Pneumatik Pneumatikzylinder – Aufbau, Funktion, Anwendung

Quelle: konstruktionspraxis

Anbieter zum Thema

Wie funktionieren Pneumatikzylinder, welche baulichen Varianten sowie Funktionsweisen existieren und welche Vor- aber auch Nachteile haben sie? Ein Überblick über eine Technologie, die sich seit mehr als 60 Jahren bewährt.

Pneumatikzylinder sind äußerst robuste und mittels Druckluft betriebene Arbeitszylinder.
Pneumatikzylinder sind äußerst robuste und mittels Druckluft betriebene Arbeitszylinder.
(Bild: José-Loyer-72 - stock.adobe.com )

Pneumatikzylinder werden in vielen Bereichen der Industrie eingesetzt, z. B. in Spritzgießwerkzeugen oder in der Förder-, Antriebs- und Handhabungstechnik. Wir geben hier einen Überblick über den Aufbau und die Funktionsweise von Pneumatikzylindern, stellen unterschiedliche Bauweisen vor und zeigen Vor- und Nachteile auf.

Wie ist ein Pneumatikzylinder aufgebaut?

Pneumatikzylinder sind äußerst robuste und mittels Druckluft betriebene Arbeitszylinder. Vereinfacht dargestellt, besteht ein Pneumatikzylinder aus einem Zylinderrohr mit einem Boden- und einem Lagerdeckel. Im Zylinderrohr befindet sich ein Kolben mit einer Kolbenstange und verschiedensten Dichtungen. Im Bereich des Lagerdeckels, am Austritt der Kolbenstange, haben Pneumatikzylinder einen Führungsring mit vorgelagerter Dichtung und einen Abstreifer, der Verunreinigungen des Zylinderrohrs vermeiden soll. Darüber hinaus ist ein Pneumatikzylinder mit Druckluftanschlüssen ausgestattet. In dieser relativ einfachen Bauart kann ein Pneumatikzylinder schon sehr viele Funktionen zu erfüllen. In der Realität existieren jedoch auch weitaus komplexere Lösungen.

Vereinfacht dargestellt, besteht ein Pneumatikzylinder aus einem Zylinderrohr mit einem Boden- und einem Lagerdeckel. Im Zylinderrohr befindet sich ein Kolben mit einer Kolbenstange und verschiedene Dichtungen. Am Austritt der Kolbenstange sitzen ein Führungsring mit vorgelagerter Dichtung und ein Abstreifer, der Verunreinigungen vermeiden soll. Zudem gibt es Druckluftanschlüsse.

Wie funktioniert ein Pneumatikzylinder?

Pneumatikzylinder wandeln die von Kompressoren erzeugte Druckluft in mechanische Energie um. Sie werden vornehmlich mit geölter und ungeölter Druckluft betrieben. Mittels Druckluft wird die Kolbenstange im Zylinder bewegt, wodurch eine Kraftübertragung zumeist in linearer Richtung erfolgt.

Welche Bauarten an Pneumatikzylindern gibt es?

Einfach- und doppeltwirkende Zylinder:

Generell kann zwischen einfachwirkenden und doppeltwirkenden Zylindern unterschieden werden. Einfachwirkende Pneumatikzylinder besitzen nur einen Druckluftanschluss und können daher lediglich von einer Seite mit Druckluft beaufschlagt werden. Der Zylinder verrichtet somit seine Arbeit immer nur in eine Richtung. Eine Rückstellfeder sorgt bei solchen Zylindern für die Einfahrbewegung der Kolbenstange.

Im Gegensatz zu einfachwirkenden Zylindern werden doppeltwirkende Pneumatikzylinder ausnahmslos mit Druckluft betrieben. Doppeltwirkende Pneumatikzylinder verfügen daher über zwei Druckluftanschlüsse, die den Zylinder von zwei Seiten abwechselnd mit Druckluft beaufschlagen. Die Bewegungsrichtung der Kolbenstange wird gesteuert, indem entweder von der einen oder der anderen Seite des Zylinders Druckluft zugeführt wird. Ein doppeltwirkender Pneumatikzylinder kann auf diese Weise in beide Richtungen der Kolbenstange seine volle Kraft entfalten.

Pneumatikzylinder mit Endlagendämpfung:

Müssen große Massen bewegt werden, empfiehlt sich die Wahl eines Pneumatikzylinders mit Endlagendämpfung. Hierbei wird der Kolben eines Zylinders abgebremst, um die kinetische Energie zu reduzieren. Die Endlagendämpfung verhindert, dass der Kolben mit zu hoher Geschwindigkeit am Zylinderboden aufprallt. Ohne Dämpfung könnte es stattdessen zu Beschädigungen sowohl am Kolben als auch an den Endlagen kommen. Doppeltwirkende Pneumatikzylinder werden entweder mit ab Werk voreingestellter oder durch den Anwender selbst einstellbarer kolbenseitiger oder beidseitiger Endlagendämpfung angeboten.

Kolbenstangenlose Zylinder:

Neben Kolbenstangenzylindern bspw. als Rundzylinder, Profilzylinder, Zugstangenzylinder oder Kompaktzylinder gibt es auch kolbenstangenlose Pneumatikzylinder, deren Kraftübertragung durch die seitliche Anbindung eines Läufers an einen Kolben erfolgt. Solche kolbenstangenlosen Zylinder werden als Linearantriebe bezeichnet und lassen sich als einfache Antriebe oder als Antriebe mit eingebauter Führung, wie etwa Gleit- oder Wälzführungen, einsetzen. Hierzu dient ein am Zylinder montierter Läufer, der in seinem Bewegungsablauf dem Kolben im Zylinderrohr folgt. Kolbenstangenlose Zylinder werden in mechanisch und magnetisch gekoppelte Läufer unterteilt:

  • Mechanisch gekoppelte Läufer – Ein mechanisch gekoppelter Läufer hat zwei Druckluftanschlüsse an einer Seite des Zylinders. Ein Anschluss dient dazu, den Kolben mittels Druckluft in eine Richtung zu bewegen. Über den zweiten Anschluss wird die Druckluft auf die andere Seite des Zylinders geführt, um den Kolben in die Gegenrichtung (zum Druckluftanschluss) zu bewegen. Zur Montage des Läufers ist der Zylinder auf einer Seite offen. Somit verschiebt sich der Läufer immer gemeinsam mit dem Kolben in die jeweils angesteuerte Bewegungsrichtung.
  • Magnetisch gekoppelte Läufer – Im Gegensatz zu mechanisch gekoppelten Läufern ist der Zylinder von magnetisch gekoppelten Läufern komplett geschlossen. Damit sich der Läufer analog zum Kolben im Zylinder bewegt, sind beide Komponenten mit Magneten ausgestattet. Der Vorteil: Solche Lösungen sind vollständig geschlossen und daher als leckagefreie Systeme auch in Reinräumen einsetzbar.

Diese weiteren Varianten an Pneumatikzylindern gibt es

Neben den kolbenstangenlosen Zylindern soll nachfolgend noch auf sogenannte Mehrstellungs- und Tandemzylinder, Drehzylinder, Schlagzylinder und Teleskopzylinder als weitere Varianten von Pneumatikzylindern eingegangen werden:

  • Mehrstellungs- und Tandemzylinder sind Lösungen, die sich aus mehreren Pneumatikzylindern zusammensetzen. Bei Mehrstellungszylinder werden mehrere Pneumatikzylinder aneinandergereiht und miteinander verbunden. Je nachdem, wie die Druckluft beaufschlagt wird, fahren die einzelnen Zylinderkolben aus. Mehrstellungszylinder ermöglichen es bspw., mit zwei Zylindern, die über unterschiedliche Hublängen verfügen, vier verschiedene Hublängen zu realisieren. Tandemzylinder funktionieren ähnlich. Allerdings sind hier bei mehreren doppeltwirkenden Zylindern auch die Zylinderkolben miteinander verbunden. Da sich hierdurch die Kraftübertragung der Kolbenstange erhöht, werden Tandemzylinder vor allem dort eingesetzt, wo auf engstem Raum größere Kräfte aufzubringen sind.
  • Drehzylinder sind ebenfalls doppeltwirkende Pneumatikzylinder. Durch das Zahnprofil auf der Kolbenstange wird ein Zahnrad angetrieben und somit die ursprüngliche Linearbewegung in eine Drehbewegung umgewandelt.
  • Schlagzylinder können durch eine Erhöhung der Kolbenstangengeschwindigkeit eine erhebliche kinetische Energie aufbauen und eignen sich daher z. B. für Bohr- ,Loch- oder Pressanwendungen.
  • Teleskopzylinder haben mehrere ineinander liegende Kolbenstangen, die mehrstufig ausfahren können. Teleskopzylinder sind entweder als einfachwirkende oder doppeltwirkende Lösungen ausgelegt und bieten vor allem den Vorteil eines größeren Hubs bei vergleichbar geringer Einbaulänge.

Welche Vor- und Nachteile haben Pneumatikzylinder?

Pneumatikzylinder sind, wie eingangs erwähnt, sehr robust und widerstehen verschiedenen Umwelteinflüssen sowie mechanischen Belastungen wie z. B. Vibrationen. Da die Lösungen anders als Hydraulikzylinder ausschließlich mit Druckluft arbeiten, ist die Technologie überaus sauber und kann selbst in sensiblen Bereichen, etwa in der Lebensmittelindustrie, in Reinräumen oder Ex-Zonen, eingesetzt werden. Darüber hinaus ergeben sich weitere vielfältige Einsatzpotenziale in der Fabrikautomation, Automobilindustrie, Medizintechnik sowie im Maschinen- und Anlagenbau, um nur wenige Beispiele zu nennen.

Jetzt Newsletter abonnieren

Verpassen Sie nicht unsere besten Inhalte

Mit Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung (bitte aufklappen für Details) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finde ich in unserer Datenschutzerklärung.

Aufklappen für Details zu Ihrer Einwilligung

Zu den wesentlichen Vorteilen von Pneumatikzylindern gehören:

  • sehr hohe Arbeitsgeschwindigkeiten
  • stufenlose Regelung bzw. Steuerung der Geschwindigkeiten sowie Kräfte der Zylinder
  • einfache Konstruktion, wodurch die Lösungen bspw. im Vergleich zu Elektrogeräten leichter sind und überdies eine einfachere Wartung sowie Instandsetzung erlauben
  • mögliche Überlastungen oder Stillstände führen in der Regel zu keinen Geräteschäden
  • keine Abwärmeentwicklung unmittelbar am Zylinder, sondern nur am Kompressor
  • einfache Montage, da keine Rückleitungen erforderlich, weil die Abluft unmittelbar in die Umgebung entweichen kann

Ein negativer Aspekt bei Pneumatikzylindern ist der Stick-Slip-Effekt:

Ein bei Pneumatikzylindern relativ häufig zu beobachtender negativer Effekt ist indes der Stick-Slip-Effekt (Haft-Gleit-Effekt), verursacht durch die Dichtungen an Kolbenstange und Kolben. Im Allgemeinen beschreibt dieser Effekt das unerwünschte, ruckartige Gleiten von Festkörpern, die sich gegeneinander bewegen und tritt immer dann auf, wenn die Haftreibung deutlich größer ist als die Gleitreibung. In Pneumatikzylindern sind die Haftreibkräfte ungefähr doppelt so groß, wie die Gleitreibkräfte, wodurch der Stick-Slip-Effekt mitunter sehr schnell auftritt, insbesondere wenn für eine Applikation langsame Bewegungen des Zylinderkolbens erforderlich sind. Als Gegenmaßnahme hilft in der Regel eine Abluftdrosselung. Hierbei wird die aus dem Zylinder entweichende Luft stets mit einem adäquaten Gegendruck beaufschlagt, damit der Druck im Pneumatikzylinder generell langsamer sinkt.

Anbieter von Pneumatikzylindern

Die Auswahl an Anbietern und Herstellern erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

  • Airtec Pneumatic
  • Bosch Rexroth
  • Conrad
  • BZO-Pneumatik
  • Ebro Armaturen
  • Emerson (Aventics)
  • Festo
  • Hafner Pneumatik
  • Joyner Pneumatic
  • Norelem
  • Norgren
  • Pneumaticshop
  • Rogatti

(ID:48462125)