Pneumatikzylinder: einfach- und doppeltwirkend, Bauformen

Die Grundidee ist simpel: Druckluft drückt auf eine Fläche, und diese Fläche bewegt sich. Die Fläche ist der Kolben, der sich im Zylinderrohr dichtend auf und ab bewegt. Über die Kolbenstange wird die Bewegung nach außen geführt, dort hängt die Last – ein Greifer, ein Schieber, ein Spannhebel.

Druckluft entsteht im Kompressor und wird über eine Wartungseinheit aufbereitet, bevor sie zum Zylinder kommt; das ist ein eigenes Thema für sich. Für uns reicht: Am Zylinder steht aufbereitete Luft mit einem bestimmten Betriebsdruck an, üblich sind in der Industrie 6 bar.

Ein Zylinder besteht im Kern aus wenigen Teilen:

• Zylinderrohr – der Lauf, in dem sich der Kolben bewegt
• Kolben – trennt die beiden Druckräume, trägt die Dichtungen
• Kolbenstange – überträgt die Kraft nach außen
• Lagerdeckel (vorne) und Bodendeckel (hinten) – verschließen das Rohr und nehmen die Anschlüsse auf
• Dichtungen – am Kolben (trennt die Räume) und an der Kolbenstangenführung (dichtet nach außen)

Zwei Maße beschreiben die Bewegung. Der Hub ist der Weg, den die Kolbenstange zwischen den beiden Endlagen zurücklegt. Die Bohrung ist der Innendurchmesser des Zylinderrohrs – sie bestimmt, wie groß die wirksame Kolbenfläche ist und damit, wie viel Kraft der Zylinder aufbringt. Das Ausfahren nennt man Vorhub, das Einfahren Rückhub.

Im Unterschied zum Hydraulikzylinder arbeitet der Pneumatikzylinder mit einem zusammendrückbaren Medium. Luft lässt sich komprimieren, Hydrauliköl praktisch nicht. Deshalb sind pneumatische Bewegungen schneller und „weicher“, aber nicht so positionsgenau und kraftstark wie hydraulische. Für die typischen Kräfte bis einige tausend Newton ist Pneumatik aber die einfachere und sauberere Wahl.

Beim einfachwirkenden Zylinder wird nur eine Kolbenseite mit Druckluft beaufschlagt. Die Luft schiebt den Kolben in eine Richtung – das ist die Arbeitsbewegung. Für den Rückweg gibt es keine Druckluft. Stattdessen sorgt eine eingebaute Rückstellfeder dafür, dass der Kolben wieder in die Ausgangslage zurückgeht, sobald die Luft entweicht. Bei manchen Anwendungen übernimmt das auch eine äußere Last, etwa das Eigengewicht eines abgesenkten Teils.

Der Vorteil liegt auf der Hand: Es wird nur ein Anschluss und nur eine Luftleitung gebraucht, die Ansteuerung ist einfach, und Luft wird nur für eine Richtung verbraucht. Das macht diese Zylinder günstig und sparsam.

Die Grenzen kommen aus demselben Prinzip. Die Feder muss zusammengedrückt werden, und genau diese Federkraft fehlt am Ausgang – die nutzbare Kraft im Vorhub ist um die Federkraft kleiner als die reine Druckkraft. Außerdem braucht die Feder Platz, das begrenzt den möglichen Hub. Einfachwirkende Zylinder sind deshalb meist auf kurze Hübe ausgelegt, typisch bis etwa 100 mm.

Eine verwandte Bauform ist der Membranzylinder. Statt eines Kolbens mit Dichtungen wölbt sich hier eine elastische Membran unter Druck und schiebt einen Stößel vor. Das ist reibungsarm und dicht, eignet sich aber nur für sehr kurze Wege. Man findet diese Bauart zum Beispiel beim Spannen oder Klemmen.

Typische Einsätze für einfachwirkende Zylinder sind Aufgaben, bei denen nur in einer Richtung Kraft gebraucht wird: Werkstücke klemmen, Teile aus einer Form auswerfen, einen Stempel andrücken, eine Klappe zuhalten.

Beim doppeltwirkenden Zylinder wird abwechselnd beide Kolbenseiten mit Druckluft versorgt. Luft auf die Bodenseite schiebt den Kolben vor, Luft auf die Stangenseite zieht ihn wieder ein. Es gibt also keine Feder – die Kraft kommt in beide Richtungen aus der Druckluft. Das ist der mit Abstand häufigste Zylindertyp in der Automatisierung.

Der große Unterschied zum einfachwirkenden: Auch der Rückhub bringt Kraft, und der Hub ist nicht durch eine Feder begrenzt. Dafür braucht der Zylinder zwei Anschlüsse und ein Ventil, das die Luft zwischen beiden Seiten umschaltet.

Ein wichtiger point ist der Flächenunterschied zwischen den beiden Kolbenseiten. Auf der Bodenseite drückt die Luft auf die volle Kreisfläche des Kolbens. Auf der Stangenseite sitzt die Kolbenstange im Weg – dort wirkt die Luft nur auf die Ringfläche, also die Kolbenfläche minus die Stangenquerschnittsfläche. Weil die Fläche kleiner ist, ist die Kraft im Rückhub bei gleichem Druck immer kleiner als im Vorhub. Das muss man bei der Auslegung im Kopf behalten, gerade wenn auch beim Einfahren eine bestimmte Kraft gebraucht wird.

Am Hubende soll der Kolben nicht hart anschlagen. Dafür gibt es die Endlagendämpfung: Kurz vor der Endlage wird die abströmende Luft gedrosselt, ein kleines Luftpolster bremst den Kolben sanft ab. Bei vielen Zylindern ist diese Dämpfung über eine kleine Stellschraube einstellbar. Im Schema erkennt man die einstellbare Dämpfung am Pfeil durch das Drosselelement.

Eine Sonderform ist der Zylinder mit durchgehender Kolbenstange: Die Stange ragt auf beiden Seiten heraus. Dadurch sind beide Kolbenseiten gleich groß (beide haben eine Ringfläche), und die Kräfte in Vor- und Rückhub sind gleich. Außerdem ist die Stange beidseitig geführt, was sie gegen Verkanten stabiler macht.

Viele doppeltwirkende Zylinder haben einen Magnetkolben. Auf dem Kolben sitzt ein Ringmagnet, dessen Feld von außen am Rohr durch einen Näherungsschalter (Reedkontakt oder magnetfeldempfindlicher Sensor) abgefragt werden kann. So meldet der Zylinder seine Endlagen an die Steuerung, ohne dass das Rohr durchbohrt werden muss. Im Schema steht ein kleines Magnet-Symbol am Kolben für diese Abfragemöglichkeit.

Neben der Grundunterscheidung einfach- oder doppeltwirkend gibt es eine Reihe von Bauformen, die für bestimmte Einbausituationen entwickelt wurden. Die wichtigsten im Überblick.

Der Normzylinder hat genormte Anschluss- und Befestigungsmaße nach ÖNORM EN ISO 15552. Der Vorteil: Zylinder verschiedener Hersteller sind austauschbar, was Ersatzteilhaltung und Konstruktion vereinfacht. Das ist die Standardbauform für mittlere bis größere Aufgaben.

Der Kompakt- oder Kurzhubzylinder ist axial sehr kurz gebaut. Wo wenig Einbautiefe vorhanden ist, aber trotzdem eine ordentliche Kraft auf kurzem Weg gebraucht wird, ist das die Lösung – etwa beim Spannen in engen Vorrichtungen.

Der kolbenstangenlose Zylinder überträgt die Bewegung nicht über eine herausragende Stange, sondern über einen Schlitten, der außen am Rohr mitläuft (mechanisch oder magnetisch gekoppelt). Dadurch baut er auf langer Hublänge sehr kompakt, weil keine Stange hinten herausfährt. Man setzt ihn bei langen Verfahrwegen ein, etwa zum Transportieren über einen Meter und mehr.

Der Tandem- oder Mehrstellungszylinder verbindet zwei Kolben auf einer Stange (Tandem, für höhere Kraft) oder zwei Zylinder hintereinander, die mehrere definierte Positionen anfahren können (Mehrstellung).

Drehzylinder und Schwenkantriebe wandeln Druckluft in eine begrenzte Drehbewegung um, etwa zum Schwenken eines Greifarms. Pneumatische Greifer sind eine eng verwandte Bauform, bei der zwei Backen synchron öffnen und schließen. Beide sind eigene größere Themen und hier nur der Vollständigkeit halber genannt.

Wie ein Zylinder eingebaut wird, bestimmt die Befestigungsart. Die gängigen Varianten:

Die Befestigungsart ist nicht nur eine Montagefrage – sie entscheidet mit über die Knickgefahr der Kolbenstange. Eine ausgefahrene Stange unter Druck verhält sich wie ein langer, schlanker Stab unter Last: Ab einer bestimmten Länge knickt sie seitlich aus, statt nur Kraft zu übertragen. Wie kritisch das ist, hängt vom Knickfall ab, und der ergibt sich aus der Einspannung – also aus der Befestigung. Eine beidseitig starr eingespannte Anordnung (z. B. Flansch hinten, Führung der Last vorne) hält viel mehr aus als eine, die nur hinten schwenkbar gelagert ist und vorne frei steht. Faustregel für die Praxis: Je länger der Hub und je schlanker die Stange, desto eher braucht es eine zusätzliche Führung oder eine steifere Befestigung. Bei kolbenstangenlosen Zylindern entfällt dieses Problem, weil es keine frei ausfahrende Stange gibt – die Last wird über einen geführten Schlitten getragen.

Jetzt zum Rechnen. Die zentrale Größe ist die Kolbenkraft. Sie folgt direkt aus dem Zusammenhang Druck mal Fläche:

In der Praxis rechnet man oft mit Druck in bar und Fläche in cm², dann muss man auf saubere Einheiten umrechnen (1 bar = 100000 Pa, 1 cm² = 0,0001 m²). Im Calculator weiter unten ist das schon berücksichtigt; in den Aufgaben rechnen wir konsequent in SI-Einheiten.

Die wirksame Fläche ist im Vorhub die volle Kreisfläche des Kolbens:

Im Rückhub zieht die Stange einen Teil der Fläche ab. Übrig bleibt die Ringfläche:

Die so berechnete Kraft ist die theoretische Kolbenkraft. In Wirklichkeit gehen durch Reibung an Kolben- und Stangendichtung einige Prozent verloren. Man rechnet deshalb mit einem Wirkungsgrad von etwa 0,85 bis 0,9, um die nutzbare Kraft abzuschätzen:

Der zweite wichtige Auslegungswert ist der Luftverbrauch. Pro Hub füllt der Zylinder ein Volumen, das sich aus Kolbenfläche mal Hub ergibt. Dieses Volumen liegt aber unter Betriebsdruck – um den Verbrauch mit anderen Werten vergleichen zu können, rechnet man auf das Normvolumen (Volumen bei Umgebungsdruck) um. Dazu wird mit dem Verdichtungsverhältnis multipliziert, also mit dem Verhältnis aus absolutem Betriebsdruck zu Umgebungsdruck:

Mit die Zahl der Doppelhübe pro Minute ergibt sich daraus der Verbrauch pro Minute – die Größe, nach der man Kompressor und Leitungen auslegt. Für eine erste Abschätzung rechnet man oft mit der Vollfläche für beide Hubrichtungen; genauer wäre es, Vorhub mit Voll- und Rückhub mit Ringfläche zu rechnen. Für den Umgebungsdruck verwenden wir durchgehend den gerundeten Praxiswert von 1,0 bar (100000 Pa).

Die Knickung der Kolbenstange begrenzt zusätzlich, wie viel Druckkraft man bei langem Hub überhaupt fahren darf. Den mechanischen Hintergrund dazu haben wir in Kapitel 4 bei den Befestigungsarten behandelt: Der zulässige Wert hängt von Stangenlänge, Stangendurchmesser und Einspannung ab. Rechnerisch heißt das, dass die nach F = p · A mögliche Kraft nicht immer voll genutzt werden kann – bei sehr langen, schlanken Stangen ist die Knicklast die eigentliche Grenze.