Pneumatikschulung
Kapitel 7 - Der Pneumatikzylinder: Teil 1
In den vorherigen Kapiteln haben wir den Grundaufbau eines pneumatischen Systems sowie dessen wichtigste Elemente beschrieben:
- Luftaufbereitungseinheiten
- Steuerventile
- Durchfluss-Regelventile
- Antriebe, Zylinder
- Pneumatikrohre, Schläuche, Verschraubungen
In diesem Kapitel gehen wir näher auf das Thema Pneumatikzylinder ein. In der Pneumatik ist der wichtigste Aktor der Zylinder. Er wandelt die Druckenergie des Mediums in lineare oder rotierende Bewegung um.
Arbeitszylinder können nach verschiedenen Aspekten unterschieden werden:
- Ausführung
- Zylinder mit Kolbenstange
- Zylinder ohne Kolbenstange
- Membranzylinder
- Drehzylinder (Drehantrieb)
- Ausführende Bewegung
- linear
- rotierend
- Funktion
- einfachwirkend
- doppeltwirkend
- 3- oder 4-Positionen
- Endlagendämpfung
- einstellbare, pneumatische Endlagendämpfung
- flexible Endlagendämpfung
- keine Endlagendämpfung
Pneumatikzylinder sind in vielen verschiedenen Ausführungen und mit diversen Funktionen verfügbar. In diesem Kapitel gehen wir auf die gängigsten Varianten ein.
Kolbenstangenzylinder
Je nach Aufgabengebiet stehen Zylinder in vielen verschiedenen Varianten zur Verfügung. Neben Norm-Zylindern gibt es auch Ausführungen, denen keine Norm zugrundeliegt.
Nachstehend haben wir für Sie die gängigsten Typen zusammengestellt. Die Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Es sind zahlreiche weitere Sonderversionen am Markt verfügbar.
- Mini-Einschraubzylinder
- Rundzylinder | DIN ISO 6432
- Profilzylinder | ISO 15552 | VDMA 24562 | (Alte Norm: DIN ISO 6431)
- Kompaktzylinder | ISO 21287 | UNITOP
- Kurzhubzylinder
- Zugstangenzylinder | ISO 15552
Um Ausführung und Funktion des Zylinders festlegen zu können, sind die folgenden technischen Merkmale von Bedeutung:
| 1. Aufbau des Zylinders | |
| 2. Durchmesser und Hublänge | |
| 3. Zylinderbewegungen | |
| 4. Stabile Stellungen des Zylinders | |
| 5. Schaltsymbole | |
| 6. Endlagendämpfung | -> Kapitel 8 |
| 7. Magnetische Positionserkennung | -> Kapitel 8 |
| 8. Geschwindigkeitsregulierung | -> Kapitel 8 |
| 9. Normen und Standards | -> Kapitel 8 |
1. Aufbau des Zylinders
Der Kolbenstangenzylinder besteht aus einem Zylinderrohr, welches an beiden Enden mit jeweils einem Deckel (Zylinderkopf und Abschlussdeckel) abgeschlossen wird.
In diesem Zylinderrohr bewegt sich eine Kolbenstange mit Antriebskolben. Seine Bewegung wird mit Druckluft durch ein Wegeventil gesteuert. Die Bewegung ist abhängig davon, welche Zylinderkammer mit Druck beaufschlagt wird. Die Kraftübertragung erfolgt dabei durch die Kolbenstange.
Kolbenstangenzylinder werden auch Linearzylinder genannt, da die Kolbenstange zur Kraftübertragung eine lineare Bewegung ausführt.
2. Durchmesser und Hublänge
Zylinderdurchmesser und Hublänge sind die beiden maßgeblichen Eigenschaften eines Zylinders.
z.B. HAFNER-Zylinder DIP: DIP 40/320
Erklärung der Typenbezeichnung:
- DIP– Typ des Zylinders, grundsätzliche Ausführung
(DIP nach ISO 1555 - doppeltwirkender Zylinder - mit einstellbarer Endlagendämpfung - Magnetkolben)
- 40– Rohrdurchmesser [mm]
- 320– Hublänge des Zylinders [mm]
Beim Durchmesser des Zylinders handelt es sich um den Durchmesser des Antriebskolbens. Er definiert die Kraft des Zylinders, abhängig vom Arbeitsdruck.
Die Hublänge beschreibt, wie weit die Kolbenstange bewegt werden kann.
Ein längerer Hub erhöht die Belastung der Führungsbuchse und der Kolbenstange erheblich. Um einem Defekt vorzubeugen, sollte ein größerer Durchmesser der Kolbenstange gewählt werden. In der Praxis wird daher oftmals für Zylinder mit einem langen Hub auch ein größerer Kolbenstangendurchmesser gewählt.
Bei besonders langen Hüben sowie hohen Querkrafteinwirkungen kann eine Linearführungseinheit für eine Entlastung der Kolbenstange sorgen.
Die verfügbaren Durchmesser sind vom Zylindertyp abhängig und beschränkt. Hübe können in der Regel recht einfach variiert werden.
Die Kraft, die vom Zylinder maximal angewendet werden kann, hängt von folgenden Faktoren ab:
- Arbeitsdruck
- Durchmesser des Kolbens
- Reibungswiderstand der Innenteile
Nachstehend berechnen wir exemplarisch die ausgeübte Kraft für Typ DIL 40/320 bei 6 bar Arbeitsdruck.
Wenn wir die Kraft durch die Gravitation teilen (9,81 m/s2), kann unser Zylinder, praxisgerecht betrachtet, eine Masse von 73 kg halten.
WICHTIG! Mit dieser Kraft - ausgeübt durch den Zylinder - kann man die berechnete Masse nur halten, nicht bewegen!
Wenn wir einen Gegenstand gleichmäßig bewegen wollen, müssen wir die Gravitationskraft berücksichtigen.
Im physikalischen Sinne sprechen wir von Arbeit, wenn sich ein Körper unter der Einwirkung von Kraft in Bewegung setzt. Beim Heben bewegt sich der Körper in Richtung der Kraft. So erfolgt auch in diesem Fall Arbeit.
3. Die Zylinderbewegungen
Die zwei Endstellungen des Zylinders werden "positive und negative Endstellung" genannt.
Dementsprechend heißen die beiden Kammern des Zylinders Plus- und Minus-Kammer oder Zylinderraum.
Die ausgefahrene Kolbenstange ist in positiver Endstellung, wenn die Druckluft in die Plus-Kammer einströmt.
In negativer Endstellung ist die Kolbenstange eingefahren, da die Druckluft in die Minus-Kammer einströmt.
Die Entlüftung der jeweiligen Gegenkammer ist Grundvoraussetzung, damit die dort befindliche
Luft frei ausströmen kann.
4. Stabile Schaltstellungen des
Zylinders
Wir unterscheiden zwischen einfachwirkenden und doppeltwirkenden Zylindern.
Bei den einfachwirkenden Zylindern wird nur eine Kammer mit Druckluft beaufschlagt. Dementsprechend wird nur in eine Richtung Arbeit mittels Druckluft ausgeübt. In die andere Bewegungsrichtung sorgt eine eingebaute mechanische Feder für die Kolbenrückbewegung.
Die Hublänge der einfachwirkenden Zylinder wird von der mechanischen Feder beschränkt. Deshalb sind einfachwirkende Zylinder nur mit relativ kurzem Hub verfügbar.
Es existieren generell zwei Ausführungen, abhängig davon, ob die Feder vor oder nach dem Kolben platziert ist:
Bei doppeltwirkenden Zylindern betätigt die Energie der Druckluft den Antriebskolben in beiden Richtungen.
Doppeltwirkende Zylinder werden immer dann verwendet, wenn der Zylinder in beiden Richtungen Arbeit ausüben muss.
Aufgrund eines breiten Anwendungsspektrums gibt es viele verschiedene Ausführungen:
- Doppeltwirkende Zylinder mit drehfreier Kolbenstange (Wenn ein Drehen der Kolbenstange um die eigene Achse nicht zulässig ist, wird der Zylinder mit einer speziellen Kolbenstange ohne runden Querschnitt montiert. Alternativ kann eine Doppelkolbenstange eingebaut werden.)
- Mehrstellungszylinder (Zwei Zylinder werden Rücken an Rücken zusammengebaut. Damit sind drei oder vier Stellungen, unterschiedlicher Länge, möglich.)
- Tandemzylinder (Zwei oder mehr Zylinder werden zusammengebaut. Die Kolbenstangen werden dabei miteinander verbunden. Somit kann die Fläche der Kolben – analog dazu die Kraft – erhöht werden, ohne einen Zylinder mit größerem Durchmesser verwenden zu müssen.)
5. Schaltsymbole
Die Funktion der verschiedenen Zylinderausführungen ist durch Schaltsymbole eindeutig geregelt.
WICHTIG! Die Symbole zeigen nur die Funktion des Zylinders, beinhalten aber keine Informationen bezüglich Hub, Durchmesser, Standard etc.
Auf zwei der Begriffe werden wir im nächsten Kapitel genauer eingehen:
- Endlagendämpfung
- Magnetische Positionserkennung des Zylinders
Ihre Funktion:
- Die Endlagendämpfung wird zur Reduzierung der Kolbengeschwindigkeit am Ende der Bewegung verwendet. Sie verhindert, dass der Kolben gegen den Deckel schlägt.
- Bei den pneumatischen Zylindern verwenden wir zur Positionserkennung des Antriebskolbens einen Magnetsensor. Der im Antriebskolben eingebaute Dauermagnet wird vom Näherungsschalter, welcher im Zylinderprofilrohr eingebaut ist, erkannt. Somit kann die Kolbenposition berührungslos erkannt werden.