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Pneumatik - Auswahl eines Kompakt-Druckluftzylinders in 6 Schritten
Pneumatikzylinder sind vielseitige Antriebselemente, die durch den Einsatz von Druckluft präzise lineare Bewegungen erzeugen. Je nach Anwendungsbereich sind unterschiedliche technische Eigenschaften gefragt. So ermöglichen beispielsweise Unterdruckventile mit Volumenstrombegrenzern eine exakte Steuerung des Luftstroms, während integrierte Verdrehsicherungen die Betriebssicherheit erhöhen. Doch wie wähle ich den richtigen Druckluftzylinder für meine Anwendung aus? Dieser Beitrag gibt Ihnen einen umfassenden Überblick, was bei der Auswahl von Pneumatikzylindern bzw. Druckluftzylindern zu beachten ist, damit Sie künftig fundierte Entscheidungen treffen und den für Ihre Anforderungen optimal geeigneten Zylinder auswählen können.
Kompakt-Druckluftzylinder
Beim Pneumatikzylinder bzw. Druckluftzylinder wird in einen Druckluftzylinder eingeleitete Druckluft (Fluid) zum Erzeugen einer Bewegung verwendet. Durch das Einleiten der Druckluft in die jeweiligen Kammern wird der Kolben linear bewegt. Der typische Aufbau von Pneumatikzylindern umfasst ein zylindrisches Gehäuse, einen beweglichen Kolben, Anschlüsse sowie eine Kolbenstange mit entsprechenden Dichtungen. Für einen Einstieg zum Thema Auswahl eines Pneumatikzylinders und Pneumatikzylinder im Allgemeinen empfiehlt sich auch unser Beitrag Grundlagen der Auswahl von Pneumatikzylindern.
Kompakt-Druckluftzylinder sind besonders platzsparend konstruiert und haben in der Regel eine kurze Einbaulänge bei gleichzeitig kleinem Hub. Bei MISUMI sind Kompakt-Druckluftzylinder sowie die Standardausführung in unterschiedlichen Hublängen und Durchmessern verfügbar. Je nach Ausführung eignen sie sich für unterschiedliche Anwendungen.
Doch bevor es an die eigentliche Auswahl des Kompaktzylinders geht, sollte geprüft werden, wie der Pneumatikzylinder mechanisch eingebunden werden soll. Dies bezieht sich nicht nur auf die Adapter und Halterungen auf der Anwendungsseite, sondern auch auf die Möglichkeiten der Befestigung des Kompaktzylinders selbst.
Die auf der Anwendungsseite eingesetzten Kolbenstangenaufsätze haben oft eine ausgleichende Funktion, können aber auch Puffer, Verlängerung oder Umlenkungselemente sein.
Ein paar Beispiele möglicher Kolbenstangenaufsätze für Pneumatikzylinder von MISUMI sehen Sie hier:
Für den Einbau auf Maschinenseite bietet MISUMI diverse Möglichkeiten wie Halterungen für starre oder bewegliche Montage an. Je nach Anwendung und Zylinderform kann die Montage und die dazu benötigten Montagehalterungen unterschiedlich sein. Die folgenden 2 Anwendungsbeispiele bilden daher nur einen Bruchteil der umfangreichen Möglichkeiten zur Montage ab.
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Montagebeispiel: feste Montage
Montagebeispiel: bewegliche Montage
Auswahl von Druckluftzylindern
Die Auswahl des richtigen Kompakt-Druckluftzylinders ist entscheidend für die Effizienz und Zuverlässigkeit der Anwendung. Für eine umfassende Berechnung werden verschiedene Werte, wie Last, Hub des Zylinders und erforderliche Zylinderkraft benötigt. In den folgenden sechs Schritten zeigen wir Ihnen, wie Sie systematisch den passenden Zylinder auswählen und die wichtigsten Parameter berechnen.
Schritt 1: Lastanforderungen bestimmen
Um die Anforderungen an den Pneumatikzylinder zu bestimmen müssen die grundlegenden Rahmenbedingungen betrachtet werden.
1. Welche Last muss bewegt werden?
2. Welcher Betriebsdruck steht zur Verfügung?
3. Erforderlicher Hub?
4. Betriebszeit (Zeitbedarf für den kompletten Hub)
Die Lastberechnung erfolgt anhand des auf den Zylinder wirkenden Gewichts und der Bewegungsrichtung.
In vertikaler Richtung
Berechnungsformel: Last bei vertikaler Richtung:
F = m \times g
• F = Last in N
• m = Masse des Objekts in kg
• g = 9,8m/s2
In lateraler Richtung
Berechnungsformel: Last bei lateraler Richtung:
F = m \times g \times µ
• F = Last in N
• m = Masse des Objekts in kg
• µ = Reibungskoeffizient (Standard µ = 0.3) *
• g = 9,8m/s2
Schritt 2: Theoretisch benötigte Zylinderkraft ermitteln
Als Kolbenkraft wird diejenige Kraft bezeichnet, die mittels Druckluft erzeugt wird und auf die Kolbenfläche bzw. den Zylinderkolben wirkt. Sie ist verantwortlich für die Einfahr- und Ausfahrbewegung des Kolbens. Die Kolbenkraft ist abhängig vom Arbeitsdruck der Anlage und der Kolbenfläche.
Wird der Pneumatikzylinder in eine bestehende Anlage eingebunden, ist der maximal verfügbare Betriebsdruck meist bereits gegeben. Für die praktische Auslegung sollte jedoch nicht der maximal verfügbare Betriebsdruck, sondern ein niedrigerer Wert angenommen werden. Dies gewährleistet eine zuverlässige Funktion und eröffnet zudem die Möglichkeit den tatsächlich für die Funktion benötigten Betriebsdruck nachträglich gegebenenfalls etwas anzupassen.
Wie wird die Zylinderkraft berechnet?
Grundsätzlich lässt sich die Kraft des Pneumatikzylinders über folgende Formel berechnen:
F = p_{e} \times A \times \eta
• pe = Arbeitsdruck der Anlage in N/m2
• A = Kolbenfläche in mm2
• η = Wirkungsgrad / Lastkorrekturkoeffizient
Der Lastkorrekturkoeffizient η berücksichtigt zusätzliche Faktoren wie Reibung und Sicherheitszuschläge. Er wird auf die berechnete Kraft angewendet, um die tatsächliche erforderliche Zylinderkraft zu berechnen:
| Verwendungszweck | Skizze | Lastfaktor η | |
|---|---|---|---|
| Statisches Werkstück (Klemmen, Dichten von Schraubstöcken mit niedriger Geschwindigkeit usw.) |  |
max. 0.7 | |
| Bewegliches Werkstück | Laterale Richtung der Last auf der Führung |  |
max. 1.0 |
| Vertikaler bis horizontaler Betrieb der Last |  |
max. 0.5 | |
Aus der Berechnungsformel zur Zylinderkraft lässt sich unter Einbeziehung des Lastfaktors η und des gewählten Betriebsdrucks die theoretisch benötigte minimale Kolbenfläche eines einfachwirkenden Zylinders und so auch der theoretisch notwendige Mindestdurchmesser des Pneumatikzylinders ermitteln.
Notwendigen Durchmesser ermitteln
A_{min} = \frac{F}{ p_{e} \times \eta}
d_{min}=\sqrt{\frac{A_1 \times 4}{\pi}}
• pe = Arbeitsdruck der Anlage in N/mm2
• Amin = minimale Kolbenfläche in mm2
• η = Wirkungsgrad / Lastkorrekturkoeffizient
• dmin* = minimaler Kolbendurchmesser in mm
* für einfachwirkende Zylinder
Berechnungsbeispiel: theoretischer Mindestdurchmesser
Im Berechnungsbeispiel gehen wir von folgenden Bedingungen aus:
• Pneumatikzylinder einachwirkend
• Betriebsdruck 5bar = 0,5MPa = 0,5N/mm²
• Lastfaktor η = 0,7 (Statisches Werkstück - Klemmen, Dichten mit niedriger Geschwindigkeit)
• F = 600N
Mindestkolbenfläche ermitteln
A_{min} = \frac{F}{ p_{e} \times \eta}
A_{min} = \frac{600N}{ 0,5N/mm^2 \times 0,7}
A_{min} = 1714,29mm^2
Mindestdurchmesser ermitteln
d_{min}=\sqrt{\frac{A_{min}\times 4}{\pi}}
d_{min}=\sqrt{\frac{1714,29mm^2 \times 4}{\pi}}
d_{min} = 46,72mm
Berechnung bei doppeltwirkenden Pneumatikzylindern
Durch den Aufbau eines Pneumatikzylinders mit Kolbenstange ist die Kolbenfläche beider Seiten des Kolbens aber nicht identisch. Daher ist bei der Berechnung der Kolbenkraft weiterhin zu unterscheiden zwischen einfachwirkendem Druckluftzylinder und doppeltwirkendem Druckluftzylinder.
Bei einfachwirkendem Zylinder wird nur die Ausfahrbewegung durch Druckluft initiiert. Die Rückholbewegung wird von einer Rückholfeder übernommen. Um die wirksame Kolbenkraft zu berechnen, muss daher die Federkraft FF von der Kolbenkraft F abgezogen werden.
Bei doppeltwirkendem Druckluftzylindern werden sowohl die Ein- als auch die Ausfahrbewegung von Druckluft initiiert. Auf einer Seite befindet sich die Kolbenstange. Das resultiert darin, dass die Kolbenflächen beim Ein- und Ausfahren unterschiedlich sind, was wiederum unterschiedliche Kolbenkräfte im Pneumatikzylinder nach sich zieht. Hier wird mit den Kolbenflächen A1 (Vorhub) und A2 (Rückhub) gerechnet.
Beim Vorhub wirkt der Druck auf die gesamte Kolbenfläche. Die Kolbenflächen lassen sich über folgende Formeln berechnen:
A_1 = \frac{d_{1}^{2} \times \pi }{4}
A_2 = \frac{(d_{1}^{2}-d_{2}^{2})\times \pi }{4}
• d1 = Kolbendurchmesser
• d2 = Stangendurchmesser
Schritt 3: Tatsächlichen Kolbendurchmesser bestimmen
Anhand der weiter oben ermittelten Mindestkolbenfläche kann nun mit Hilfe der Tabelle der Kompaktzylinder gewählt werden, welcher mindestens die geforderte Kolbenfläche aufweist. Die Innendurchmesser der Kompaktzylinder bei MISUMI werden in acht Ausführungen angeboten.
In unserem Berechnungsbeispiel wird eine Fläche von 1714,29mm² bei einem Druck von 0,5 MPa benötigt. Bei einem einfachwirkenden Zylinder würde somit ein Innendurchmesser von 50 mm ausreichen.
Sollte ein doppelt wirkender Zylinder eingesetzt werden, welcher die identische Kraft auch bei Einfahren aufbringt wäre die druckbeaufschlagte Querschnittsfläche A2 mit 1649 mm² mit einem Lastfaktor von η 0,7 rechnerisch nicht mehr ausreichend.
Die theoretische Zylinderkraft des Kompaktzylinders mit Durchmesser 50mm weist bei 0,5 MPa eine Kraft von 982N beim Ausfahren und 825 N beim Einfahren aus. Dies entspricht einem für diese Auswahl errechneten Lastfaktor η von 0,61 (600N / 982N). Beim Einfahren eines doppelt wirkenden Pneumatikzylinders mit Innendurchmesser 50mm und 0,5MPa Betriebsdruck ergibt sich der Lastfaktor η = 0,73 (600N/825N).
| Innendurchmesser des Rohrs (mm) | Durchmesser Kolbenstange (mm) | Betriebsrichtung | |
|---|---|---|---|
| Kolbenstange einfahren | Kolbenstange ausfahren | ||
| Ø12 | 6 | 85 | 113 |
| Ø16 | 8 | 151 | 201 |
| Ø20 | 10 | 236 | 314 |
| Ø25 | 12 | 378 | 491 |
| Ø32 | 16 | 603 | 804 |
| Ø40 | 16 | 1056 | 1257 |
| Ø50 | 20 | 1649 | 1963 |
| Ø63 | 20 | 2803 | 3117 |
| Innendurchmesser des Rohrs (mm) | Betriebsrichtung (Kolbenstange …) | Betriebsdruck (MPa) | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.8 | 0.9 | 1.0 | ||
| Ø12 | Ausfahren | 11 | 23 | 34 | 45 | 57 | 68 | 79 | 90 | 102 | 113 |
| Einfahren | 8 | 17 | 25 | 34 | 42 | 51 | 59 | 68 | 76 | 85 | |
| Ø16 | Ausfahren | 20 | 40 | 60 | 80 | 101 | 121 | 141 | 161 | 181 | 201 |
| Einfahren | 15 | 30 | 45 | 60 | 75 | 90 | 106 | 121 | 136 | 151 | |
| Ø20 | Ausfahren | 31 | 63 | 94 | 126 | 157 | 188 | 220 | 251 | 283 | 314 |
| Einfahren | 24 | 47 | 71 | 94 | 118 | 141 | 165 | 188 | 212 | 236 | |
| Ø25 | Ausfahren | 49 | 98 | 147 | 196 | 245 | 295 | 344 | 393 | 442 | 491 |
| Einfahren | 38 | 76 | 113 | 151 | 189 | 227 | 264 | 302 | 340 | 378 | |
| Ø32 | Ausfahren | 80 | 161 | 241 | 322 | 402 | 483 | 563 | 643 | 724 | 804 |
| Einfahren | 60 | 121 | 181 | 241 | 302 | 362 | 422 | 483 | 543 | 603 | |
| Ø40 | Ausfahren | 126 | 251 | 377 | 503 | 628 | 754 | 880 | 1005 | 1131 | 1257 |
| Einfahren | 106 | 211 | 317 | 422 | 528 | 633 | 739 | 844 | 950 | 1056 | |
| Ø50 | Ausfahren | 196 | 393 | 589 | 785 | 982 | 1178 | 1374 | 1571 | 1767 | 1963 |
| Einfahren | 165 | 330 | 495 | 660 | 825 | 990 | 1155 | 1319 | 1484 | 1649 | |
| Ø63 | Ausfahren | 312 | 623 | 935 | 1247 | 1559 | 1870 | 2182 | 2494 | 2806 | 3117 |
| Einfahren | 280 | 561 | 841 | 1121 | 1402 | 1682 | 1962 | 2242 | 2523 | 2803 | |
Schritt 4: Theoretische Referenzgeschwindigkeit berechnen
Die Geschwindigkeit, mit welcher der Kolben das Hubende erreicht, ist u.a. von der zu bewegenden Last, Zylinderlänge und Zylinderdurchmesser sowie dem angelegten Luftdruck abhängig. Allgemein lässt sich die Geschwindigkeit aus dem Verhältnis von Fördervolumenstrom (Q) zur effektiven Kolbenfläche (A) berechnen:
v = \frac{Q}{A}
• v = Geschwindigkeit des Kolbens in m/s
• Q = Durchflussmenge m³/s
• A = Kolbenfläche m²
Der Innendurchmesser des Pneumatikzylinders nimmt ebenfalls erheblich Einfluss auf die Geschwindigkeit. Ein Pneumatikzylinder mit kleinerem innendurchmesser erreicht bei gleichem Volumenstrom als Luftzufuhr höhere Geschwindigkeiten, da er weniger Volumen füllen muss und somit schneller Druck aufbauen kann. Größere Durchmesser benötigen mehr Luftvolumen, was die Füllzeit verlängert und die theoretische Maximalgeschwindigkeit reduziert.
Schritt 5: Art der Zylinderdämpfung prüfen
Die Dämpfung in einem Druckluftzylinder sorgt dafür, dass sich die Bewegung des Pneumatikkolbens am Hubende verlangsamt. Dadurch sollen Schäden am Zylinder und weiteren mechanischen Bauteilen vermieden werden. Außerdem kann eine Dämpfung zu mehr Effizienz und Genauigkeit beitragen. Es gibt verschiedene Arten der Dämpfung:
- Externe Dämpfung: Die externe Dämpfung ist eine simple Dämpfung, die leicht ersetzbar ist. In der Regel handelt es sich um einen Stoßdämpfer aus einem weichen Material, wie z.B. Gummi, das an der Zylinderaußenseite angebracht wird. Stoßdämpfer sollten bei hohen Geschwindigkeiten und schweren Lasten verwendet werden.
- Mechanische Dämpfung: Die mechanische Dämpfung sieht flexible Elastomere (z.B. auch aus Gummi oder Polymeren) vor, die im Zylinderinneren am Hubende verbaut werden und so die Aufprallkraft absorbieren.
- Einstellbare Dämpfung: Die einstellbare Dämpfung empfiehlt sich, wenn die Aufprallkräfte genau kontrolliert und verzögert werden sollen sowie auch bei häufigen Last- und Geschwindigkeitswechseln. Das Wirkprinzip ist dabei wie folgt: Die freigesetzte Luftmenge am Zylinderende wird begrenzt, indem spezielle Kolbenstifte den Luftstrom zur Hauptkammer verschließen und die Luft in der Endkappe einschließen. Diese Luft wird anschließend kontrolliert durch eine variable Öffnung und ein Drosselventil abgeleitet.
- Selbsteinstellende Dämpfung: Beim selbsteinstellenden Dämpfer ist das Prinzip im Grunde gleich, aber hier werden Schlitze im Dämpfungskolben verwendet, die in Abhängigkeit von Zylindergeschwindigkeit und Last stufenweise die Luft entweichen lassen.
Schritt 6: Sonstige Einflüsse prüfen
Weitere Überlegungen können sich auf Hublänge und seitliche Kräfte beziehen. Die Hublänge ist die linear zurückgelegte Strecke des Kolbens. Soll eine Last zum Beispiel über eine Strecke von 50 cm bewegt werden, so ist auch eine Hublänge von 50 cm zu wählen. Grundlegend ist dabei zu beachten, dass einfachwirkende Pneumatikzylinder in der Regel in kürzeren Varianten erhältlich sind, da sie eine Rückholfeder benötigen. Doppeltwirkende Pneumatikzylinder sind in großen Baulängen erhältlich und können größere Hublängen abdecken.
Seitliche Kräfte auf den Kolben oder die Kolbenstange führen zu erhöhtem Verschleiß der Dichtungen und Führungen und können die Lebensdauer des Zylinders erheblich verkürzen. Um dies zu vermeiden, sollten Führungen oder Lager zum Abfangen der Querkräfte eingeplant werden. Der Pneumatikzylinder selbst ist primär für die Aufnahme axialer Kräfte konzipiert und sollte nicht als tragendes Element für seitliche Belastungen dienen.
Typische Auswahlfehler bei Druckluftzylindern
Bei der Auswahl von Druckluftzylindern werden häufig dieselben Fehler gemacht. Ein Hauptfehler ist die Auswahl eines Zylinders mit falscher bzw. unzureichender Kraftausgabe oder eine nicht optimal geplante Schaltung (siehe Pneumatik-Schaltpläne). Das kann umgangen werden, indem man die Kraftausgabe mindestens doppelt so hoch auswählt wie die erforderliche Last. Auch wird häufig vergessen, Lastmasse, Hublänge und Betriebsumgebung zu berücksichtigen. Das hat oft schlechte Leistung oder vorzeitigen Ausfall zur Folge. Doch auch unzureichende Reserven der bereitgestellten Druckluftversorgung können sich negativ bemerkbar machen. Mangelnder Versorgungsluft und ein zu geringer Volumenstrom können sich neben der verlangsamten Aus- bzw. Einfahrgeschwindigkeit auch signifikant auf die Funktion und Zuverlässigkeit der Anlage auswirken.
