So spezifizieren Sie Pneumatikzylinder

Im Einfahrmodus kann der Luftdruck nur auf einen Teil des Kolbens wirken, da die Stange den Mittelteil des Kolbens blockiert. Foto mit freundlicher Genehmigung von Fabco-Air Inc.

Seilzugzylinder können Hübe von mehr als 25 Fuß haben und können entfernt von der Arbeitslast aufgestellt werden. Foto mit freundlicher Genehmigung von Fabco-Air Inc.

Ein magnetisch gekoppelter bzw. kolbenstangenloser Zylinder kann eine Hublänge von bis zu 1 Millimeter haben. Foto mit freundlicher Genehmigung von Fabco-Air Inc.

Für viele Kurzhubzylindermodelle ist eine starre Durchgangslochmontage verfügbar. Es verfügt über durch den Zylinderkörper gebohrte Senklöcher für eine einfache Montage mit Innensechskantschrauben. Foto mit freundlicher Genehmigung von Fabco-Air Inc.

Eine am Zylinder befestigte hintere Gabelkopfhalterung würde das Schwenken ermöglichen, aber die seitliche Bewegung einschränken. Foto mit freundlicher Genehmigung von Fabco-Air Inc.

Bei Kurzhubzylindern ermöglichen Ösenhalterungen die Schwenkbewegung der Einheit. Foto mit freundlicher Genehmigung von Fabco-Air Inc.

NFPA-Standards bieten zahlreiche Montagemöglichkeiten für Pneumatikzylinder. Foto mit freundlicher Genehmigung von Fabco-Air Inc.

Dieser Kurzhub-Zugstangenzylinder besteht im Wesentlichen aus zwei Zylinderkörpern, die in einem einzigen Paket zusammengefasst sind. Ingenieure können gleiche oder unterschiedliche Hublängen angeben, um die Arbeitspositionen nach Bedarf festzulegen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Fabco-Air Inc.

Zwei Einstangenzylinder können mit angebrachten hinteren Endkappen zusammengebaut werden. Durch die Verankerung eines Stangenendes und das „Schwimmen“ des Zylinderkörpers können vier verschiedene Endpunkte erreicht werden. Foto mit freundlicher Genehmigung von Fabco-Air Inc.

Es gibt viele Möglichkeiten, die Kolbenstange am Drehen zu hindern. Dabei durchgreifen zwei im Inneren des Zylinders eingearbeitete Führungsstifte den Kolbenboden. Diese Stifte verhindern eine Drehung der Stange mit einer Toleranz von ±1 Grad. Foto mit freundlicher Genehmigung von Fabco-Air Inc.

Luftzylinder werden in verschiedenen Industriestandards angeboten. Innerhalb dieser Normen gibt es Luftzylinder in verschiedenen Formen, Größen und Typen. Darüber hinaus stehen zahlreiche optionale Features zur Verfügung.

Auf den ersten Blick können die Permutationen etwas überwältigend sein. Die gute Nachricht ist, dass jeder pneumatische Antriebstyp und jede Konfiguration seinen Platz in der heutigen Fabrikautomation hat.

Trotz der Vielzahl an Standardoptionen werden pneumatische Antriebe immer noch aufgrund ihrer Fähigkeit ausgewählt, eine bestimmte Funktion auszuführen. Die Einsatzmöglichkeiten für Luftzylinder sind endlos. Hier ein paar Beispiele:

Manchmal liegt die Anwendung außerhalb des Standardproduktangebots und nur ein kundenspezifischer Zylinder reicht aus. Die Entwicklung kundenspezifischer Luftzylinder kann jedoch oft teuer und zeitaufwändig sein.

Unabhängig davon, ob Sie einen Standardzylinder oder einen kundenspezifischen Zylinder benötigen, stellt dieser Schritt-für-Schritt-Prozess sicher, dass Ihre Zeit und Investition sinnvoll eingesetzt werden.

Um einen Luftzylinder für jede Anwendung richtig zu spezifizieren, müssen zwei Fragen beantwortet werden, bevor wir uns mit dem Kern der Konstruktion befassen. Welche Art von Arbeit wird es ausführen? Welche Zylindertypen stehen zur Auswahl? Für jede Anwendung stehen in der Regel mehrere Standardzylinder zur Verfügung, es gibt jedoch häufig Konstruktionsprobleme, die verhindern, dass eine Standardeinheit Ihren spezifischen Anforderungen entspricht. Bevor Sie sich mit den Einzelheiten Ihrer Anwendung befassen, sollten Sie sich mit den Grundlagen dessen vertraut machen, was Sie benötigen.

Um einen Zylinder richtig zu dimensionieren, müssen Sie bestimmen, wie viel Kraft er erzeugen muss. Wenn die Kraft bekannt ist, können Sie die Bohrungsgröße oder den Leistungsfaktor (effektive Kolbenfläche) des Zylinders mit der Gleichung bestimmen: Kraft = Luftdruck x Leistungsfaktor. Oder anders ausgedrückt: Leistungsfaktor = Kraft ÷ Luftdruck.

Bei dieser Berechnung haben wir keine Sicherheitsfaktoren berücksichtigt. Nehmen wir also als Ausgangspunkt einen Sicherheitsfaktor von 50 Prozent. Multiplizieren Sie daher den Leistungsfaktor mit 1,5 und verwenden Sie das Ergebnis, um die Zylinderbohrung aus der Gleichung zu berechnen: Leistungsfaktor x 1,5 = p (Bohrung)2 ÷ 4.

Du möchtest nicht Mathe machen? Keine Sorge. Zylinderkataloge enthalten in der Regel Kraftfaktortabellen, in denen die von verschiedenen Kolbengrößen bei verschiedenen Luftdrücken erzeugte Kraft aufgeführt ist.

Die beim Einfahren des Zylinders entstehende Zugkraft berücksichtigt den Durchmesser der Kolbenstange. Im Einfahrmodus kann der Luftdruck nur auf einen Teil des Kolbens wirken, da die Stange den Mittelteil des Kolbens blockiert. Somit errechnet sich der Leistungsfaktor für die Rückzugskraft aus der Kolbenfläche minus der Stangenfläche. Auch hier sind in Zylinderkatalogen typischerweise Stangenflächen aufgeführt, um Ihre Berechnungen der Zugkraftfaktoren zu beschleunigen.

Wenn Sie nicht genug Druck haben, um mit dem Zylinder mit der bevorzugten Bohrungsgröße die gewünschte Kraft zu erzeugen, müssen Sie auf ein größeres Gerät umsteigen. Dies wirkt sich auf die Paketgröße aus und kann zu Problemen mit dem Platzbedarf führen. Infolgedessen müssen Ingenieure möglicherweise einige Kompromisse eingehen.

Bei den meisten Anwendungen ist ein Schlaganfall eine Selbstverständlichkeit. Entscheiden Sie sich frühzeitig dafür, damit Sie bestimmen können, wie groß Ihr Paket sein wird, wenn es an der Zeit ist, sich mit der Montageart zu befassen.

Wie viel Schlaganfall benötigen Sie? Es kommt auf die Anwendung an. Das Schließen der Tür eines großen Ofens erfordert möglicherweise einen Hub von 15 Fuß. Das Anheben eines Stopptors auf einem Förderband erfordert möglicherweise nur eine Bewegung von 2 Zoll, wohingegen das Abschieben einer Last von einem Förderband möglicherweise 30 Zoll oder mehr erfordert. Das Setzen einer Niete würde überhaupt keinen großen Hub erfordern – höchstwahrscheinlich nur einen Bruchteil eines Zolls.

Was auch immer die Aufgabe ist, die Kenntnis des Hubs hilft dabei, den benötigten Zylindertyp und die für die Montage erforderliche Bauraumgröße zu bestimmen. Zu Diskussionszwecken können Zylinder nach ihrem Hub in vier Kategorien eingeteilt werden: Kurzhub, Mittelhub, Langhub und Spezialhub. Beachten Sie, dass sich einige Zylinder möglicherweise mit allen vier Kategorien überschneiden.

Kompakte Kurzhubzylinder sind in verschiedenen Gehäuseausführungen erhältlich und haben Hübe von nur 0,0625 Zoll und Bohrungen von nur 0,5 Zoll.

Mittelhubzylinder haben Hübe bis zu 36 Zoll. Diese Zugstangenzylinder sind beliebt für schnell reagierende, leichte Automatisierungsanwendungen. Die Aluminiumkonstruktion reduziert das Gewicht und senkt die Herstellungskosten.

NFPA-austauschbare Langhubzylinder können Hübe von bis zu 99 Zoll haben, eignen sich jedoch gut für Anwendungen, die Hübe von nur 4 Zoll erfordern. (NFPA steht für National Fluid Power Association. Diese Organisation hat Standards für alle Hersteller von Zugstangenzylindern festgelegt. Es wurden Montagevorschriften festgelegt, um sicherzustellen, dass alle Zylinder dieser Art, unabhängig von der Marke, in ihren Abmessungen austauschbar sind.)

Spezialhubzylinder können Hübe von mehr als 99 Zoll haben. Ein Beispiel sind Kabelzylinder verschiedener Hersteller. Bei diesem Zylindertyp kann eine Klemme über ein am Kolben des Zylinders befestigtes Kabel nach links oder rechts gezogen werden. Ein Kabelzylinder mit einem 15-Fuß-Hub könnte verwendet werden, um die zuvor erwähnte 15-Fuß-Ofentür zu steuern. Da das Kabel beliebig lang sein kann, kann der Zylinder überall dort montiert werden, wo es für Ihr Design geeignet ist – direkt am Ofen oder bei Bedarf quer durch den Raum.

Die Montage kann eine Herausforderung sein. An diesem Punkt ist es an der Zeit, zu bestimmen, wie Sie das Gerät montieren möchten und ob Sie über die richtige Struktur und den richtigen Platz dafür verfügen. Dies scheint ein grundlegendes Konzept zu sein, aber wenn Sie hier nicht planen, können Ihre Pläne schnell zunichte gemacht werden. Wenn Sie beispielsweise ein Gerät anflanschen möchten, aber ein Anschlussstück die Montagefläche behindert, müssen Sie möglicherweise das System für eine Bodenmontage umgestalten. In diesem Fall muss möglicherweise eine zusätzliche Platte hinzugefügt werden.

Hier ist eine Frage, die Ihnen dabei helfen soll, die Montage eines Zylinders zu bestimmen: Wird er eine Last linear schieben oder einen Kurbelarm drehen?

Zum Schieben, Ziehen oder Heben entlang einer geraden Linie sollte der Zylinder starr montiert sein. Sie können den Zylinder entweder durch Gewindelöcher im Boden mit Ihrer Ausrüstung verschrauben oder ihn auf die Seite stellen und die Schrauben in die Hülsenmutterhalterungen in der Endkappe einführen. Oder Sie können eine der 16 standardmäßigen, austauschbaren, starren Halterungen wählen, die von der NFPA festgelegt wurden.

Für viele Kurzhubzylindermodelle ist eine starre Durchgangslochmontage verfügbar. Es verfügt über durch den Zylinderkörper gebohrte Senklöcher für eine einfache Montage mit Innensechskantschrauben.

Wenn der Zylinder einen Kurbelarm drehen soll, muss er sich drehen. Eine am Zylinder befestigte hintere Gabelkopfhalterung ermöglicht das Schwenken, schränkt jedoch die seitliche Bewegung ein. Indem wir die Kurbel mit einer flexiblen Kupplung an der Kolbenstange befestigen, können wir die gewünschte Bewegung sicherstellen.

Kurzhubzylinder haben viele der gleichen Halterungen wie die großen Zylinder. Beispielsweise können Augenhalterungen an einem Rundkörper-Kurzhubgerät angebracht werden. Diese Halterungen bieten auch eine Drehpunktbefestigung, um eine Schwenkbewegung des Zylinders zu ermöglichen. Zur weiteren Unterstützung dieser Art von flexiblen Halterungen sind Stangengabelköpfe, Stangenösen und Montagehalterungen weit verbreitet.

Die meisten Zylindertypen haben Halterungen, die den NFPA-Halterungen ähneln, auch wenn es sich nicht um die Standard-Zugstangenkonstruktion handelt. Beispielsweise sind Zapfenhalterungen für Zylinder mit Edelstahlgehäuse erhältlich. Die Abmessungen unterscheiden sich von den NFPA-Halterungen, die Funktion ist jedoch gleich.

Ganz gleich, für welchen Zylindertyp Sie sich entscheiden, stöbern Sie gründlich in den Produktkatalogen, um die für Ihre Anwendung am besten geeignete Halterung zu finden.

Wenn Sie diese vorläufigen Fragen geklärt haben und festgestellt haben, dass ein Standardzylinder Ihre spezifischen Anforderungen nicht erfüllt, ist es an der Zeit, einen kundenspezifischen Zylinder in Betracht zu ziehen.

Beim Entwerfen eines kundenspezifischen Zylinders ist es einfacher, wenn Sie mit einer bestimmten Zylinderfamilie beginnen – z. B. NFPA-austauschbaren, kompakten oder nicht reparierbaren Zylindern –, die für Ihre Anwendung geeignet ist.

Ist die Anwendung robust? Ist genügend Platz vorhanden? Wenn ja, möchten Sie vielleicht mit einem Zylinder im NFPA-Stil beginnen.

Sind Immobilien teuer? Wenn ja, dann sind Sie möglicherweise gezwungen, mit einem kompakten Stil zu beginnen.

Ist der Preis das Hauptanliegen? Wenn ja, dann könnte ein nicht reparierbares Gerät Ihre erste Wahl sein.

Denken Sie daran, dass Sie mehrere Möglichkeiten haben. Sobald Sie den Stil des Zylinders festgelegt haben, können Sie sich an die Details Ihres Designs machen.

Sie wissen wahrscheinlich, wie Sie das Gerät montieren möchten. Ingenieure stellen oft fest, dass die Montage eines Zylinders ein spezielles Schraubenmuster oder einen Montagestil erfordert, der nicht dem Standard entspricht. In diesem Fall müssen Sie sich fragen, wie der Zylinder mit minimalen Kosten an das Muster angepasst werden kann. Müssen spezielle Teile hergestellt werden? Benötigt es spezielle Montageteile wie Platten, Flansche oder Halterungen?

Achtung: In Fällen, in denen die Halterung in Ihren Zylinder eingebaut oder speziell daran befestigt ist, erhöhen sich die Kosten und die Herstellungsvorlaufzeiten. Beispielsweise könnte die Nasenmontage die Herstellung einzigartiger Endkappen erfordern. Für integrierte Laschenbefestigungen könnten spezielle Strangpressteile, Schweißnähte oder andere kreative Befestigungskonzepte erforderlich sein. Gibt es anstelle von Ösen Platz zum Bohren und Gewindeschneiden der Endkappen (oder des Gehäuses) Ihres Zylinders mit speziellen unteren oder seitlichen Befestigungslöchern? Hätten Sie genug Gewindetiefe?

Jetzt möchten Sie sich mit den Bewegungselementen Ihres Zylinders befassen. Werden besondere Bewegungen, Abtastungen oder seitliche Belastungen ausgeübt, die besondere Modifikationen am Zylinder erfordern? Wenn ja, müssen Sie ihnen entgegenkommen.

Wenn die Last an einer Zwischenposition anhalten muss, haben Sie Glück. Mit einem einzigen Zylinder können Sie drei oder mehr Stangenpositionen erreichen! Viele Zylinderausführungen werden mit Optionen für drei Positionen angeboten. Es sind Kurzhub-Zugstangenzylinder erhältlich, bei denen es sich im Wesentlichen um zwei Zylinderkörper handelt, die in einem einzigen Paket kombiniert sind. Sie können gleiche oder unterschiedliche Hublängen angeben, um Ihre Arbeitspositionen nach Bedarf einzustellen.

Darüber hinaus sind zahlreiche Zylinderausführungen in Rücken-an-Rücken-Konfigurationen erhältlich, die eine Positionierung an bis zu vier Endpunkten ermöglichen. Wie der Name schon sagt, werden zwei Einstangenzylinder mit angebrachten hinteren Endkappen zusammengebaut. Durch die Verankerung eines Stangenendes und das „Schwimmen“ des Zylinderkörpers können vier verschiedene Endpunkte erreicht werden.

Für Anwendungen, bei denen Verdrehschutz und Registrierung entscheidend sind, gibt es Lösungen. Die Beibehaltung der festen Ausrichtung der Last kann auf verschiedene Arten erreicht werden. Bei einer bei Zugstangenzylindern verwendeten Methode verlaufen zwei im Zylinder eingebaute Führungsstifte durch den Kolbenkopf. Diese Führungsstifte verhindern eine Drehung der Stange mit einer Toleranz von ±1 Grad. Am Ende jedes Führungsstifts befindet sich eine Gummischeibe, um das Endspiel auszugleichen und die Stifte fest in den Präzisionsführungsstiftlöchern zu fixieren.

Da sich die Führungsstifte im Zylinder befinden, sind sie vor Umwelteinflüssen und physischen Beschädigungen geschützt und werden durch die Systemschmierung geschmiert. Sie benötigen keinen zusätzlichen Platz und lassen den Bereich am Stangenende frei für Anbauteile und Werkzeuge, je nach Bedarf Ihrer Anwendung.

Für eine Reihe von Kurzhubzylindermodellen sind auch interne Führungsstifte erhältlich.

Eine andere Lösung verwendet einen externen Führungsblock, der fest an der Kolbenstange befestigt ist. Eine am Führungsblock befestigte Führungswelle aus Stahl gewährleistet eine Verdrehsicherung von weniger als 0,8 Grad.

Zur Verdrehsicherung können auch Doppelkolbenstangen in den Zylinderkopf integriert werden. Die Stangen sind sicher am Kolben befestigt und von außen durch eine Werkzeugstange am Stangenende miteinander verbunden. Die Werkzeugleiste sorgt dafür, dass sich die Stangen im Tandem bewegen und bietet eine ideale Montagefläche für die für Ihre Anwendung erforderlichen Anbaugeräte. Die Werkzeugleiste ist mit Befestigungslöchern mit Gewinde oder optional mit Senkbohrungen ausgestattet.

Hubanpassungsarten können erforderlich sein, wenn sich der Hub entweder beim Ausfahren oder beim Einfahren der Einheit ändern kann.

Eine in der hinteren Endkappe montierte Einstellschraube mit gewindedichtender Kontermutter ermöglicht eine einfache und dennoch robuste Einstellung des Zylinderhubs in Einfahrrichtung. Ein Feingewinde an der Einstellschraube sorgt für eine präzise Einstellung. Für viele Zylindertypen werden optional einstellbare Einfahrhübe angeboten.

Es ist auch möglich, das hintere Ende eines Doppelstangenzylinders zu verwenden, um den Ausfahrhub einzustellen. Ein Anschlagkragen, ein Stoßfänger und eine Art Prallplatte könnten Abhilfe schaffen. Seien Sie bei diesem Ansatz jedoch vorsichtig und ziehen Sie eine Sicherheitsabdeckung in Betracht, um zu vermeiden, dass die Quetschstelle freiliegt!

Der Bedarf an Sensoren kann oft zu einer Änderung des Zylinderdesigns führen, je nachdem, welcher Sensortyp benötigt wird. Beim herkömmlichen elektronischen Schalten müssen dem Kolben Magnete hinzugefügt werden. Näherungsschalter erfordern möglicherweise interne oder externe Änderungen am Zylinder, damit die Messsonden Ziele haben, die sie lesen können. Für Wandler können auch verschiedene interne oder externe Änderungen an einer Einheit erforderlich sein.

Seitenlasten deuten aufgrund des Verschleißes, der bei der Bewegung des Zylinders entsteht, häufig darauf hin, dass Elemente wie Anschlagrohre oder schwerere Buchsen erforderlich sind.

Zylinderkolbenstangen werden durch ein Lager im vorderen Kopf des Zylinders getragen und der Kolben selbst läuft innerhalb der Zylinderwände. Wenn die Stange ihre volle Streckung erreicht, wird der Abstand zwischen den Stützflächen kürzer. Die Kolbenstangenbaugruppe neigt dazu, sich zu verkanten, was zu ungleichmäßigem Verschleiß der Lagerflächen und einer Verkürzung der Lebensdauer der Dichtung führt.

Eine Lösung des Problems besteht darin, ein internes Stopprohr zu installieren. Das Anschlagrohr verhindert, dass der Kolben den vorderen Kopf erreicht, wodurch der Mindestabstand zwischen den Stützpunkten vergrößert wird. Der Komponentenverschleiß wird reduziert und die Lebensdauer des Zylinders verlängert.

Um jedoch den gleichen Arbeitshub beizubehalten, muss die Länge des Zylinderkörpers um die Länge des Anschlagrohrs vergrößert werden. Der Umgang mit der erhöhten Paketgröße kann Probleme bereiten.

Wenn Sie Platz zur Verfügung haben, bietet Ihnen ein Doppelstangenzylinder die beste Unterstützung für die Kolbenstangenbaugruppe. Stangenlager in beiden Endkappen reduzieren die Belastung des Kolbens. Diese Konstruktion gewährleistet außerdem einen maximalen Abstand zwischen den Stützpunkten.

Zuletzt kommen wir zur Umwelt. Externe Probleme sollten zuerst angegangen werden, bevor interne Probleme berücksichtigt werden.

Äußere Probleme sind Gegenstände, die die Außenseite des Zylinders beschädigen. Bestimmte „Wash-Down“- oder Nassumgebungen erfordern häufig Materialänderungen an den Grundkomponenten des Zylinders. Endkappen, Rohre, Spurstangen und andere Teile müssen möglicherweise aus Edelstahl oder einer speziellen Kunststoffart bestehen. Anstelle von Materialänderungen kann ein chemischer Beschichtungsprozess erforderlich sein, um den Zylinder in einer rauen Umgebung zu verwenden.

Hitze kann ein weiteres externes Problem sein, das wesentliche Änderungen erfordert.

Zu den internen Problemen zählen die zum Betrieb des Zylinders verwendeten Flüssigkeiten und Verunreinigungen, die in den Zylinder gelangen könnten.

Wenn zum Betrieb des Zylinders andere Flüssigkeiten als Luft erforderlich sind, sind möglicherweise Dichtungswechsel erforderlich.

Wenn abrasive Materialien in das Gerät gelangen könnten, sind möglicherweise Stabwischer oder Schaber erforderlich. Äußere Chemikalien können auch die internen Komponenten beeinträchtigen. Möglicherweise müssen auch Dichtungsmaterialien geändert werden.

Spezielle Zylinderanwendungen können recht kompliziert sein. Indem Sie den Zylinderherstellern jedoch Antworten auf diese Fragen geben, unterstützen Sie sie erheblich bei ihren Bemühungen, genau das zu liefern, was Sie benötigen.

Bedenken Sie, dass jede Abweichung vom Standardprodukt dazu führen kann, dass spezielle Teile hergestellt, gekauft oder konstruiert werden müssen. Wenn Sie über Ihr nächstes Designprojekt nachdenken, würde ich Ihnen empfehlen, es nach Möglichkeit in ein Standardprodukt zu integrieren. Je weniger Teile gegenüber einem Standardprodukt geändert werden müssen, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Kosten steigen. Wenn jedoch ein komplett kundenspezifischer Zylinder erforderlich ist, müssen Sie eine längere Vorlaufzeit einplanen, da diese Artikel speziell auf Ihre Bedürfnisse zugeschnitten werden.

Von Jerry Walling – Business Development Manager, Fabco-Air Inc. Gainesville, FL