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 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.

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.

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.

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.

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.

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:

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

Druckluft immer mit der günstigsten Energieversorgung erzeugen

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.

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Zu den wesentlichen Vorteilen von Pneumatikzylindern gehören:

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.

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

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