Hydraulischer Stellantrieb vs. Pneumatischer Stellantrieb: Hauptunterschiede, Anwendungen und Auswahl

In der modernen Industrie können Automatisierungssysteme nicht ohne einen Stellantrieb funktionieren und benötigen einen solchen, um mechanische Vorgänge wie Schieben, Greifen, Positionieren und vieles mehr zu steuern. Stellantriebe können in viele Kategorien unterteilt werden, aber die bekanntesten sind hydraulische und pneumatische Stellantriebe, die sich durch ihre Energieart oder Energiequelle unterscheiden. Ihre Leistungen und Funktionsprinzipien unterscheiden sich stark voneinander, so dass sie in einer Vielzahl von Anwendungen in verschiedenen Industriezweigen eingesetzt werden können. In diesem Artikel werden die wichtigsten Unterschiede zwischen hydraulischen und pneumatischen Stellantrieben, ihre Hauptvorteile und typische Anwendungsszenarien erläutert, und es wird eine Anleitung gegeben, wie man bei der Auswahl zwischen den beiden Antriebsarten während des Konstruktionsprozesses die richtige Entscheidung trifft.

Die Kenntnis der grundlegenden Unterschiede zwischen hydraulischen und pneumatischen Antrieben ist so wichtig wie die Kenntnis der Grundregeln der Grammatik beim Erlernen einer neuen Sprache. Mit einer soliden Basis lässt sich eine Automatisierungslösung grundlegender und effektiver gestalten und optimieren.

Was ist ein hydraulischer Aktuator?

Ein hydraulischer Aktuator ist eine Vorrichtung, die eine unter hohem Druck stehende Flüssigkeit, in der Regel ein Hydrauliköl oder Schmiermittel, in eine Bewegung oder Kraft umwandelt. Ihr Grundprinzip beruht auf der Verwendung von Flüssigkeiten, die nicht komprimiert werden können. Die Hydraulikpumpe erzeugt den Druck für das Hydrauliköl, und dieses Öl wird durch Rohre in den Aktuator gepumpt, z. B. in Zylinder (wie Hydraulikzylinder) und Motoren. Der kontinuierliche Druck des Hochdrucköls drückt gegen die Kolben oder Schieber im Stellglied, wodurch eine große Schubkraft oder ein großes Drehmoment erreicht wird, das eine lineare Bewegung oder eine Drehbewegung ermöglicht. Ein komplettes Hydrauliksystem besteht unter anderem aus einer Hydraulikpumpe, einem Elektromotor für den Antrieb, einem Vorratsbehälter, einem Filter, einem Kühler, Steuerventilen sowie Rohren und Armaturen. Bekanntlich ist ein hydraulisches System eine der besten Lösungen für Anwendungen, bei denen große Präzision und Kontrolle bei hoher Kraftausbeute erforderlich sind, insbesondere bei schweren Lasten, die oft als rohe Kraft oder größte Leistung bezeichnet werden. Dies ist eine seit langem bekannte Tatsache in der Industrie.

Was ist ein pneumatischer Aktuator?

Ein pneumatischer Aktuator nutzt komprimierte Gasenergie, normalerweise Luftdruck, um Kraft und Bewegung zu erzeugen. Das Funktionsprinzip basiert auf einem Luftkompressor, der die Umgebungsluft komprimiert und in einem Sammelbehälter speichert. Die Luft wird dann in Aufbereitungseinheiten aufbereitet, zu denen Filter, Regler und in einigen Fällen auch Schmiervorrichtungen gehören. Der Sammelbehälter einschließlich seiner Filter, Regler und Öler muss frei von Öl, Schmutz und Feuchtigkeit sein und den richtigen Druck aufweisen. Die druckgeregelte, trockene und saubere Druckluft wird dann durch Rohre zum Stellantrieb geleitet, bei dem es sich um einen Pneumatikzylinder oder einen Motor handeln kann, die auch als pneumatische Geräte bezeichnet werden. Der Aktuator, der als Verdränger bekannt ist, reagiert auf das pneumatische Signal und drückt oder dreht den Kolben und die Flügel, was eine lineare Bewegung oder eine Drehbewegung ermöglicht. Pneumatische Systeme werden wegen ihres einfachen Aufbaus, der schnellen Bedienung und der sauberen Funktion bevorzugt. Sie werden häufig in Leichtlastanwendungen und in Produktionslinien eingesetzt.

Die wichtigsten Unterschiede: Ein detaillierter Vergleich

Sowohl hydraulische als auch pneumatische Aktuatoren arbeiten mit Flüssigkeitsdruck, aber ihre Leistung, Systemeigenschaften, Anpassungsfähigkeit an die Umgebung und Kosten sind sehr unterschiedlich. Diese Unterscheidungen sind wichtig, um zu beurteilen, welche Technologie in einem bestimmten Kontext am besten geeignet ist.

Leistungsunterschiede

Die Unterschiede liegen vor allem in der Kraft und der Leistungsdichte. Hydrauliksysteme arbeiten oft mit höheren Drücken, die von einigen zehn bis zu Hunderten von Megapascal reichen, so dass Hydraulikmotoren eine enorme Schubkraft oder ein hohes Drehmoment erzeugen können. Für Arbeiten, die ein sehr hohes Drehmoment oder eine große Kraft erfordern, z. B. zum Heben schwerer Lasten, zum Spannen oder für Antriebe mit hohem Drehmoment, werden häufig Hydraulikmotoren bevorzugt. Sie haben außerdem eine hohe Leistungsdichte, d. h. sie können eine große Kraft in einem kleinen Volumen erzeugen. Bei pneumatischen Systemen liegt der Betriebsdruck bei niedrigeren Drücken, in der Regel zwischen 0,4 und 1,0 MPa, und somit ist auch die Ausgangskraft geringer. Die Ausgangskraft kann durch den Einsatz größerer Aktoren erhöht werden, die dadurch jedoch weniger kompakt sind.

Pneumatische Stellantriebe haben einen Wettbewerbsvorteil, wenn es um die Reaktion auf die Geschwindigkeit und die Steuerung der Geschwindigkeit geht, sowie um eine schnellere Bewegung, die hohe Geschwindigkeiten ermöglicht. Ihre Bereitschaft zeichnet sich durch die geringe Dichte und den leichten Gasfluss aus, der ein schnelles Starten und Stoppen ermöglicht. Aus diesen Gründen eignen sie sich für hochbeschleunigende Aktionen. Aufgrund der Komprimierbarkeit der Luft ist eine präzise Geschwindigkeitsregelung in pneumatischen Systemen jedoch schwierig und kann sich durch die Last leicht ändern. Im Gegensatz dazu bewegen sich hydraulische Systeme langsamer, haben aber aufgrund der Inkompressibilität der Flüssigkeit eine präzise und stabile Geschwindigkeitsregelung auf hohem Niveau. Sie können auch bei ständig wechselnden Lasten eine bestimmte Geschwindigkeit beibehalten, was präzise lineare Bewegungen ermöglicht.

Hydraulische Aktuatoren sind unübertroffen in Präzision, Steifigkeit und Positionierfähigkeit. Aufgrund der Inkompressibilität von Flüssigkeiten haben hydraulische Systeme eine hohe Steifigkeit und daher eine sehr geringe Positions- und Geschwindigkeitsänderung unter äußeren Einflüssen. Dies trägt zur Erzielung einer stabilen Bewegung und einer präzisen Positionierung bei, was für Systeme, die eine genaue Positions- oder Kraftsteuerung benötigen, von wesentlicher Bedeutung ist. Pneumatische Systeme sind aufgrund der Komprimierbarkeit des Gases, der geringeren Steifigkeit, der elastischen Verformung und der Positionsdrift bei wechselnder Belastung weniger effektiv und erfordern aufwendige Steuerungstechniken, um eine hochpräzise Positionierung zu erreichen.

Unterschiede in den Systemmerkmalen und der Umgebung

Hydraulische Systeme sind in der Regel komplizierter als pneumatische Systeme, was die Komplexität des Systems und die Anzahl der Teile angeht. Ein komplettes Hydraulikaggregat, komplizierte Ventile und Hochdruckrohrleitungen müssen vorhanden sein. Pneumatische Systeme sind recht einfach. Ein Luftkompressor, ein Sammelbehälter, Luftaufbereitungseinheiten, Ventile und Rohrleitungen sind die wichtigsten Bestandteile.

In Bezug auf Anpassungsfähigkeit und Umweltfreundlichkeit sind pneumatische Systeme im Vorteil. Ihre Verwendung von sauberer, trockener Druckluft erhöht die Güte noch weiter. Es entstehen keine Verunreinigungen durch Leckagen, so dass sie auch in Branchen eingesetzt werden können, die sehr hohe Anforderungen an die Sauberkeit stellen, z. B. in der Lebensmittelverarbeitung, der Pharmazie und der Elektronik. Pneumatische Teile sind auch weniger anfällig für Temperaturschwankungen in der Umgebung, selbst in Gebieten mit extremen Temperaturen. Hydraulische Systeme verwenden Öl für ihre Hydraulik. Auch dieses Öl kann auslaufen, was zu Verunreinigungen führt, die ein Risiko für Schäden darstellen und möglicherweise gefährliche Stoffe enthalten. Auch sie müssen eine hohe Ölreinheit aufweisen. Öl reagiert empfindlich auf Temperaturschwankungen, was die Leistung beeinträchtigen kann und zusätzliche extreme Maßnahmen erforderlich macht, insbesondere bei extremen Temperaturen.

Ein weiteres Problem ist die Sicherheit. Der hohe Druck, mit dem hydraulische Systeme arbeiten, birgt größere Risiken und erfordert strengere Sicherheitsvorkehrungen und die Einhaltung mechanischer Sicherheitsanforderungen. Andererseits verfügen hydraulische Systeme über eine gute Selbsthemmung; sie halten die Position bei Stromausfall. Pneumatische Systeme haben einen niedrigeren Betriebsdruck, was sie sicherer macht, allerdings verlieren sie im Allgemeinen die Fähigkeit, die Position bei Luftverlust zu halten.

Unterschiede in Bezug auf Wirtschaft und Wartung

Was den finanziellen Aufwand anbelangt, so sind pneumatische Systeme aufgrund ihrer weniger kostspieligen Teile und der einfacheren Montage oft günstiger. Im Vergleich dazu sind die hydraulischen Systeme aufgrund der komplizierten Installationen und der teuren Ausrüstung teurer.

Die Energiekosten stellen jedoch ein weiteres Problem dar, da die Notwendigkeit, Druckluft zu erzeugen, die Kosten für pneumatische Systeme in die Höhe treibt, vor allem, wenn sie mit einem nicht optimalen Wirkungsgrad arbeiten. Ironischerweise kann eine hydraulische Anlage zwar bei einigen Anwendungen Energie sparen, aber die laufenden Kosten für Hydraulikflüssigkeit und Filterwechsel machen sie zu einem großen Teil wieder zunichte.

Pneumatische Systeme profitieren von einem geringeren Wartungsaufwand, da die Vorbereitung der Druckluftanlage von einer einzigen Aufgabe dominiert wird. Die Sauberkeit des Öls sowie der Austausch von Dichtungen und Filtern und die Überprüfung der Entfettung machen die hydraulischen Anlagen aufwendiger. Bauherren mischen die Fehlersuche oft in die allgemeine Wartung ein, und die Kenntnis heikler Systeme erfordert spezielle Fähigkeiten.

Hier finden Sie eine übersichtliche Vergleichstabelle für hydraulische und pneumatische Stellantriebe:

Charakteristisch	Hydraulischer Aktuator	Pneumatischer Aktuator
Arbeitsmedium	Flüssigkeit (Hydrauliköl)	Gas (Pressluft)
Betriebsdruck	Hoch	Niedrig
Ausgangskraft	Hoch, hohe Leistungsdichte	Relativ niedrig
Geschwindigkeitskontrolle	Präzise und stabil	Schwierig, genau zu kontrollieren
Präzision/Steifigkeit	Hoch	Niedrig
Systemkomplexität	Komplexe	Einfach
Sauberkeit der Umwelt	Anfällig für Flüssigkeitslecksnicht für saubere Umgebungen geeignet	Sauber und umweltfreundlich, geeignet für saubere Umgebungen
Sicherheit	Hochdruckrisiko, typischerweise selbstsichernd	Niederdrucksicherheit, verliert die Position bei Luftverlust
Anfängliche Kosten	Hoch	Niedrig
Wartung	Komplexe	Einfach

Vorteile von hydraulischen Stellantrieben

Hydraulische Stellantriebe bieten bei bestimmten Anwendungen entscheidende Vorteile:

• Immense Kraftleistung: Der hydraulische Aktuator kann eine Schubkraft oder ein Drehmoment erzeugen, das jedes pneumatische System übertrifft, was ihn bei Schwerlastanwendungen sehr nützlich macht, da er in der Lage ist, brachiale Kraft zu liefern und Leistung zu erzwingen.
• Hohe Präzision und Steifigkeit: Bestens geeignet für Anwendungen, die eine genaue Steuerung der Position, der Bewegungsgeschwindigkeit und ein hohes Maß an Steifigkeit und damit präzise lineare Bewegungen erfordern.
• Sanfte Bewegung: Es kann eine sehr gleichmäßige und kontrollierbare Bewegung erzielt werden, die sich am besten für den Einsatz in einer Bewegung eignet, bei der eine gleichmäßige, kontinuierliche Kraft erforderlich ist.
• Auto-Lock-Steuerung: Hält die Position sicher, auch wenn der Strom oder der Druck weggenommen wird, was die Sicherheit erhöht.

Vorteile pneumatischer Stellantriebe

Pneumatische Antriebe haben in vielen Bereichen der Automatisierung einzigartige Vorteile:

• Einfache Struktur und wirtschaftlicher Preis: Reduzierte Erstinvestition bei geringem Installationsaufwand und optimal für unsere budgetbeschränkten Anwendungen.  
• Schnelle Reaktion und Bewegung: Schnelle Start-/Stopp- und zyklische Hochgeschwindigkeitsbewegungen ermöglichen eine noch schnellere Rückkehr.  
• Nicht verschmutzend und umweltfreundlich: Anwendbar in sauberkeitssensiblen Bereichen, da das Arbeitsmedium frei von Verschmutzung ist.  
• Leichtere Erreichung des Explosionsschutzes: Kein Einsatz von elektrischer Energie, was eine größere Sicherheit in explosiven oder entflammbaren Umgebungen bedeutet.  
• Überlastungsschutz: Schutz des Systems durch automatische Abschaltung bei Überlastung.

Typische Anwendungsszenarien

Hydraulischer Aktuator

Hydraulische Stellantriebe werden häufig in industriellen Anwendungen eingesetzt, die hohe Kräfte, eine präzise Steuerung oder den Betrieb in rauen Umgebungen erfordern:

• Baumaschinen: Bagger, Kräne, Bulldozer usw. verwenden Hydraulikzylinder zum kraftvollen Heben und Graben. Dies gilt auch für schwere Baumaschinen.
• Industrielle Pressen und Stanzmaschinen: Sie werden zum Stanzen und für andere Metallumformungsprozesse eingesetzt, die einen hohen Druck erfordern.
• Spritzgieß- und Druckgießmaschinen: Sie werden bei Formgebungsverfahren zum Schließen und Einspritzen eingesetzt; zwei Verfahren, die eine präzise Steuerung und hohe Kraft erfordern.
• Schiffs- und Offshore-Technik: Sie werden in Rudersystemen sowie in Ankerwinden und Lukendeckeln eingesetzt, die hohen Belastungen standhalten und in rauen Umgebungen arbeiten müssen.
• Metallurgische Ausrüstung: Sie werden für die Walzwerkreduzierung und das Öffnen der Ofentüren eingesetzt, beides unter hohen Temperaturen und starker Belastung.

Pneumatischer Aktuator

Pneumatische Antriebe sind auf dem Markt stark vertreten, wenn hohe Anforderungen an Geschwindigkeit, Automatisierung, Sauberkeit oder niedrige Kosten gestellt werden, insbesondere bei Materialtransportanlagen und anderen industriellen Anwendungen:

• Automatisierte Produktionslinien: Zum Greifen, Platzieren, Schieben, Klemmen, Sortieren sowie für andere sich wiederholende Bewegungen mit einer hohen Geschwindigkeit, die eine Vielzahl von Bewegungen ermöglicht.
• Verpackungsmaschinen: Zum Verschließen, Schneiden, Fördern, Palettieren von Verpackungsbeuteln und vieles mehr.
• Lebensmittel- und Getränkeindustrie: Ihre saubere Beschaffenheit eignet sich hervorragend für die Förderung, Dosierung und Verpackung von Lebensmitteln.
• Pharmazeutika und medizinische Geräte: Bei der Herstellung und Verpackung von Arzneimitteln und bei der Kontrolle von medizinischen Geräten, die hohe Anforderungen an Sauberkeit und Sicherheit stellen.
• Ventil-Automatisierung: Für die Steuerung des Öffnens/Schließens und der Regelung verschiedener Industrieventile.

Auswahl des richtigen Aktuators für Ihre Bedürfnisse

Die Entscheidung zwischen einem hydraulischen und einem pneumatischen Antrieb ist nicht einfach eine Frage der Überlegenheit des einen oder des anderen, sondern hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab. Dies erfordert eine umfassende Abwägung mehrerer Faktoren, um die richtige Entscheidung zu treffen:

1. Erforderliche Kraft oder Drehmoment: Dies ist der wichtigste Faktor. Bestimmen Sie die maximale und kontinuierliche Kraft, die benötigt wird. Wenn eine immense Kraft erforderlich ist, ist Hydraulik in der Regel die einzige Option.
2. Bewegungsgeschwindigkeit und Steuerungspräzision: Bestimmen Sie die Anforderungen der Anwendung an die Bewegungsgeschwindigkeit und die Präzision der Geschwindigkeitsregelung.
3. Lastschwankungen: Wenn die Last häufig und stark schwankt und die Position oder Geschwindigkeit stabil gehalten werden muss, sind hydraulische Systeme im Vorteil.
4. Arbeitsumgebung: Achten Sie auf Sauberkeit, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und das Vorhandensein von brennbaren/explosiven Stoffen, einschließlich gefährlicher Materialien oder Bereichen mit extremen Temperaturen.
5. Kostenbudget: Bewerten Sie die Anfangsinvestition und die langfristigen Betriebs- und Wartungskosten.
6. Systemkomplexität und Wartungskapazität: Berücksichtigen Sie die Installations- und Wartungsmöglichkeiten vor Ort und die Toleranz gegenüber der Systemkomplexität.
7. Energieversorgung: Bestätigen Sie die Verfügbarkeit einer Hochdruckstromquelle (für die Hydraulikpumpe) oder einer Druckluftquelle vor Ort.
8. Sicherheitsanforderungen: Berücksichtigen Sie alle spezifischen Sicherheitsanforderungen der Anwendung, wie z. B. Selbstverriegelung bei Stromausfall oder Explosionsschutz, sowie die Einhaltung der mechanischen Sicherheitsanforderungen.

Durch eine umfassende Bewertung dieser Faktoren kann während des Entwurfsprozesses eine fundiertere Entscheidung über die am besten geeignete Antriebstechnologie für eine bestimmte Anwendung getroffen werden.

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Zukünftige Trends in der Aktuatorik

Die Stellantriebstechnik entwickelt sich ständig weiter, um der wachsenden Nachfrage der Industrie nach Intelligenz, Effizienz und Nachhaltigkeit gerecht zu werden. Zu den künftigen Trends gehört die Integration von mehr Sensoren und Kommunikationsfunktionen, um eine intelligentere Steuerung und Statusüberwachung zu erreichen und gleichzeitig die Gesamteffizienz des Systems zu verbessern, um die Betriebskosten zu senken und die Effizienz zu maximieren. Auch die Integration und Modularisierung von Aktuatoren mit anderen Komponenten zur Vereinfachung der Systemstruktur wird gefördert. Im Zuge des technologischen Fortschritts werden elektrische Stellantriebe aufgrund ihrer Vorteile in Bezug auf Präzision und Steuerbarkeit immer häufiger eingesetzt. Darüber hinaus achtet die Industrie immer mehr auf die Verwendung umweltfreundlicher Materialien und Verfahren, um Flüssigkeitslecks und das Risiko von Schäden zu verringern. All diese Trends werden gemeinsam die Entwicklung der Aktuatorik fördern und neue Möglichkeiten für künftige industrielle Anwendungen eröffnen.

Schlussfolgerung

Zwei wichtige Technologien im industriellen Bereich sind hydraulische und pneumatische Antriebe, die jeweils ihre eigenen Vorteile und Anwendungsbereiche haben. Aufgrund ihrer hohen Präzision und Kraft sind hydraulische Systeme in den Bereichen der Schwerlast- und Präzisionssteuerung unerlässlich. Pneumatische Systeme hingegen werden aufgrund ihrer Einfachheit, Schnelligkeit und sauberen Arbeitsweise überwiegend in automatisierten Produktionslinien eingesetzt. Die richtige Auswahl basiert auf der Analyse des Anwendungsbedarfs und auf Abwägungen.

VINCER als Anbieter von Stellantrieben wendet die Prinzipien der Kosteneffizienz, des breiten Produktangebots, der starken kundenspezifischen Anpassung und des professionellen Service an, um zuverlässige Ventillösungen für Kunden zu gewährleisten und so Fluidsteuerungssysteme für verbesserte betriebliche Effizienz und Effektivität zu optimieren. Stellantriebe werden sich mit dem technologischen Fortschritt weiterentwickeln, immer intelligenter, effizienter und umweltfreundlicher werden und somit in Zukunft einen größeren Einfluss auf die industrielle Automatisierung haben. Sie erweisen sich als einige der vielseitigsten Arbeitspferde der modernen Industrie.