So bauen Sie einen besseren Pneumatikzylinder

Rob Spiegel | Feb 17, 2021

Ein stangenloser Zylinder ist eine pneumatische Komponente, die eine Last mit Druckluft auf einem linearen Weg bewegen kann. Der herkömmliche Pneumatikzylinder verwendet eine Stange, um die Last vom Kolben zu drücken oder vom Kolben zu ziehen, aber ein stangenloser Zylinder bewegt die Last entlang des Kolbens. Dies bietet den Vorteil, dass die gleiche Hublänge auf weniger Raum zur Verfügung steht, dass bei hohen Lasten oder langen Hüben kein Knicken der Stange zu befürchten ist und dass in beide Richtungen die gleiche Kraft abgegeben wird. Der stangenlose Zylinder wird üblicherweise für Anwendungen wie Materialhandhabung, Laden, Heben, Bahnschneiden usw. verwendet. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel eines stangenlosen Zylinders.

Wir haben uns an Gary Rosengren, den technischen Leiter von Tolomatic, gewandt, um Anweisungen zum Bau eines effektiven Pneumatikzylinders zu erhalten.

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Design News: Wozu dient der Zylinder?

Gary Rosengren : Pneumatikzylinder werden seit langem in der Industrie eingesetzt. Anwendungen wie Heben, Schieben, Drücken und Ausgleichen sind gängige Anwendungsfälle für Pneumatikzylinder. Während Stangenzylinder in großer Zahl häufiger anzutreffen sind, füllen stangenlose Pneumatikzylinder eine interessante und wertvolle Nische. Kolbenstangenlose Pneumatikzylinder bieten Platzeinsparungen und in manchen Fällen die Möglichkeit, eine Last zu führen und zu stützen. Kolbenstangenlose Zylinder zeichnen sich dadurch aus, dass ihr Hub oder Weg innerhalb ihrer Gesamtlänge begrenzt ist. Dieser Zylindertyp eignet sich daher für Anwendungen, bei denen der Platz begrenzt ist oder bei denen es vorteilhaft ist, die Fähigkeit des Zylinders zum Tragen einer Last zu nutzen, wodurch die Notwendigkeit von in die Maschinenstruktur eingebauten Führungssystemen entfällt.

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Der Dichtungsstreifen muss in der Lage sein, den Schlitz am stangenlosen Zylinder abzudichten, aber auch flexibel genug, dass er durch den Kolben geführt werden kann.

DN: Wie ist der Prozess?es zu entwerfen?

Gary Rosengren : Die Entwicklung eines stangenlosen Pneumatikzylinders beginnt mit der Festlegung eines Anwendungsfalls oder einer Fähigkeit, die dann Erkenntnisse über die Größe, Kraft und manchmal auch die Tragfähigkeit liefert. Die Kraft ist eine Funktion des Bohrungsdurchmessers und der wirksamen Fläche. Die Tragfähigkeit hängt von der Struktur des Zylinderrohrs und den Lagerelementen ab.

Die Konstruktion des kolbenstangenlosen Pneumatikzylinders beginnt mit dem Bedienkonzept. Die drei Hauptbetriebskonzepte sind Kabeltyp, magnetisch gekoppelter Typ und Schlitztyp. Der gebräuchlichste dieser drei Typen ist der Schlitztyp. In dieser Konfiguration wird der Ingenieur als ersten Teil des Prozesses überlegen, wie das Zylinderrohr oder -rohr hergestellt werden soll. Beim geschlitzten stangenlosen Pneumatikzylinder ist der Zylinderzylinder oder das Zylinderrohr mit einem Schlitz versehen, der sich über die gesamte Länge des Zylinders erstreckt.

Dieser Schlitz wird letztendlich durch ein flexibles Dichtungselement wie Polyurethan oder Stahlband oder -band abgedichtet, das den Druckbehälter bildet. Dieser Dichtstreifen muss in der Lage sein, den Schlitz abzudichten, aber auch flexibel genug, um ihn durch den Kolben führen zu können. Für eine effektive Abdichtung und langfristige Leistung muss der Dichtstreifen außerdem präzise mit dem Zylinderrohr interagieren. Die meisten stangenlosen Pneumatikzylinder dieses Typs verfügen außerdem über einen Dichtungsstreifen an der Außenfläche des Schlitzes, um zu verhindern, dass Umweltverschmutzungen in das Innere des Zylinders gelangen, was möglicherweise den Verschleiß beschleunigt und zu übermäßiger Leckage führt.

Der kundenseitige Befestigungspunkt wird über eine Halterung am Joch, die durch den Schlitz im Zylinderrohr verläuft, direkt am Zylinderkolben befestigt. Da das Strangpressen von Aluminium eine gängige Methode zur Formung des Zylinderlaufs ist, muss der Ingenieur über gute Kenntnisse des Strangpressverfahrens und seiner Möglichkeiten verfügen. Oberflächenbeschaffenheiten und Oberflächenbeschichtungen beeinflussen die Leistung und Langlebigkeit des Zylinders und müssen entsprechend entworfen und spezifiziert werden.

DN: Um welche Art von Technik handelt es sich?

Gary Rosengren : Für die Bestimmung der Struktur und der verschiedenen Schnittstellen innerhalb des Zylinders sind Disziplinen der Maschinenbaukonstruktion erforderlich. Der Ingenieur ist dafür verantwortlich, die Festigkeit der verschiedenen Komponenten zu bestimmen, um strukturelle Ausfälle und Luftlecks zu verhindern. Wenn eine Lasttragfähigkeit erforderlich ist, wählt der Ingenieur entsprechend dem angestrebten Anwendungsfall oder der gewünschten Anwendung Lagerelemente in geeigneter Größe aus. Da pneumatische kolbenstangenlose Zylinder häufig in Anwendungen mit hoher Auslastung eingesetzt werden, muss der Konstrukteur die Materialien für das Verschleißelement wie Kolbendichtungen und zugehörige Materialien verstehen und richtig auswählen, um eine Langlebigkeit zu gewährleisten.

Die Untersuchung der Schmierung (Tribologie) kann auch dann von Nutzen sein, wenn der Anwendungsfall oder die Anwendung auf extreme oder ungewöhnliche Umgebungsbedingungen wie sehr warme oder sehr kalte Umgebungsbedingungen schließen lässt. Fertigungstechnische Disziplinen werden eingesetzt, um sicherzustellen, dass die Fabrik das Design zuverlässig und wiederholt produzieren kann. Leistungs- und Lebensdauertests sind ein wertvoller Teil des Entwicklungsprozesses, um sicherzustellen, dass Spezifikationen erreicht werden, und um potenzielle oder unvorhergesehene Probleme zu beheben.

DN: Was sind die Herstellungsschritte?

Gary Rosengren : Das Herzstück des kolbenstangenlosen Pneumatikzylinders ist das Zylinderrohr bzw. Zylinderrohr. Diese Hauptkomponente wird häufig im Aluminium-Strangpressverfahren hergestellt. Beim Extrusionsprozess entsteht ein sehr langes Teil, das anschließend zur Korrosions- und Verschleißfestigkeit plattiert oder eloxiert wird. Sobald das Teil plattiert oder eloxiert ist, muss es für jeden einzelnen Hub auf die richtige Länge zugeschnitten werden. Beim kolbenstangenlosen Pneumatikzylinder sind die Hublängen nur durch die Länge des extrudierten Zylinderrohrs begrenzt. Der Dichtungsstreifen besteht aus extrudiertem Kunststoff. Handelt es sich bei dem Dichtungsband um Metall, erfolgt die Herstellung aus dem entsprechenden Material durch Schlitz- und/oder Schleifverfahren.

Der Dichtstreifen und der Zylinderkolben mit den Kolbendichtungen werden zusammen mit dem vorgeschriebenen Schmiermittel in den Lauf eingebaut. Endkappen dichten jedes Ende ab und stellen Einlass- und Auslassöffnungen bereit, was bedeutet, dass der Dichtungsstreifen und manchmal auch Montageflächen am Zylinderrohr befestigt werden. Endkappen können aus dem Barren gegossen oder bearbeitet werden. Die meisten kolbenstangenlosen Pneumatikzylinder verwenden Endkappen aus Aluminium. Wenn die Zylinderkonfiguration integrierte Lagerelemente erfordert, werden diese typischerweise direkt am Zylinderrohr montiert und mit dem Kolben verbunden oder daran befestigt. Durch die abschließende Prüfung wird sichergestellt, dass der Zylinder gemäß den Spezifikationen gebaut wurde und bei Anwendung von Druckluft ordnungsgemäß funktioniert.

DN: Was sinddie Qualitätssicherungen auf dem Weg?

Gary Rosengren : Um die Konformität mit den Spezifikationen sicherzustellen, muss jede Hauptkomponente oder jeder Hauptprozess mehrere Analysephasen mit Tools wie FMEAs und/oder der 6-Sigma-Methodik durchlaufen. Diese Tools helfen dabei, die kritischen Qualitätsmerkmale und Prozessfähigkeiten zu identifizieren. Daten aus der Verwendung dieser Tools und Methoden werden an die Lieferanten der Hauptkomponenten weitergegeben, um ihnen bei der Überwachung und Verbesserung ihrer Prozesse zu helfen.

Für die Hauptzylinderrohrkomponente wird bei jeder Materialcharge eine Prüfung kritischer Merkmale wie Oberflächenbeschaffenheit und Beschichtungsdicke durchgeführt. Abhängig von der Fertigungsumgebung können bei anderen Komponenten während der Produktion kritische Parameter überprüft werden. Bei der Endmontageprüfung werden die Gesamtkonformität, die allgemeine Leistung und die Funktionalität von zusätzlichem oder optionalem Zubehör bewertet. Die abschließende Montageprüfung umfasst in der Regel die Überprüfung der Leckage, der Laufruhe und der Funktion des Zubehörs für jeden Zylinder, um die allgemeine Übereinstimmung mit den Spezifikationen sicherzustellen.

Rob Spiegel berichtet seit 19 Jahren über die Fertigung, davon 17 Jahre für Design News. Weitere Themen, die er behandelt hat, sind Automatisierung, Lieferkettentechnologie, alternative Energien und Cybersicherheit. Zehn Jahre lang war er Inhaber und Herausgeber des Lebensmittelmagazins Chile Pepper.

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