Pneumatikzylinder

Ein Pneumatikzylinder , auch Luftzylinder genannt , ist ein mechanisches Gerät , das die Kraft von komprimiertem Gas nutzt, um eine Kraft in einer hin- und hergehenden linearen Bewegung zu erzeugen. ^{[ 1 ] : 85}

Ähnlich wie bei einem Hydraulikzylinder wird ein Kolben durch eine Kraft in die gewünschte Richtung bewegt. Der Kolben ist eine Scheibe oder ein Zylinder, und die Kolbenstange überträgt die erzeugte Kraft auf das zu bewegende Objekt. ^{[ 1 ] : 85} Ingenieure bevorzugen mitunter Pneumatik, da diese leiser und sauberer arbeitet und weniger Platz für die Flüssigkeitsspeicherung benötigt.

Da das Betriebsmedium ein Gas ist, kann aus einem pneumatischen Zylinder keine Flüssigkeit austreten und die Umgebung verunreinigen. Daher ist Pneumatik besonders dort von Vorteil, wo Hygiene wichtig ist. Beispielsweise wird in den mechanischen Puppen der Disney Tiki Room Pneumatik eingesetzt, um zu verhindern, dass Flüssigkeit auf die Personen unter den Puppen tropft.

Nach der Betätigung strömt Druckluft in das Rohr an einem Ende des Kolbens und übt eine Kraft auf den Kolben aus. Dadurch wird der Kolben verschoben.

Pneumatische Systeme finden sich häufig in Umgebungen, in denen selbst seltene und kurzzeitige Systemausfälle inakzeptabel sind. In solchen Situationen können Verriegelungen als Sicherheitsmechanismus bei Ausfall der Luftzufuhr (oder Druckabfall) dienen und so etwaige Schäden beheben oder mindern. Luftverluste am Ein- oder Ausgang reduzieren den Ausgangsdruck.

Pneumatikzylinder unterscheiden sich zwar in Aussehen, Größe und Funktion, lassen sich aber im Allgemeinen einer der unten aufgeführten Kategorien zuordnen. Darüber hinaus gibt es zahlreiche weitere Arten von Pneumatikzylindern, von denen viele für spezifische und spezielle Anwendungen entwickelt wurden.

Ein einfachwirkender Zylinder (SAC) besitzt eine Öffnung, durch die Druckluft einströmen kann und die Kolbenstange sich nur in eine Richtung bewegt. Der hohe Druck der Druckluft bewirkt, dass sich die Kolbenstange ausdehnt, während sich der Zylinderraum weiter füllt. Sobald die Druckluft durch dieselbe Öffnung austritt, kehrt die Kolbenstange in ihre Ausgangsposition zurück.

Doppeltwirkende Zylinder (DAC) nutzen die Kraft der Luft für Aus- und Einfahrbewegungen. Sie verfügen über zwei Lufteinlässe, einen für den Ausfahr- und einen für den Einfahrhub. Die Hublänge ist bei dieser Bauart nicht begrenzt, die Kolbenstange ist jedoch anfälliger für Knicken und Verbiegen. Zusätzliche Berechnungen sind erforderlich. ^{[ 1 ] : 89}

Teleskopzylinder, auch bekannt als Teleskopzylinder, können einfach- oder doppeltwirkend sein. Der Teleskopzylinder besteht aus einer Kolbenstange, die in mehreren Hohlsegmenten mit zunehmendem Durchmesser angeordnet ist. Beim Betätigen fährt die Kolbenstange mit jedem nachfolgenden Segment als segmentierter Kolben aus. Der Hauptvorteil dieser Konstruktion liegt im deutlich größeren Hub im Vergleich zu einem einstufigen Zylinder gleicher Länge im eingefahrenen Zustand. Ein Nachteil von Teleskopzylindern ist die erhöhte Gefahr der Kolbenbiegung aufgrund der segmentierten Kolbenkonstruktion. Daher werden Teleskopzylinder hauptsächlich in Anwendungen eingesetzt, bei denen der Kolben nur geringen Seitenkräften ausgesetzt ist. ^{[ 2 ]}

Obwohl SACs und DACs die gebräuchlichsten Arten von Pneumatikzylindern sind, sind die folgenden Typen nicht besonders selten: ^{[ 1 ] : 89}

• Durchgehende Kolbenstangen-Luftzylinder: Die Kolbenstange erstreckt sich durch beide Seiten des Zylinders, wodurch auf beiden Seiten gleiche Kräfte und Geschwindigkeiten möglich sind.
• Luftzylinder mit Dämpfung am Zylinderende: Zylinder mit geregelter Luftabfuhr, um Stöße zwischen Kolbenstange und Zylinderenddeckel zu vermeiden.
• Drehluftzylinder: Aktuatoren, die mit Druckluft eine Drehbewegung erzeugen.
• Kolbenstangenlose Luftzylinder: Diese Zylinder besitzen keine Kolbenstange. Es handelt sich um Aktuatoren, die mittels einer mechanischen oder magnetischen Kupplung Kraft ausüben, typischerweise auf einen Tisch oder einen anderen Körper, der sich entlang der Längsachse des Zylinderkörpers bewegt, aber nicht darüber hinausragt.
• Tandem-Luftzylinder: zwei in Reihe geschaltete Zylinder.
• Schlagluftzylinder: Hochgeschwindigkeitszylinder mit speziell entwickelten Endkappen, die dem Aufprall ausfahrender oder einfahrender Kolbenstangen standhalten.

Kolbenstangenlose Zylinder besitzen keine Kolbenstange, sondern nur einen relativ langen Kolben. Seilzugzylinder weisen an einem oder beiden Enden Öffnungen auf, führen aber anstelle einer Kolbenstange ein flexibles Seil. Dieses Seil ist mit einem glatten Kunststoffmantel zur Abdichtung versehen. Ein einzelnes Seil muss unter Spannung gehalten werden. ^{[ 3 ]} Andere kolbenstangenlose Zylinder sind an beiden Enden verschlossen und koppeln den Kolben entweder magnetisch oder mechanisch mit einem Aktor, der außen am Zylinder entlangläuft. Bei der magnetischen Variante ist der Zylinder dünnwandig und aus einem nichtmagnetischen Material gefertigt; er selbst ist ein starker Magnet und zieht einen magnetischen Läufer an der Außenseite mit.

Bei der mechanischen Ausführung ragt ein Teil des Zylinders durch einen Längsschlitz nach außen. Dieser Schlitz ist innen (um Gasaustritt zu verhindern) und außen (um Verunreinigungen zu vermeiden) mit flexiblen Metalldichtungsbändern abgedichtet. Der Kolben selbst besitzt zwei Enddichtungen und dazwischen Nockenflächen, die die Dichtungen vor dem vorstehenden Gestänge ablösen und dahinter wieder anbringen. Das Innere des Kolbens steht somit unter Atmosphärendruck . ^{[ 4 ]}

Eine bekannte Anwendung des mechanischen Typs (wenn auch dampfbetrieben) sind die Katapulte, die auf vielen modernen Flugzeugträgern eingesetzt werden .

Je nach Stellenbeschreibung stehen verschiedene Karosserieformen zur Verfügung: ^{[ 1 ] : 91}

• Zugstangenzylinder : Die gebräuchlichste Zylinderkonstruktion, die für viele Lastarten geeignet ist. Sie gilt als die sicherste Bauform.
• Flanschzylinder: An den Enden des Zylinders werden feste Flansche angebracht; diese Bauform ist jedoch eher bei Hydraulikzylindern anzutreffen.
• Einteilig geschweißte Zylinder: Die Enden werden an das Rohr geschweißt oder verpresst; diese Bauform ist kostengünstig, macht den Zylinder jedoch unbrauchbar für Reparaturen.
• Zylinder mit Gewindeenden: Die Enden werden auf den Rohrkörper geschraubt. Die Materialreduzierung kann das Rohr schwächen und zu Problemen mit der Gewindekonzentrizität im System führen.

Das Material kann je nach Auftragsbeschreibung ausgewählt werden. Die Materialpalette reicht von vernickeltem Messing über Aluminium bis hin zu Stahl und Edelstahl . Abhängig von den geforderten Belastungen, der Luftfeuchtigkeit, der Temperatur und den Hublängen kann das geeignete Material ausgewählt werden. ^{[ 5 ]}

Je nach Einsatzort und Bearbeitbarkeit gibt es verschiedene Arten von Halterungen zur Befestigung von Pneumatikzylindern: ^{[ 1 ] : 95}

Pneumatikzylinder sind in verschiedenen Größen erhältlich und reichen von kleinen 2,5-mm-Zylindern ( 1/10 Zoll ), die beispielsweise zum Aufnehmen kleiner Transistoren oder anderer elektronischer Bauteile verwendet werden, bis hin zu Zylindern mit 400 mm Durchmesser (16 Zoll) ,  die genügend Kraft aufbringen, um ein Auto anzuheben. Einige Pneumatikzylinder erreichen sogar einen Durchmesser von 1000 mm (39 Zoll) und werden in speziellen Fällen, in denen austretendes Hydrauliköl eine extreme Gefahr darstellen könnte, anstelle von Hydraulikzylindern eingesetzt.

Aufgrund der auf den Zylinder wirkenden Kräfte ist die Kolbenstange das am stärksten beanspruchte Bauteil und muss so konstruiert sein, dass sie hohen Biege-, Zug- und Druckkräften standhält. Die Berechnung der Spannungen hängt von der Länge der Kolbenstange ab. Ist die Stangenlänge weniger als das Zehnfache ihres Durchmessers, kann sie als starrer Körper betrachtet werden, auf den Druck- oder Zugkräfte wirken. In diesem Fall gilt folgender Zusammenhang:

${\displaystyle F=A\sigma }$

Wo:

${\displaystyle F}$ist die Druck- oder Zugkraft

${\displaystyle A}$ist die Querschnittsfläche der Kolbenstange

${\displaystyle \sigma }$ist der Stress

Ist die Länge des Stabes jedoch größer als das Zehnfache seines Durchmessers, so muss der Stab wie eine Säule behandelt und die Knickfestigkeit berechnet werden. ^{[ 1 ] : 92}

Obwohl der Kolbendurchmesser und die vom Zylinder ausgeübte Kraft zusammenhängen , sind sie nicht direkt proportional . Zudem setzt die übliche mathematische Beziehung zwischen den beiden voraus, dass die Luftzufuhr nicht gesättigt ist . Aufgrund der durch die Kolbenstangenfläche verringerten effektiven Querschnittsfläche ist die Kraft beim Einfahren geringer als die Kraft beim Ausfahren, wenn beide pneumatisch und mit derselben Druckgaszufuhr betrieben werden.

Der Zusammenhang zwischen Kraft, Radius und Druck kann aus einer einfachen Gleichung für verteilte Lasten abgeleitet werden: ^{[ 6 ]}

${\displaystyle F_{r}=PA_{e}}$

Wo:

${\displaystyle F_{r}}$ist die resultierende Kraft

${\displaystyle P}$ist der Druck oder die verteilte Last auf der Oberfläche

${\displaystyle A_{e}}$ist die effektive Querschnittsfläche, auf die die Last wirkt.

Unter Verwendung der bereitgestellten Gleichung für die verteilte Last kann die Fläche des Kolbens, auf der der Druck wirkt, durch die Fläche des Kolbens ersetzt werden. ${\displaystyle A_{e}}$

${\displaystyle F_{r}=P(\pi r^{2})}$

Wo:

${\displaystyle F_{r}}$stellt die resultierende Kraft dar

${\displaystyle r}$stellt den Radius des Kolbens dar

${\displaystyle \pi }$ist Pi , ungefähr gleich 3,14159.

Beim Einwärtshub gilt dasselbe Verhältnis zwischen Kraft, Druck und effektiver Querschnittsfläche wie oben für den Auswärtshub beschrieben. Da die Querschnittsfläche jedoch kleiner als die Kolbenfläche ist, ändert sich das Verhältnis zwischen Kraft, Druck und Radius . Die Berechnung ist dennoch nicht komplizierter, da die effektive Querschnittsfläche lediglich der Kolbenoberfläche abzüglich der Querschnittsfläche der Kolbenstange entspricht.

Für den Einwärtshub gilt daher folgendes Verhältnis zwischen der ausgeübten Kraft, dem Druck, dem Radius des Kolbens und dem Radius der Kolbenstange:

${\displaystyle F_{r}=P(\pi r_{1}^{2}-\pi r_{2}^{2})=P\pi (r_{1}^{2}-r_{2}^{2})}$

Wo:

${\displaystyle F_{r}}$stellt die resultierende Kraft dar

${\displaystyle r_{1}}$stellt den Radius des Kolbens dar

${\displaystyle r_{2}}$stellt den Radius der Kolbenstange dar

${\displaystyle \pi }$ist Pi , ungefähr gleich 3,14159.

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