwijkende montage-optie, zwenkhoekverstelling over het complete zwenkbereik of een aansluiting voor een servo-interface.”
Tot de mogelijkheden behoren ook een ATEX-uitvoering, diverse assen en varianten voor bio-olie. Popov: “Tot slot is demping op de eindpositie nauwkeurig af te stemmen op de specifieke applicatie en is de zwenkaandrijving te voorzien van diverse bevestigingen, positiesensoren en besturingsinterfaces.”
Materialen, precisie en productietechniek
De oppervlakken van de vertandingen zijn gehard waardoor ze praktisch slijtagevrij zijn en een efficiënte werking ondersteunen. Daarbij is het principe bestand tegen hoge hydraulische drukken waarmee een hoog koppel is te genereren. Tevens is veel aandacht besteed aan de dempingselementen in de eindposities waardoor er geen hoge krachten of trillingen ontstaan bij het bereiken van deze posities. Productspecialist Bennie Jolink van Holland Hydraulics: “Door deze opbouw en dit werkingsprincipe heeft deze zwenkaandrijving enkele kenmerkende voordelen. Ten eerste is de aandrijving zelf bijzonder compact met uiteraard het behoud van de hoge krachtdichtheid behorende bij hydrauliek. Daarnaast zorgt het lekvrije principe en de hoge nauwkeurigheid van de elementen ervoor dat bewegingen zeer nauwkeurig zijn uit te voeren en dat het houdkoppel niet verloopt gedurende de tijd. Dit maakt de zwenkaandrijving ook geschikt voor toepassingen waar een betrouwbaar houdkoppel van belang is; bijvoorbeeld in hijsapplicaties.”
HKS Dreh-Antriebe GmbH
Het Duitse HKS produceert al meer dan vijftig jaar zowel pneumatische als hydraulische zwenkaandrijvingen. 95 Procent van de omzet wordt behaald met de zwenkaandrijvingen gebaseerd op de helix schroefdraad. Anno 2025 beschikt het bedrijf over drie locaties: twee productielocaties in de buurt van Frankfurt en een officiële vertegenwoordiging op het drielandenpunt van Polen, Tsjechië en Duitsland. In Nederland wordt het bedrijf vertegenwoordigd door Holland Hydraulics. Binnen het bedrijf werken ongeveer 300 mensen van wie twaalf op het vlak van onderzoek en ontwikkeling. Binnen de afdeling prototypen worden de specials voor klanten gerealiseerd.
Nauwkeurige zwenkbeweging gevraagd
In principe is de zwenkaandrijving overal in te zetten waar een zwenkbeweging nodig is die met een hoge nauwkeurigheid en betrouwbaarheid moet worden uitgevoerd. Hiervoor bestaat de keuze uit twintig uitvoeringen die een koppel leveren tot maximaal 250.000 Nm en beschikken over een zuiger met een diameter van 40 – 450 mm. Daarbij maakt HKS een onderscheid tussen industriële toepassingen en mobiele toepassingen. Bij de industriële toepassingen ligt er een focus op frequente lastwisselingen en snelle zwenkbewegingen. Mobiele toepassingen kenmerken zich juist door weinig lastwisselingen en langzame zwenkbewegingen. Juist bij mobiele toepassingen is er een grotere behoefte aan een hoge belastbaarheid en hogere houdmomenten.
Toepassingen in industrie en mobiliteit
Klassieke toepassingen zijn te vinden in het bedienen van kogelkranen of vlinderkleppen in bijvoorbeeld de proces- en (petro)chemische industrie. Door opties als een zeewaterbestendige coating worden de aandrijvingen ook in zee gebruikt tot dieptes van 3.000 meter. Maar de grootste en meeste klanten bevinden zich in de sector van afvalverwerking waar de zwenkaandrijving onder andere wordt ingezet om vuilnisbakken efficiënt en ergonomisch in de vuilniswagen te legen.
Frischkorn: “Een meer bijzondere toepassing is de zwenkaandrijving die geplaatst is op een reinigingsmachine voor schepen. De vorm van een schip verandert voortdurend door de kromming van de scheepshuid waardoor de reinigingskop steeds een andere stand moet innemen om de scheepshuid optimaal te reinigen. Dit gebeurt door de reinigingskop via onze zwenkaandrijving steeds zodanig te draaien dat hij op ieder moment met de juiste druk tegen het schip wordt gedrukt.”
Popov vult aan: “Een toepassing met een zeer grote zwenkaandrijving is te vinden bij de Ruhr University Bochum waar hij al jarenlang wordt ingezet in een testopstelling voor turbines. Hier brengt de aandrijving voortdurend een nauwkeurig koppel aan op de turbine die hiermee wordt getest op belastbaarheid. De foto is gemaakt toen de zwenkaandrijving na 15 jaar in onderhoud ging.”
Bennie Jolink besluit: “Het is bijzonder hoe het Duitse bedrijf steeds weer opnieuw in staat is de aandrijvingen uit een standaard range zodanig aan te passen dat hij exact de beoogde taak uitvoert. Het is wat dat betreft zéér prettig samenwerken en biedt ons de mogelijkheid om ook op bijzondere vraagstukken een solide antwoord te formuleren.”
Meer over Holland Hydraulics.
