Pneumatikzylinder: Aufbau, Funktionsweise, Anwendungsgebiete

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🎓 Ein Pneumatikzylinder führt mit Hilfe von Druckluft eine mechanische Bewegung aus. Diese Bewegungen sind entweder Schwenkbewegungen oder geradlinig. Pneumatikzylinder werden besonders oft in der Automatisierungstechnik angewendet.
Synonym(e): Pneumatischer Zylinder, Pneumatik Zylinder, Druckluftzylinder, Luftzylinder



Aufbau und Funktionsweise verschiedener Pneumatikzylinder von Bosch Rexroth

In der Pneumatik gibt es verschiedene Antriebe: So können die wesentlichen Arbeitsglieder, die am Ende zu einer mechanischen Bewegung führen, entweder Druckluftmotoren, pneumatische Muskel oder pneumatische Zylinder sein. Ein pneumatischer Zylinder ist ein Bauteil eines pneumatischen Antriebssystems und erzeugt mit Druckluft als Medium eine Bewegung. Ein Hydraulikzylinder nutzt dagegen Flüssigkeit als Medium.

Pneumatikzylinder (auch Druckluftzylinder, Luftzylinder) können nach folgenden Aspekten unterschieden werden:

  • Ausführung: Zylinder mit Kolbenstange, Kolbenstangelose Zylinder, Membranzylinder, Drehzylinder
  • ausführende Bewegung: linear, rotierend
  • Funktion: einfachwirkend, doppeltwirkend, 3- oder 4-Positionen
  • Endlagendämpfung: einstellbare, pneumatische Endlagendämpfung, flexible Endlagendämpfung, ohne Endlagendämpfung

Aufbau Pneumatikzylinder einfach erklärt

Aufbau Pneumatikzylinder
Einfacher Aufbau Pneumatikzylinder

Ein Druckluftzylinder besteht aus verschiedenen Bauteilen, die hier vereinfacht dargestellt sind. Die Grundlage bildet das Zylinderrohr (1) mit dem Bodendeckel (2) und dem Lagerdeckel (3). Im Zylinderrohr befindet sich der Kolben (4) mit Kolbendichtung (5) und Kolbenstange (6). Weiter besitzt ein Durckluftzylinder verschiedene Dichtungen (7), einen Führungsring (8) und einen Abstreifer (9). Je nach Zylinderbauart gibt es außerdem ein bis zwei Druckluftanschlüsse (10).

Das Zylinderrohr ist meist aus Stahl gefertigt, während Boden- und Lagerdeckel oft aus Aluminium- oder Temperguss hergestellt werden. Die Kolbenstange besteht in der Regel aus Vergütungsstahl. Der Abstreifring hat die Aufgabe, Verunreinigungen vom Zylinderrohr fernzuhalten. Die verschiedenen Dichtungen sorgen für den Druckausgleich im Luftzylinder.

Dieser einfacher Aufbau eines Pneumatikzylinders zeigt die Funktionsweise eines pneumatischen Zylinders. Je nach Art des Druckluftzylinders sind jedoch weitere Bauteile im Zylinder enthalten. Nachfolgend befindet sich eine Liste der verschiedenen Zylinderarten.

Zylinderarten und ihre Funktionsweise in der Pneumatik

Es gibt Pneumatikzylinder in verschiedenen Ausführungen, dazu gehören Normzylinder, Pneumatik-Kompaktzylinder sowie Pneumatik-Rundzylinder. Sie alle arbeiten mit geölter oder ungeölter gefilterter Druckluft. Weitere Zylinderarten sind

Kolbenstangenzylinder

In einem Kolbenstangenzylinder befindet sich immer eine Kolbenstange, die durch Druckluft bewegt wird. Die Kolbenstange führt die Kraftübertragung aus.

Zylinder mit Kolbenstange lassen sich nach ihrer Funktion unterscheiden. So gibt es doppeltwirkende Kolbenstangenzylinder und einfachwirkende Kolbenstangenzylinder, auch als einseitige und beidseitige Druckbeaufschlagung bezeichnet.

Funktionsweise einfachwirkende Zylinder
Dieser einfachwirkende Zylinder mit Kolbenstange besitzt nur einen Druckluftanschluss. Durch den Anschluss wird die Druckluft eingeführt, wodurch sich der Kolben in eine Richtung verschiebt. In diese Richtung baut sich die Kraft des Zylinders auf. Wenn der Zylinder die Luft wieder freigibt, geht der Kolben wieder in seine Ausgangsposition zurück. Da hier also nur in eine Richtung Kraft ausgeübt wird, bezeichnet man diesen Druckluftzylinder als einfachwirkend. Einfachwirkende Zylinder fahren mit Hilfe einer Feder wieder in die Ausgangsposition zurück.

Funktionsweise doppeltwirkende Zylinder
Der doppeltwirkende Zylinder (ISO 15552) besitzt zwei Druckluftanschlüsse und wird ausschließlich mit Druckluft gesteuert. Die Druckluft bewirkt und steuert das Ausfahren und das Zurückfahren, in beide Richtungen kann der Zylinder it der nahezu vollen Kraft arbeiten. Je nachdem in welche Richtung sich der Zylinderkolben bewegen soll, wird entweder am einen oder am anderen Anschluss Druckluft zugeführt. Da hier in beide Richtungen Kraft ausgeübt werden kann, ist dieser Zylinder doppelwirkend. Der Temperaturbereich liegt meist zwischen -20°C bis zu +80°C.

Kolbenstangenlose Zylinder (Linearantrieb)

Wie der Name erahnen lässt, befindet sich in kolbenstangenlosen Zylindern keine Kolbenstange. Trotzdem führt diese Zylinderart eine Linearbewegung durch, indem sich ein Kolben hin und her verschiebt. Kolbenstangenlose Zylinder nennt man daher auch Linearantrieb. Sie lassen sich entweder als einfache Antriebe nutzen oder als Antriebe mit angebauter Führung. Das bedeutet, dass ein am Zylinder angebrachter Läufer mit Kräften belastet werden kann. Bewegt sich also der Kolben im Zylinderrohr, so verschiebt sich der Läufer mit.
Linearantriebe lassen sich in mechanisch gekoppelte Läufer und magnetische gekoppelte Läufer unterteilen.

Funktionsweise mechanische gekoppelter Läufer
Ein mechanisch gekoppelter Läufer funktioniert mit Druckluft und hat hierfür zwei Anschlüsse am selben Ende des Zylinders. Der eine Druckluftanschluss führt die Luft direkt an den Kolben und bewegt ihn somit in eine Richtung. Der zweite Anschluss führt die Druckluft zunächst auf die andere Seite des Zylinderrohrs, um den Kolben dann in Richtung des Druckluftanschlusses zu schieben. Um den Läufer zu bewegen, ist eine Seite des Zylinders offen und nur durch ein Abdeckband abgedichtet. So verschiebt sich der Läufer immer gemeinsam mit dem Kolben.

Funktionsweise magnetisch gekoppelter Läufer
Auch beim magnetisch gekoppelten Läufer verschiebt sich der Kolben im Zylinderrohr mittels Druckluft. Anders als bei der mechanischen Variante ist der Zylinder hier jedoch vollkommen geschlossen. Damit sich der Läufer gemeinsam mit dem Kolben bewegt, sind an beiden Elementen Magnetpakete angebracht. Der Vorteil eines magnetisch gekoppelten Läufers ist, dass durch den Magnetkolben keine Zylinderöffnung nötig und der Luftzylinder deshalb komplett verschlossen ist. Deshalb kann dieses leckagefreie System in Reinräumen angewendet werden.

Tandem- und Mehrstellungszylinder

Das besondere an diesen Zylinderarten ist, dass hier zwei oder mehr Zylinder zusammengebaut sind.

Mehrstellungszylinder
Hier werden zwei oder mehr doppeltwirkende Luftylinder (Rücken an Rücken) aneinandergebaut, sodass sie miteinander verbunden sind. Je nachdem, welcher und wie viele Zylinderkolben sich bewegen, ändert sich die Hublänge. Bei zwei verbundenen Druckluftzylindern ist es daher möglich, vier verschiedene Hublängen zu erreichen. Deshalb heißt diese Zylinderart Mehrstellungszylinder.

Tandemzylinder
Auch beim Tandemzylinder baut man doppeltwirkende Pneumatik Zylinder zusammen. Allerdings sind hier zusätzlich die Kolbenstangen miteinander verbunden, was nicht nur die Kolbenfläche sondern auch die Kraft der Kolbenstange erhöht. Tandemzylinder finden also immer dann Verwendung, wenn auf engem Raum große Kraft aufgewendet werden muss.

Weitere Zylinderarten in der Pneumatik

  • Antriebe mit Linearführung
  • Balg- und Membranzylinder
  • Schwenkzylinder
  • Stopperzylinder
  • Klemm- und Spannzylinder
  • pneumatische Kompaktzylinder
  • Einschraub-Pneumatikzylinder
  • Kurzhub-Pneumatikzylinder

Vorteile

  • Stufenlose Regelung der Geschwindigkeiten und der Kräfte der Zylinder
  • Extrem hohe Arbeitsgeschwindigkeiten
  • Eine Überlastung oder ein Stillstand führt zu keinen Schäden am Druckluftgerät
  • Verglichen mit Elektrogeräten sind Druckluftgeräte einfach konstruiert und daher meist leichter
  • Die Abwärme fällt im Gegensatz zu elektrischen Systemen bei pneumatischen Systemen zentral am Kompressor und nicht an den dezentralen elektrischen Antriebseinheiten
  • Die Abwärme kann zum Heizen genutzt werden
  • Die Abluft entweicht in die Umgebung, daher ist keine Rückleitung nötig


Pneumatische Antriebe sind sehr Robust und weitestgehend resistentgegenüber verschiedenen Umwelteinflüssen und Vibrationen. Da die Pneumatik ausschließlich mit Druckluft arbeitet, ist diese Technologie sehr sauber und kann ohne Probleme in sensiblen Bereichen wie beispielsweise der Lebensmittelindustrie zum Antrieb und zur Steuerung von Anlagen eingesetzt werden. Bei einem Leck in der Druckluftleitung kann nur Luft entweichen, sodass es im gegensatz zu einem Leck in einem Hydraulikzylinder zu keinen Verschmutzungen kommen kann. Antriebe, die mit Druckluft arbeiten, sind im Vergleich zur Hydraulik, vergleichsweise günstig in der Anschaffung und Wartung.

Ansteuerung Pneumatikzylinder

Ja nach Zylinderart ist auch die Ansteuerung des Pneumatikzylinders unterschiedlich. Grundsätzlich muss ein Pneumatikzylinder durchgehend angesteuert werden können, z.B. um ihn anzuhalten oder zu beschleunigen. Dafür sind unter anderem Ventile notwendig. Denn Ventile haben eine Steuerungsfunktion. Ist das Arbeitsmedium der Ventile ebenfalls Druckluft, handelt es sich um Pneumatikventile.
Beim Stoppen des Zylinders wird dieser über den Hub angehalten. Das geht z.B. mit einem gesperrten Mittelstellungsventil mit Abluftdrosselung. Will man, dass der Pneumatikzylinder eine höhere Geschwindigkeit hat, so muss man den Zylinder vorher entlüften.

Anwendungsgebiete

In der Pneumatik sind je nach Anwendungsgebiet andere Antriebe geeignet. Der pneumatische Muskel wird vor allem dann eingesetzt, um Tätigkeiten schnell auszuführen (zum Beispiel Greifen, Sortieren, Potionieren, Schneiden). Ein Druckluftmotor eignet sich bei rotierenden Bewegungen als Antriebsform. Die in diesem Artikel behandelten pneumatischen Zylinder führen entweder Schwenkbewegungen oder geradlinige Bewegungen aus (und können dadurch beispielsweise ein Ventile ansteuern). Daher nutzt man sie vor allem für Beförderungen oder als Antrieb. Auch bei Spritzgießwerkzeugen oder Handhabungswerkzeugen eignen sich Druckluftzylinder.

Einsatzgebiete

  • Automobilindustrie
  • Medizintechnik
  • Lebensmittelindustrie
  • Schiffbauindustrie
  • Anlagenbau
  • Fabrikautomation

Welcher Pneumatikzylinder ist der Richtige

Für ein Arbeitsumfeld mit hohen Anforderungen an die Hygiene, sind ISO-Zylinder aus Edelstahl eine gute Wahl. Hier muss darauf geachtet werden, dass die Hublänge für die Anwendung ausreichend dimensioniert ist. Für viele Anwendungsbereiche gibt es spezielle Bauformen von Luftzylindern, sodass jeder Bedarf mit einer Lösung abgedeckt ist. So zum Beispiel für Einsätze mit wenig Platz, hier eignen sich spezielle Kompaktzylinder.

Anbieter

sind z. B. Aventics, Airtec, Bosch Rexroth, Festo, Hafner Pneumatik, JOYNER pneumatic, Conrad, Pneumaticshop, EBRO ARMATUREN, HOERBIGER, Metal Work, rogatti, SMC, Timmer