4.4.5 Ventile

Ventile haben die Aufgabe, den Druck oder den Durchfluss von Druckmedien zu steuern. Je nach Bauart lassen sie sich in folgende Ka-tegorien einteilen:
• Wegeventile
• Sperrventile
• Stromventile
• Druckventile
• Absperrventile

Die Anschlüsse der Wegeventile sind nach DIN ISO 5599-3 nummeriert.

Abb. 330: Übersicht Anschlüsse der Wegeventile (Quelle: Eigene Darstellung)

1. Wegeventile
Das Wegeventil steuert den Durchgang von Luftsignalen oder Luftströmen. Es sperrt, öffnet oder verändert die Durchlassrichtung des Druckmediums.
Das Ventil wird beschrieben durch:
Anzahl der Anschlüsse (Wege): 2-Wege, 3-Wege, 5-Wege, etc.
Anzahl der Schaltstellungen: 2 Stellungen, 3 Stellungen, etc.
Ventilbetätigungsart: muskelkraftbetätigt, mechanisch betätigt, druckluftbetätigt, elektrisch betätigt
Rückstellungsarten: rückgestellt, druckrückgestellt

Als Eingabeelement kann das Wegeventil zum Beispiel durch einen Rollenhebel betätigt werden, um eine Kolbenstangenposition abzufragen. Das Konstruktionsprinzip eines Wegeventils ist ein wichtiger Faktor für die Lebensdauer, Schaltzeit, Betätigungsart, Anschlussmethoden und Größe. Nach der Konstruktionsart unterscheidet man:

• Sitzventile
  ° Kugelsitzventile
  ° Tellersitzventile

• Schieberventile
  ° Längsschieberventile (Kolbenventile)
  ° Längs-Flachschieberventile
  ° Plattenschieberventile

Sitzventile
Bei Sitzventilen werden die Wege mittels Kugel, Teller, Platte oder Kegel geöffnet oder geschlossen. Die Ventilsitze sind in der Regel mit Gummidichtungen abgedichtet. Sitzventile haben kaum Verschleißteile und deshalb eine lange Lebensdauer. Sie sind schmutzunempfindlich und widerstandsfähig. Die benötigte Betätigungskraft ist jedoch relativ hoch, da die Kraft der eingebauten Rückstellfeder und der Luftdruck überwunden werden müssen.

Schieberventile
Bei Schieberventilen werden die einzelnen Anschlüsse durch Längsschieber, Längs-Flachschieber oder Plattenschieber verbunden oder geschlossen.

Mechanisch betätigtes 3/2-Wegeventil
Mit dem 3/2-Wegeventil können Signale gesetzt und rückgesetzt werden. Das 3/2-Wegeventil hat drei Anschlüsse und zwei Schaltstellungen.

Abb. 331: 3/2-Wege-Stößelventil, Sperr-Ruhestellung, Tellersitz – Schnittbilder und Symbole; links: unbetätigt; rechts: betätigt (Quelle: Eigene Darstellung)

Das Ventil ist nach dem Tellersitzprinzip aufgebaut. Die Dichtung ist einfach und wirksam. Die Ansprechzeit ist kurz, und über einen kleinen Bewegungsweg wird ein großer Querschnitt zum Durchströmen der Luft frei. Wie die Kugelsitzventile sind auch diese Ventile schmutzunempfindlich und haben daher eine lange Lebensdauer. Die 3/2-Wegeventile werden für Steuerungen mit einfachwirkenden Zylindern oder zum Ansteuern von Stellelementen verwendet.

Vorgesteuertes 3/2-Wege-Rollenhebelventil
Wird der Rollenhebel betätigt, so öffnet das Vorsteuerventil. Die Ventilumsteuerung erfolgt in zwei Phasen: Zunächst wird der Anschluss 2 nach 3 gesperrt, dann der Anschluss 1 nach 2 geöffnet. Die Rückstellung erfolgt durch Loslassen des Rollenhebels.

Abb. 332: 3/2-Wege-Rollenhebelventil, vorgesteuert, Sperr-Ruhestellung – Schnittbilder und Symbole; links: unbetätigt; rechts: betätigt (Quelle: Eigene Darstellung)

Funktionsweise der Vorsteuerstufe bei manuell und mechanisch betätigten Wegeventilen
Bei vorgesteuerten Wegeventilen wird der Ventilkolben indirekt betätigt. Vorgesteuerte Ventile benötigen nur geringe Betätigungskräfte. Ein Kanal mit kleinem Durchmesser verbindet den Druckluftanschluss 1 mit dem Vorsteuerventil. Öffnet das Vorsteuerventil, so strömt die anstehende Druckluft zur Membran und bewegt den Ventilteller des Hauptventils nach unten. Wird das Vorsteuerventil gesperrt, erfolgt die Entlüftung an der Führungsbuchse des Stößels entlang. Bei federrückgestellten Wegeventilen wird der Ventilteller des Hauptventils durch die Rückstellfeder in seine Ausgangslage gebracht.

Abb. 333: Vorsteuereinheit – Schnittbilder; links unbetätigt; rechts betätigt (Quelle: Eigene Darstellung)

3/2-Wege-Pneumatikventil
Das druckluftbetätigte 3/2-Wege-Pneumatikventil wird über ein pneumatisches Signal am Eingang 12 betätigt.

Abb. 334: 3/2-Wege-Pneumatikventil, Sperr-Ruhestellung, druckluftbetätigt, mit Rückstellfeder – Schnittbilder und Symbole; links: unbetätigt; rechts: betätigt (Quelle: Eigene Darstellung)

Durch die Beaufschlagung des Steuerkolbens mit Druckluft bei Anschluss 12 wird der Ventilstößel gegen die Rückstellfeder umgesteuert. Die Anschlüsse 1 und 2 werden miteinander verbunden. Nach Entlüftung des Steueranschlusses 12 wird der Steuerkolben durch die eingebaute Feder in die Ausgangslage zurückgestellt. Der Teller schließt 1 nach 2 ab. Die Abluft der Arbeitsleitung 2 kann über 3 entlüften. Das 3/2-Wege-Pneumatikventil mit Rückstellfeder kann in Sperr-Ruhestellung und Durchfluss-Ruhestellung verwendet werden.

5/2-Wegeventile
Das 5/2-Wegeventil hat fünf Arbeitsanschlüsse und zwei Schaltstellungen. Es wird hauptsächlich als Stellelement für die Ansteuerung von doppeltwirkenden Zylindern eingesetzt. Ein Beispiel für ein 5/2-Wegeventil ist das Längsschieberventil. Als Steuerelement besitzt es einen Steuerkolben, der die entsprechenden Anschlüsse durch Längsbewegungen miteinander verbindet beziehungsweise trennt. Im Gegensatz zum Kugel- oder Tellersitzprinzip ist die Betätigungskraft dabei gering, weil weder anstehender Luftdruck noch Federdruck zu überwinden ist. Bei den Längsschieberventilen sind sämtliche Betätigungsarten – manuell, mechanisch, elektrisch oder pneumatisch – möglich. Auch zur Rückstellung des Ventils in seine Ausgangslage können diese Betätigungsarten angewandt werden.

Abb. 335: 5/2-Wege-Pneumatikimpulsventil, Längsschieberprinzip – Schnittbild und Symbol (Quelle: Eigene Darstellung)

2. Sperrventile
Das Sperrventil erlaubt den Durchfluss des Luftstroms in nur einer Richtung. Anwendung findet dieses Prinzip in Rückschlagventilen, Wechselventilen, Zweidruckventilen und Schnellentlüftungsventilen.

Rückschlagventile
Rückschlagventile können den Durchfluss in einer Richtung vollständig sperren, in entgegengesetzter Richtung strömt die Luft mit möglichst geringem Druckverlust durch. Die Absperrung der einen Richtung kann durch Kegel, Kugel, Platte oder Membran erfolgen.

Abb. 336: Rückschlagventil – Schnittbild und Symbol (Quelle: Eigene Darstellung)

Zweidruckventil: logische UND-Funktion
Das Zweidruckventil hat zwei Eingänge, 1 und 1(3), und einen Ausgang 2. Der Durchfluss ist nur dann gegeben, wenn beide Eingangssignale vorliegen. Ein Eingangssignal bei 1 oder 1(3) sperrt den Durchfluss aufgrund der Differenzkräfte am Kolbenschieber. Bei zeitlichen Unterschieden der Eingangssignale und bei gleichem Eingangsdruck gelangt das zuletzt angekommene Signal zum Ausgang. Bei Druckunterschieden der Eingangssignale schließt der größere Druck das Ventil, und der kleinere Luftdruck gelangt zum Ausgang 2. Das Zweidruckventil wird hauptsächlich bei Verriegelungssteuerungen, Kontrollfunktionen beziehungsweise logischen UND-Verknüpfungen verwendet.

Abb. 337: Zweidruckventil: UND-Funktion – Schnittbilder und Symbol (Quelle: Eigene Darstellung)

Wechselventil: logische ODER-Funktion
Dieses Sperrventil besitzt zwei Eingänge, 1 und 1(3), und einen Ausgang 2. Wird der Eingang 1 mit Druckluft beaufschlagt, so dichtet der Kolben den Eingang 1(3) ab, die Luft strömt von 1 nach 2. Gelangt die Luft von 1(3) nach 2, so wird der Eingang 1 abgesperrt. Bei Rückströmung der Luft, wenn das nachgeschaltete Ventil entlüftet wird, bleibt der Kolben durch die Druckverhältnisse in der vorher eingenommenen Lage. Dieses Ventil wird auch als ODER-Glied bezeichnet. Soll ein Zylinder oder ein Stellelement von zwei oder mehreren Stellen betätigt werden, so müssen immer ein oder mehrere Wechselventile eingesetzt werden.

Abb. 338: Wechselventil: ODER-Funktion – Schnittbilder und Symbol (Quelle: Eigene Darstellung)

Schnellentlüftungsventil
Schnellentlüftungsventile dienen zur Erhöhung der Kolbengeschwindigkeiten bei Zylindern. Lange Rücklaufzeiten, vor allem bei einfachwirkenden Zylindern, werden dadurch verkürzt. Die Kolbenstange kann mit fast voller Geschwindigkeit einfahren, weil der Durchflusswiderstand der Abluft während der Einfahrbewegung über das Schnellentlüftungsventil reduziert wird. Die Luft wird über eine relativ große Auslassöffnung abgeführt. Das Ventil besitzt einen absperrbaren Druckanschluss 1, eine absperrbare Entlüftung 3 und einen Ausgang 2.

Abb. 339: Schnellentlüftungsventil – Schnittbilder und Symbol; links: Durchfl uss von 1 nach 2; rechts: Durchfl uss von 2 nach 3 (Quelle: Eigene Darstellung)

3. Stromventile
Das Stromventil beeinflusst den Volumenstrom und steuert somit die Luftdurchflussmenge. Konstruktionseigenschaften von Stromventilen:
• Drosselventil – Die Länge der Drossel ist größer als ihr Durchmesser.
• Blendenventil – Die Länge der Drossel ist kleiner als ihr Durchmesser.

Im Idealfall ist es möglich, die Drossel oder die Blende stufenlos von „voll geöffnet“ bis „ganz geschlossen“ einzustellen.

Drossel-Rückschlagventile
Beim Drossel-Rückschlagventil wirkt die Drosselung der Luft nur in eine Richtung. Das Rückschlagventil schließt den Durchfluss der Luft in eine Richtung ab, und die Luft kann nur über den eingestellten Quer-schnitt strömen. In Gegenrichtung hat die Luft freien Durchgang über das geöffnete Rückschlagventil. Diese Ventile kommen zur Geschwindigkeitsregulierung von Pneumatikzylindern zum Einsatz. Sie sollten möglichst direkt an den Zylinder gebaut werden.

Abb. 340: Drossel-Rückschlagventil – Schnittbilder und Symbol; links: Durchfluss von 1 nach 2, gedrosselt; rechts: Durchfluss von 2 nach 1, ungedrosselt (Quelle: Eigene Darstellung)

4. Druckventile
Druckventile teilen sich in drei Hauptgruppen:
• Druckbegrenzungsventile
• Druckregelventile
• Druckschaltventile

Druckbegrenzungsventile
Die Druckbegrenzungsventile werden dem Verdichter nachgeschaltet, um sicherzustellen, dass der Druck im Druckluftspeicher aus Sicherheitsgründen begrenzt und der Versorgungsdruck korrekt eingestellt ist. Ist der maximale Druckwert am Ventileingang erreicht, wird der Ausgang des Ventils geöffnet, und die Luft bläst ins Freie. Das Ventil bleibt so lange offen, bis es durch die eingebaute Feder nach Erreichen des eingestellten Druckes in Abhängigkeit der Federkennlinie geschlossen wird.

Abb. 341: Druckbegrenzungsventil – Schnittbild und Symbol (Quelle: Eigene Darstellung)

Das Druckregelventil hält den Arbeitsdruck unabhängig von Druckschwankungen im Netz weitgehend konstant. Der Eingangsdruck (Primärdruck) am Druckregelventil muss immer höher als der Ausgangsdruck (Sekundärdruck) sein. Die Druckregulierung selbst erfolgt über eine Membran. Der Ausgangsdruck wirkt auf die eine Seite der Membran, die Kraft einer Druckfeder auf die andere Seite. Die Federkraft ist über eine Stellschraube einstellbar. Erhöht sich der Druck auf der Sekundärseite – zum Beispiel bei Lastwechsel am Zylinder –, so wird die Membran gegen die Druckfeder gedrückt, und die Auslass-Querschnittsfläche am Tellerventilsitz wird verkleinert oder geschlossen. Steigt der Druck auf der Sekundärseite weiter an, öffnet sich der Ventilsitz der Membran und die Druckluft kann durch die Entlastungsöffnungen im Gehäuse an die Atmosphäre entweichen. Fällt der Druck auf der Sekundärseite, öffnet die Federkraft der Druckfeder das Tellerventil. Das Regulieren des Luftdruckes auf den voreingestellten Betriebsdruck bedeutet daher ein ständiges Öffnen und Schließen des Tellerventilsitzes, ausgelöst durch das durchströmende Luftvolumen.

Abb. 342: Druckregelventil mit Entlastungsöffnung – Schnittbilder und Symbol; links: Durchfluss von 1 nach 2, Entlüftungsanschlüsse 3 gesperrt; rechts: erhöhter Druck auf der Sekundärseite, Druckluftanschluss 1 gesperrt, Entlüftung von 2 nach 3 (Quelle: Eigene Darstellung)

Technischer Leitfaden Durchflusssensoren, bereitgestellt von Keyence.