Grundlagen der Auswahl von Pneumatikzylindern

Pneumatikzylinder sind wichtige Komponenten in pneumatischen Systemen, die mechanische Bewegungen mithilfe von Druckluft erzeugen. Sie werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, wie zum Beispiel in der Fertigungsindustrie, im Anlagenbau oder im Sondermaschinenbau.

Was ist ein Pneumatikzylinder?

Ein Pneumatikzylinder, oder auch Druckluftzylinder, ist ein Aktuator, der komprimierte Luft nutzt, um eine Kraft in eine lineare Bewegung umzuwandeln. In pneumatischen Anlagen wird Druckluft vom Kompressor durch Rohrleitungen zu den Verbrauchselementen geführt. Dort werden Sie von Arbeitsgliedern, wie zum Beispiel Zylindern, in mechanische Bewegungen umgewandelt. Diese Zylinder führen in der Regel geradlinige Bewegungen aus, können jedoch durch Getriebebauteile auch Schwenkbewegungen ausführen. Sie bestehen üblicherweise aus einem zylindrischen Gehäuse, einem Kolben und einer Kolbenstange und werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, um Kräfte zu übertragen oder Objekte zu heben und zu verschieben. Die Auswahl des richtigen Pneumatikzylinders hängt von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Wichtige Faktoren sind zum Beispiel die Hublänge, die Kraft, der Betriebsdruck und die Temperatur.

Aufbau von Pneumatikzylindern

Pneumatikzylinder bestehen in der Regel aus folgenden Hauptkomponenten:

• Zylindrisches Gehäuse: Das zylindrische Gehäuse ähnelt in der Form einem Rohr bzw. einem „Fass“ und besteht meist aus Stahl. Es enthält weitere Komponenten wie Kolben, Kolbenstange und Dichtelemente.
• Anschlüsse: Anschlüsse befinden sich an den Enden des Pneumatikzylinders. Durch sie kann Druckluft eintreten oder austreten.
• Kolben: Der Kolben befindet sich im Inneren des Zylinders und wird durch Druckluft bewegt.
• Kolbenstange: Die Kolbenstange befindet sich im Zylinderrohr und ist mit dem Antriebskolben verbunden. Die lineare Bewegung des Kolbens wird über die Kolbenstange auf andere Maschinenteile übertragen.
• Dichtelemente: Dichtelemente sorgen dafür, dass der Druck im Zylinder gehalten bzw. ausgeglichen wird.

(1) Kolbenstange (2) Zylindrisches Gehäuse (3) Anschlüsse (4) Kolben (5) Dichtelemente

Unterscheidung von Pneumatikzylindern nach Wirkprinzip

Das Funktionsprinzip von pneumatischen Zylindern basiert auf dem Prinzip von Druck und Volumenänderung. Durch die in den Zylinder geleitete Druckluft wird der Kolben bewegt. Je nach Wirkprinzip und Aufbringung der Kraft unterscheidet man zwischen einfachwirkenden Pneumatikzylindern und doppeltwirkenden Pneumatikzylindern.

Ein einfachwirkender Pneumatikzylinder verfügt über einen einzigen Anschluss. Durch diesen Anschluss tritt Druckluft ein, wodurch die Kolbenstange ausgefahren wird. Aufgrund des Wirkprinzips einfachwirkender Pneumatikzylinder kann die Kraft nur in eine Richtung aufgebracht werden. Tritt die Druckluft über denselben Anschluss wieder aus, wird die Stange in ihre ursprüngliche Position zurückgefahren. Das Einfahren der Stange kann mithilfe einer Rückstellfeder oder einer äußeren Kraft gesteuert werden.

Ein doppeltwirkender Pneumatikzylinder arbeitet in beide Richtungen. Er besitzt zwei Druckluftanschlüsse, durch die er abwechselnd von beiden Seiten beaufschlagt wird. Auf diese Weise wird die Kolbenstange vorwärts und rückwärts bewegt. Je nachdem, von welcher Seite Druckluft zugeführt wird, steuert er die Bewegungsrichtung und entfaltet in beiden Richtungen seine volle Kraft.

Unterschiedliche Ausführungen von Pneumatikzylindern

Es gibt unterschiedliche Ausführungen von pneumatischen Zylindern. Die im Folgenden aufgeführten Ausführungen zählen zu den gängigsten bzw. bekanntesten Varianten, die als Beispiel dienen sollen. Zusätzlich zu diesen gibt es noch andere Varianten für verschiedene Spezialanwendungen.

Pneumatikzylinder mit Endlagendämpfung

Druckluftzylinder mit Endlagendämpfung sind mit elastischen Puffern oder einstellbaren Drosseln ausgestattet, um die Bewegung der Kolbenstange leicht abzubremsen, bevor diese ihre Endposition erreicht. Diese Dämpfung schützt vor Stoßbelastungen und erhöht die Lebensdauer des Systems, indem sie verhindert, dass der Kolben mit zu hoher Geschwindigkeit am Zylinderboden aufprallt.

Kolbenstangenloser Zylinder

Kolbenstangenlose Druckluftzylinder sind eine spezielle Form von pneumatischen Zylindern, die sich von herkömmlichen Zylindern durch das Fehlen einer herausragenden Kolbenstange unterscheiden. Der Kolben bewegt sich innerhalb des Zylinders und überträgt seine Kraft entweder durch eine externe Führung, ein Band oder durch die seitliche Anbindung eines Läufers. Diese Bauart ermöglicht längere Hubwege in kompakterer Form, wodurch sie sich besonders für präzise Anwendungen und räumliche Beschränkungen eignen.

Gleichlaufender Pneumatikzylinder

In einem gleichlaufenden Druckluftzylinder sind die Zylinder so ausgelegt, dass sie synchron zueinander arbeiten. Dies ermöglicht, dass sich alle Zylinder zur gleichen Zeit und mit identischer Geschwindigkeit verlagern. Dadurch können Bearbeitungsprozesse optimiert werden, da der Gleichlauf Bewegungen ermöglicht, die über die Intensität eines einzelnen Zylinders hinausgehen. Gleichlaufende Pneumatikzylinder werden häufig in Anwendungen eingesetzt, in denen präzise und gleichmäßige Bewegungen erforderlich sind, wie zum Beispiel in der Montagetechnik oder in der Verpackungstechnik.

Mehrstellungszylinder

Diese Art von Zylindern besteht ebenfalls aus mehreren Druckluftzylindern, die doppelt wirken und unmittelbar miteinander verbunden sind. Je nach Beaufschlagung der Druckluft fahren die einzelnen Zylinderkolben in unterschiedliche Richtung aus. Werden beispielsweise zwei Zylinder unterschiedlicher Hublänge verbunden, ergeben sich durch Ansteuerung und Hubaufteilung vier Stellungen, die der Zylinder einnehmen kann. Mehrstellungszylinder werden in der Regel dort eingesetzt, wo mehrere Positionen angefahren werden müssen, wie beispielsweise in der Verpackungstechnik oder der Montagetechnik.

Membranzylinder

Membranzylinder gehören ebenfalls zu der Gattung Pneumatikzylinder und haben im Gegensatz zum Druckluftzylinder eine flexible Membran oder einen Balg anstelle eines Kolbens. Die Membran dehnt sich in Reaktion auf den zugeführten Luftdruck aus, wodurch Bewegung und Kraft erzeugt werden. Ein Vorteil von Membranzylindern ist die Fähigkeit, in Umgebungen zu arbeiten, in denen Leckagen oder Kontaminationsrisiken vermieden werden sollen, da sie keine Kolbenstange oder Dichtungen benötigen, die aus dem Zylinder herausschauen. Sie sind somit ideal für saubere oder sterile Anwendungsbereiche.

Auswahl von Pneumatikzylindern

Bei der Auswahl eines pneumatischen Zylinders spielt die Kraft, die für die Bewegung der Last mit einer bestimmten Geschwindigkeit erforderlich ist, eine vordergründige Rolle. Die Kraft des Zylinders sollte etwas höher sein als die Kraft, die zum Bewegen der Last benötigt wird. Wie viel Kraft erzeugt wird, hängt dabei von unterschiedlichen Faktoren ab, unter anderem dem Betriebsdruck und dem effektiven Durchmesser des Kolbens. Die grundlegende Formel zum Berechnen der Kraft F des Pneumatikzylinders lautet:

Dabei ist p der auf den Kolben ausgeübte Druck und a die effektive Fläche, die mit der Luft in Kontakt kommt. Zur Berechnung der effektiven Fläche a wird der Durchmesser des Kolbens d herangezogen:

Mithilfe des Betriebsdrucks p und der ermittelten Fläche a lässt sich nun die potentielle Höchstkraft bestimmen und somit die Maximalleistung des Zylinders. Allerdings kann die in der Realität erzeugte Kraft durch Aspekte wie Reibung oder Druckabfall in Leitungen und Ventilen etwas niedriger ausfallen. Des Weiteren ist zu erwähnen, dass es sich bei den oben genannten Formeln und die Berechnung der Kraft von einfach wirkenden Pneumatikzylindern handelt. Bei doppeltwirkenden Pneumatikzylindern muss bei der Berechnung neben dem Vorhub auch noch der Rückhub berücksichtigt werden.

Vorteile und Nachteile von Pneumatikzylindern

Pneumatikzylinder zeichnen sich durch eine Vielzahl von Vorteilen aus. Ein wichtiger Faktor ist ihre robuste Konstruktion. Sie können unterschiedlichen Umwelteinflüssen sowie mechanischen Belastungen standhalten. Aufgrund ihrer einfachen Konstruktion sind Druckluftzylinder zum einen kostengünstiger, da sie keine komplexe Elektronik oder Steuerung benötigen, zum anderen ist ihre Wartung und Instandhaltung auch einfacher als beispielsweise im Vergleich zu elektronischen oder hydraulischen Systemen. Darüber hinaus ist zu erwähnen, dass Pneumatikzylinder sehr sauber arbeiten, da sie ausschließlich mit Druckluft arbeiten. Selbst wenn Luft über ein Leck entweichen sollte, kommt es nicht zu Verschmutzungen oder Kontamination. Außerdem ist die Montage sehr einfach, da die Abluft direkt in die Umgebung entweichen kann und somit keine aufwendigen Rückleitungen erforderlich sind.

Zu den Nachteilen zählt, dass Pneumatikzylinder saubere und trockene Luft benötigen, um optimal zu funktionieren. Verunreinigungen oder Feuchtigkeit in der Luft können zu vorzeitigem Verschleiß oder zur Bildung von Kondenswasser im System führen, was wiederum die Effizienz und Lebensdauer der Zylinder beeinträchtigen würde. Ein weiter Aspekt, der zu berücksichtigen ist, ist der sogenannte Stick-Slip-Effekt, auch Haft-Gleit-Effekt genannt. Dieser Effekt bezeichnet das Ruckgleiten gegeneinander bewegter Festkörper und tritt dann auf, wenn die Haftreibung deutlich größer ist als die Gleitreibung. Da in Pneumatikzylindern die Kräfte der Haftreibung ungefähr doppelt so groß sind wie die der Gleitreibung, kann der Stick-Slip-Effekt unter Umständen sehr schnell eintreten.

Anwendungsbereiche von Pneumatikzylindern

Pneumatikzylinder werden in einer Vielzahl von Branchen und Anwendungen eingesetzt. Im Maschinenbau und Anlagenbau kommen sie häufig zum Einsatz, um wiederholende Bewegungen auszuführen, wie zum Beispiel in automatisierten Fertigungslinien. Dort werden Druckluftzylinder verwendet, um Aufgaben wie Klemmen, Drehen oder Heben zu verrichten. Aber auch in Förderanlagen kommen Pneumatikzylinder zum Einsatz, um beispielsweise Schieber zu öffnen oder zu schließen oder um Materialien von einem Band auf ein anderes zu schieben.

Hier klicken, um mehr über diese Anwendung zu erfahren.

MISUMI bietet eine Vielzahl an hochwertigen Pneumatikzylindern in unterschiedlichen Ausführungen an. Wählen Sie je nach Anwendungsbereich den für Sie passenden Pneumatikzylinder aus. Darüber hinaus finden Sie im Online-Shop von MISUMI auch zahlreiches pneumatisches Zubehör, wie zum Beispiel Ventile, Verbindungsteile, Sensoren oder Kompressoren.