Wie man Pneumatikzylinder richtig auswählt

Ein Pneumatikzylinder wandelt die Energie der Druckluft in eine mechanische Bewegung um, deren Kraft der Fläche seines Zylinders und dem Betriebsdruck proportional ist.

Dieser Leitfaden führt Sie durch die Auswahl nach Typ, Abmessung, Hub, Befestigung und Umgebungsbedingungen – damit Sie einen Zylinder wählen, der für Ihre Anwendung wirklich geeignet ist.

Pneumatikzylinder dienen daher als Linearantriebe, zum Beispiel in einfachen Handhabungsgeräten, die Teile oder Halbzeuge geringerer Tragfähigkeit in gerader Richtung befördern sollen. Die Zylinder können nicht nur lineare, sondern auch Dreh- oder Schwenkbewegungen ausführen. Das eignet sich für die Ansteuerung von Greifern, Peripherieelementen von Robotern und Anlagen automatisierter Arbeitsplätze.

Pneumatische Antriebe werden häufig in der Lebensmittelindustrie eingesetzt, wo die Sauberkeit der Betriebe gewährleistet sein muss (hydraulische Systeme eignen sich dort deshalb nicht).

Wo überall wir Pneumatikzylinder finden

• in Dreh- und Linearpositioniersystemen in Automatisierungsanlagen
• in Druckluftwerkzeugen, z. B. in Drucklufthämmern (Abbauhämmern), Handhabungsgeräten usw.
• in Druckluftbremsanlagen, in der Luftfederung, in Fahrwerken, in der Getriebeschaltung, in Stromabnehmern und Ähnlichem
• in Spannantrieben, Spannköpfen und Ähnlichem,
• in der Ansteuerung von Industriearmaturen in der Chemie, Energiewirtschaft, Lebensmittelindustrie usw.

Vorteile von Pneumatikzylindern

• Einfache Konstruktion. Garantiert zuverlässigen Betrieb bei minimaler Wartung.
• Niedriger Preis und geringes Gewicht. Günstige Anschaffungs- und Betriebskosten.
• Breiter Temperaturbereich. Üblicherweise –20 °C bis +80 °C, in Sonderausführungen bis –40 °C bis +250 °C.
• Auch für gefährliche Umgebungen geeignet. Zum Beispiel mit Explosionsgefahr (ATEX).
• Sicherheit für das Bedienpersonal. Leckagen von Druckluft in der Leitung oder im Zylinder stellen keine Gefahr für das Bedienpersonal der Maschine dar.

Kriterien für die Auswahl eines Pneumatikzylinders

1. Typen von Pneumatikzylindern

• einfachwirkend, doppeltwirkend
• mit Magnet, ohne Magnet
• mit rundem oder unrundem Querschnitt
• entsprechend den Normen (ISO 6432, ISO 15552, CNMO)
• mit einstellbarer Dämpfung
• mit Kolbenstange, ohne Kolbenstange

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2. Abmessungen des Zylinders: Anhand der erforderlichen Zug- oder Druckkraft bestimmen wir den geeigneten Kolbendurchmesser.

3. Kolbenhub

4. Art der Befestigung des Zylinders im Pneumatiksystem

5. Umgebungsbedingungen – Temperatur, Feuchtigkeit, Staubbelastung usw.

Einfachwirkender oder doppeltwirkender Pneumatikzylinder?

Einfachwirkender Zylinder

Beim einfachwirkenden Zylinder wird die Luft dem Kolben nur von einer Seite zugeführt, sodass die durch den Luftdruck erzeugte Kraft nur in einer Richtung auf die Kolbenfläche wirkt. Wird die Druckluftzufuhr zum Zylinder unterbrochen, bringt die Kraft einer Feder die Kolbenstange in die Ausgangslage zurück. Einfachwirkende Zylinder werden für Hübe bis 50 mm eingesetzt. Zur Ansteuerung einfachwirkender Zylinder dienen vor allem 3/2-Wegeventile.

Einfachwirkende Pneumatikzylinder lassen sich zum Spannen von Halbzeugen, als Auswerfer in verschiedenen Vorrichtungen zum Zuführen von Halbzeugen, zu deren Anheben und für weitere Vorgänge verwenden. Im Vergleich zu doppeltwirkenden Pneumatikzylindern gleicher Abmessungen haben sie einen geringeren Luftverbrauch. Die Kraft der Schraubenfeder wirkt der durch den Luftdruck auf die Kolbenfläche erzeugten Kraft entgegen, die nutzbare Kraft ist daher um die Federkraft geringer. Einfachwirkende Zylinder sind gegenüber doppeltwirkenden Zylindern mit gleichem Durchmesser und Hub länger (um das Maß der Feder).

Doppeltwirkender Zylinder

Die Luft wird dem Kolben von beiden Seiten zugeführt, sodass beide Bewegungen, vor und zurück, mit Druckluft ausgeführt werden. Dadurch können sie größere Hübe (bis 2 m) erreichen als einfachwirkende Zylinder. Zur Ansteuerung doppeltwirkender Zylinder dienen vor allem 5/2- und 5/3-Wegeventile. Die Arbeitsbewegung wird nicht durch eine Rückstellfeder beeinflusst und der Rücklauf ist schnell und gleichmäßig. Außerdem lassen sich die Kolbengeschwindigkeiten in beiden Richtungen einstellen. Der Bewegungsbereich wird meist durch Anschläge des Kolbens im Zylinder begrenzt.

Beim Einfahren der Kolbenstange erzeugen doppeltwirkende Pneumatikzylinder eine geringere Kraft als beim Ausfahren, weil die wirksame Kolbenfläche um die Fläche des Kolbenstangendurchmessers kleiner ist. Das ist zu berücksichtigen, wenn der Zylinder in beiden Richtungen mit derselben Last an der Kolbenstange arbeiten soll.

Doppeltwirkende Vierkantzylinder sind in mehreren Kolbendurchmessern erhältlich — von kleineren bis zu robusten Ausführungen für höhere Kräfte:

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Pneumatikzylinder mit Magnet

Wenn Sie die Kolbenposition überwachen müssen, wählen Sie einen Zylinder mit Magnet. Am Zylinder wird ein Positionssensor installiert (auf dem Bild ist der Sensor in der Nut des Pneumatikzylinders montiert), der durch die Zylinderwand das Feld des im Kolben integrierten Magneten erfasst.

Zylinder mit unrundem Querschnitt

Dort, wo ein Verdrehen des Kolbens um die Achse der Kolbenstange verhindert werden muss, wählen Sie einen Pneumatikzylinder mit unrundem Querschnitt. Diese Zylinder sind sehr steif und momentenbeständig. Den passenden Typ finden Sie im übersichtlichen Angebot.

Normkonforme Pneumatikzylinder

Zylinderlieferanten geben häufig an, welchen Normen die Pneumatikzylinder entsprechen (ISO, VDMA, CNOMO, CETOP). Dass Zylinder nach einer bestimmten Norm gefertigt werden, bedeutet, dass der Hersteller die vorgeschriebenen Einbau- und Anschlussmaße einhalten muss. Die innere konstruktive Ausführung des Zylinders, die Art des verwendeten Profils des Zylinderrohrs und die konstruktive Ausführung der Zylinderdeckel können sich bei den einzelnen Herstellern bereits unterscheiden. Zylinder nach den einzelnen Normen finden Sie im übersichtlichen Angebot.

Einstellbare Dämpfung

Bei der Auslegung eines pneumatischen Mechanismus ist darauf zu achten, dass die Zylinderbewegung möglichst langsam erfolgt (und zugleich der zeitliche Rahmen der jeweiligen Aufgabe eingehalten wird). Eine langsamere Bewegung bedeutet einen schwächeren Aufprall am Hubende, wodurch sich die Lebensdauer des Zylinders verlängert.

Starke Aufpralle an den Hubenden des Zylinders können zu Störungen führen, deshalb ist es sinnvoll, diese Stöße durch Dämpfungsscheiben, Dämpfungspuffer oder Stoßdämpfer zu mildern. Damit verlängern wir die Lebensdauer des gesamten Mechanismus deutlich.

Die einstellbare Dämpfung ermöglicht ein sanftes Anhalten in den Endlagen. Kurz vor dieser Position fährt der Dämpfungszapfen der Kolbenstange in einen Hohlraum im Zylinderdeckel ein. Die Luft, die in diesem zylindrischen Hohlraum komprimiert wird, verlangsamt die Kolbenbewegung. Damit der Kolben bis in die Endlage fahren kann, wird der Hohlraum über eine kleine Bohrung entlüftet. Bei Bewegung in die Gegenrichtung strömt die Luft frei durch das Drosselrückschlagventil und wirkt mit Druck auf die gegenüberliegende Kolbenseite.

Zylinder mit Kolbenstange, ohne Kolbenstange

Vor allem in Pneumatiksystemen, in denen eine ausfahrende Kolbenstange stören würde, wählen wir einen Zylinder ohne Kolbenstange. Er ist sehr platzsparend und hat den Kolben üblicherweise über feste Kupplungen mit einem Schlitten außerhalb des Zylinders verbunden, die sich in einem Längsschlitz im Zylinderrohr bewegen. Kolbenstangenlose Zylinder werden mit Hublängen bis 5,7 m gefertigt.

Wählen wir die richtige Größe des Pneumatikzylinders

Für die Bestimmung der richtigen Zylindergröße ist die erforderliche Druck- oder Zugkraft entscheidend. Diese hängt von der Kolbenfläche und dem Druck im Zylinder ab.

Zu berücksichtigen sind:

• Alle Lasten einschließlich der Reibungsverluste – in die Berechnung sind dynamische und äußere Lasten einzubeziehen.
• Der zur Verfügung stehende Betriebsluftdruck.
• Anforderungen an die Dynamik der Anlage – also an die Geschwindigkeit und den Hub des Kolbens.

Bei der Auslegung des Kolbens ist eine angemessene Reserve einzuplanen, es gilt jedoch: größere Zylinder müssen nicht zwangsläufig auch bessere sein.

Ein zu großer Zylinder ist teuer in der Anschaffung, und auch sein Betrieb ist kostspieliger – überdimensionierte Zylinder verbrauchen für ihren Lauf ein größeres Druckluftvolumen.

Ein unterdimensionierter Zylinder ist zwar günstiger, erzeugt aber möglicherweise nicht die erforderliche Kraft, oder die erforderliche Kraft muss durch Erhöhung des Arbeitsdrucks erreicht werden, was zusätzliche Kosten bedeutet.

Berechnung der Kraft eines Pneumatikzylinders einfach und schnell
Wenn Sie sich davon überzeugen möchten, ob der ausgewählte Zylinder Ihren Anforderungen entspricht, folgen Sie diesem Link. Dort finden Sie ein Berechnungstool, das die Kraft des Pneumatikzylinders anhand des Kolben- und Kolbenstangendurchmessers sowie des Drucks der Druckluft bestimmt.

Horizontaler oder vertikaler Einbau?

Ist der Zylinder in vertikaler Lage eingebaut und bewegt sich die Kolbenstange nach oben und unten, muss der Kolben bei der Aufwärtsbewegung die Erdanziehung überwinden und kann erst dann beschleunigen. Bei der Abwärtsbewegung unterstützt die Erdanziehung wiederum die Beschleunigung. Deshalb ist es oft notwendig, ein Drosselventil einzubauen, um die Geschwindigkeit zu begrenzen und die Aufprallenergie am Hubende zu verringern.

Wählen Sie bei Zylindern für den vertikalen Einbau einen Typ mit höherer Zug- oder Druckkraft.

Kolbenhub des Pneumatikzylinders

Zylinder werden mit einem in Millimetern angegebenen Hub bestellt. Der Hub ist bei einfachwirkenden Zylindern durch die Größe der Feder begrenzt. Finden wir im Angebot keinen Zylinder mit dem Hub, den wir für unsere Aufgabe brauchen, wählen wir einen Zylinder mit Anschlag zur Einstellung des passenden Hubs.

Art der Befestigung des Pneumatikzylinders

Die Befestigung des Zylinders in der Anlage hängt von der Funktion ab, die der Zylinder in der Anlage erfüllen soll. Der Zylinder kann zum Beispiel befestigt werden: mit Flanschen, seitlichen Befestigungen, Füßen, dem Gewinde am Ende der Kolbenstange, mit Gabel-, Schwenk- oder Gelenkbefestigungen usw.

Werkstoff und Ausführung des Zylinders je nach Umgebung

Welchen Temperaturen wird der Zylinder ausgesetzt? Herrscht in der Arbeitsumgebung erhöhte Feuchtigkeit oder Staubbelastung? Werden Chemikalien auf den Zylinder einwirken? Je nach Umgebung wählen wir einen Pneumatikzylinder aus dem passenden Werkstoff, ausgestattet mit den entsprechenden Dichtungen, Abstreifringen, Manschetten und Ähnlichem.

In manchen Betrieben, zum Beispiel in der Lebensmittelindustrie, kann eine besondere Zertifizierung der Anlage hinsichtlich ihrer Konstruktion und der verwendeten Werkstoffe gefordert sein.

Zylinder mit Führung

Die Kolbenstange wird hauptsächlich durch Druck in Richtung ihrer Achse belastet (axialer Druck). Wenn auf sie auch eine radiale Belastung (senkrecht zur Achse) einwirkt, wird der Zylinder mit einer externen Führung ausgestattet, die diese Belastung aufnimmt. Ohne eine solche zusätzliche „Führungs“-Konstruktion kann der Zylinder vorzeitig verschleißen oder es können Undichtigkeiten entstehen.

Vorgehensweise bei der Auswahl eines Pneumatikzylinders Schritt für Schritt

Damit Sie den Zylinder gleich beim ersten Mal richtig auswählen, lohnt es sich, die Kriterien in logischer Reihenfolge durchzugehen. Die folgende Übersicht fasst die gesamte Überlegung in einer einfachen Abfolge zusammen, die für die meisten Anwendungen verwendet werden kann.

• Bestimmen Sie die Art der Bewegung und Funktion. Entscheiden Sie, ob Sie eine lineare, schwenkende oder winklige Bewegung benötigen und welche Operation der Zylinder ausführen soll (Spannen, Heben, Vorschub, Greifen).
• Wählen Sie einfachwirkend oder doppeltwirkend. Einfachwirkend eignet sich für kurze Hübe und einfachere Aufgaben mit geringerem Luftverbrauch, doppeltwirkend für längere Hübe und eine kontrollierte Bewegung in beide Richtungen.
• Berechnen Sie die erforderliche Kraft und den Kolbendurchmesser. Gehen Sie von der erforderlichen Druck- oder Zugkraft, dem verfügbaren Druck aus und berücksichtigen Sie Reibung sowie dynamische Belastung. Rechnen Sie mit einer angemessenen Reserve, aber überdimensionieren Sie nicht unnötig.
• Legen Sie den Hub fest. Bei einfachwirkenden Zylindern wird er durch die Feder begrenzt, für längere Hübe wählen Sie eine doppeltwirkende Ausführung, gegebenenfalls einen Zylinder mit Anschlag.
• Wählen Sie die Norm und die Querschnittsform. Wählen Sie entsprechend den Einbaumaßen und der Steifigkeit einen runden oder unrunden Querschnitt und die passende Norm (ISO 6432, ISO 15552, CNOMO).
• Ergänzen Sie das Zubehör je nach Umgebung. Magnet zur Positionserfassung, einstellbare Dämpfung, Führung für radiale Belastung und passende Dichtungen je nach Temperatur, Feuchtigkeit und Staubbelastung.

Welche Unterschiede gibt es zwischen den Zylindertypen in der Praxis

Zur schnellen Orientierung fasst die folgende Übersicht die drei häufigsten Optionen zusammen, auf die Sie bei der Auswahl stoßen, sowie deren typische Anwendung.

Übersichtliches Angebot an Pneumatikzylindern

Kleine Rundzylinder nach ISO 6432

(mit einem Durchmesser von 8 bis 25 mm) zeichnen sich dadurch aus, dass sie auch in Systemen mit ungeölter Druckluft eingesetzt werden können. Für vollkommene Dichtheit sind die Zylinderdeckel mit dem Profil verpresst. Zur Auswahl stehen Zylinder aus Aluminium oder aus Edelstahl.

Zylinder mit quadratischem Querschnitt nach ISO 15552

Zylinder mit quadratischem Querschnitt nach ISO 15552 (ehemals ISO 6431) zeichnen sich durch eine hohe Biege- und Torsionssteifigkeit aus.

Profilzylinder nach CNOMO

haben Zylinderdeckel, die durch Zugstangen verbunden sind, und sind mit einstellbarer Endlagendämpfung ausgestattet.

Weitere standardisierte Zylinder

Rundzylinder RED, REDM

Kompaktzylinder nach der Norm ISO 21287

Gewindezylinder

Kurzhubzylinder

Kolbenstangenlose Zylinder

Kolbenstangenlose Zylinder ansehen

Linearführungen für Zylinder

Greifer

Im Angebot sind auch Pneumatikzylinder, die eine Winkelbewegung der Greiferbacken ausführen:

• Winkelgreifer
• Parallelgreifer
• Dreipunktgreifer

Häufige Fragen

Was unterscheidet einfach- und doppeltwirkende Zylinder?

Ein einfachwirkender Zylinder treibt den Kolben nur in eine Richtung mit Luft an, zurückgeführt wird er durch eine Feder — geeignet für Hübe bis 50 mm. Ein doppeltwirkender Zylinder wird in beide Richtungen mit Luft angetrieben, erreicht längere Hübe bis 2 m und ermöglicht die Steuerung der Bewegungsgeschwindigkeit.

Wie ermittle ich den benötigten Kolbendurchmesser?

Gehen Sie von der erforderlichen Druck- oder Zugkraft und dem verfügbaren Druck aus. Berücksichtigen Sie bei der Berechnung Reibung sowie dynamische und äußere Belastungen und rechnen Sie mit einer angemessenen Reserve. Zur Überprüfung verwenden Sie das Berechnungstool für die Zylinderkraft.

Wann sollte man einen Zylinder ohne Kolbenstange wählen?

Dort, wo die ausfahrende Kolbenstange stören würde oder wo Sie Platz sparen müssen. Kolbenstangenlose Zylinder werden mit einem Hub bis 5,7 m hergestellt.

Wozu dient ein Zylinder mit Magnet?

Er ermöglicht die Verfolgung der Kolbenposition. Am Zylinder wird ein Sensor installiert, der durch die Wand den im Kolben integrierten Magneten erfasst.

In welchem Temperaturbereich arbeiten pneumatische Zylinder?

Standardausführungen arbeiten im Bereich von –20 °C bis +80 °C, Sonderausführungen sogar im Bereich von –40 °C bis +250 °C.