Wofür werden Wegeventile eingesetzt?

Wegeventile werden in Hydrauliksystemen zur Steuerung der Durchflussrichtung von Flüssigkeiten und in Pneumatiksystemen zur Steuerung des Luftstroms eingesetzt.

Wegeventil - Funktionsweise

Abbildung 1: Pneumatische Steuerungsventile auf einem Verteiler

Wegeventile leiten den Fluss von Druckluft oder Öl zu verschiedenen Geräten in pneumatischen Systemen. Sie werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, wie zum Beispiel beim Betrieb von Zylindern, größeren Industrieventilen oder Luftwerkzeugen. Diese Ventile haben mehrere Anschlüsse und erfüllen unterschiedliche Funktionen innerhalb eines Kreislaufs. Wegeventile können auf verschiedene Weise betätigt werden, zum Beispiel manuell oder mit einem Magnetventil. Dieser Artikel untersucht die verschiedenen Arten von magnetbetätigten Wegeventilen, die in pneumatischen Systemen verwendet werden.

Wie funktioniert ein Wegeventil

Pneumatische Magnetventile haben in der Regel ein Schieberdesign. Sie bestehen aus einem Aluminiumgehäuse mit einem zylindrischen Loch. Die verschiedenen Anschlüsse des Ventils verbinden sich mit dem Zylinder. Ein gleitender Schieber im Zylinder hat mehrere Dichtungen entlang seiner Länge. Durch das Hin- und Herschieben des Schiebers im Zylinder können verschiedene Anschlüsse verbunden oder geschlossen werden. Es ist schwierig, mit dem Schieberdesign eine Abdichtung ohne jegliche Leckage zu erreichen. Daher haben pneumatische Magnetventile immer eine sehr kleine (aber akzeptable) interne Leckage. Außerdem sind diese Ventile bidirektional.

Energieverbrauch und Betriebsmechanismus

Pneumatische Magnetventile haben einen geringen Energieverbrauch. Dies liegt hauptsächlich an der relativ geringen Kraft, die erforderlich ist, um den Schieber im Ventilgehäuse zu bewegen. Der auf den Schieber ausgeübte Luftdruck hat nur begrenzten Einfluss auf diese Kraft, was den Betrieb dieser Ventile weniger energieintensiv macht. Zusätzlich ist die vom Feder in monostabilen Ventilen (Ventile, die in eine Standardposition zurückkehren, wenn sie nicht betätigt werden) ausgeübte Kraft minimal, was den Energiebedarf für den Betrieb weiter reduziert.

Betriebsmechanismus

Der Betrieb von pneumatischen Magnetventilen wird oft durch einen Pilotbetrieb erleichtert, der entweder direkt oder indirekt (pilotgesteuert) sein kann:

Pilotgesteuerte Ventile: Bei diesem Design betätigt das Magnetventil das Ventil nicht direkt. Stattdessen steuert es den Luftdruck, der das Ventil betätigt. Diese indirekte Methode reduziert die vom Magnetventil benötigte Kraft erheblich, da der Großteil der Betätigungskraft vom Luftdruck selbst abgeleitet wird. Dieses System ermöglicht die Verwendung kleinerer, energieeffizienterer Magnetventile, was zur Gesamtenergieeffizienz des Ventils beiträgt.
Intern vs. extern pilotiert: Pneumatische Magnetventile können intern oder extern pilotiert sein.
- Intern pilotierte Ventile nutzen den eintretenden Luftdruck zur Betätigung und benötigen einen Differenzdruck zwischen 0,1 und 1,5 bar, um ordnungsgemäß zu funktionieren, was sie aufgrund möglicher Schaltzustandsfehler bei zu niedrigem Eingangsdruck für Niederdruck- oder Vakuumanwendungen ungeeignet macht.
- Extern pilotierte Ventile sind auf eine separate Luftdruckquelle zur Betätigung angewiesen und unterscheiden sich dadurch von intern pilotierten Ventilen, die den eintretenden Luftdruck nutzen.

Anwendungsüberlegungen

Es wird nicht empfohlen, pneumatische Magnetventile für andere Medien wie Wasser oder Öl zu verwenden. Viele pneumatische Magnetventile sind intern gesteuert und entlüften eine minimale Menge an Luft, die erforderlich ist, um das Ventil zu betätigen. Ein kleiner Luftverlust in die Umgebung ist in den meisten Anwendungen akzeptabel, jedoch nicht im Fall von Wasser, Öl oder anderen Medien. Außerdem sind die Ventilmaterialien für den Einsatz mit Luft optimiert. Normalerweise besteht das Ventil aus Aluminiumteilen und NBR- oder HNBR-Dichtungen. Andere Medien als Luft können Korrosion oder andere chemische Reaktionen verursachen, die sich negativ auf die Lebensdauer des Ventils auswirken können. Lesen Sie unseren Leitfaden zur chemischen Beständigkeit für weitere Informationen zu Ventilmaterialien und deren Verträglichkeit mit verschiedenen Medien.

Abbildung 2: Schnittansicht eines 5/2-Wege-Magnetventils

Mono-stabile und bi-stabile Ventile

Ein mono-stabiles Ventil bleibt mit einer Feder (die durch Luft oder Elektrizität betrieben werden kann) in seiner ursprünglichen Position. Wenn das Ventil aktiviert wird (z. B. durch Einschalten eines Magneten), bewegt es sich in seinen aktiven Zustand. Sobald die Stromversorgung gestoppt wird, kehrt das Ventil in seine Ausgangsposition zurück. Diese Ventile werden auch als einfach wirkende Magnetventile bezeichnet.
Ein bi-stabiles Ventil ändert seine Position mit einer schnellen Aktion und bleibt dort. Es kehrt nicht in seine ursprüngliche Position zurück, selbst nachdem die Aktion gestoppt wurde. Ein bi-stabiles Magnetventil hat typischerweise an jedem Ende einen Magneten, wobei jeder eine andere Position steuert. Diese werden als doppelt wirkende Magnetventile bezeichnet.

Pneumatische Wegeventiltypen

Luftwegeventile werden durch zwei Zahlen dargestellt. Die erste Zahl zeigt, wie viele Anschlüsse das Ventil hat, und die zweite Zahl ist die Anzahl der Zustände. Zum Beispiel hat ein 2/2-Wege-Ventil zwei Anschlüsse (Ein/Aus) und zwei Zustände (offen/geschlossen). Ein 5/2-Wege-Ventil hat fünf Anschlüsse und zwei Zustände. Wegeventile haben normalerweise zwei, drei oder fünf Anschlüsse. Die folgenden Abschnitte erklären die verschiedenen Typen im Detail. Lesen Sie unseren Artikel zu Ventilsymbolen für weitere Details zu den Symbolen für Wegeventile.

2/2-Wege-Ventil

Der einfachste und häufigste Ventiltyp ist das 2/2-Wege-Ventil. Es verfügt über zwei Anschlüsse und zwei Positionen (offen und geschlossen), weshalb es oft als Absperrventil bezeichnet wird. In erster Linie fungieren diese Ventile als einfache Ein/Aus-Schalter in pneumatischen Systemen, indem sie den Luftstrom entweder zulassen oder vollständig blockieren. Ihre Rolle in pneumatischen Systemen konzentriert sich mehr auf einfache Ein/Aus-Steuerungsaufgaben als auf komplexe Richtungssteuerungen, was sie im Vergleich zu anderen Ventiltypen, die für spezifischere pneumatische Operationen entwickelt wurden, weniger verbreitet macht.

Abbildung 3: Schaltfunktion eines normal geschlossenen 2/2-Wege-Magnetventils

3/2-Wege-Ventil

Ein 3/2-Wege-Luftsteuerventil, gekennzeichnet durch seine drei Anschlüsse und zwei Positionen, spielt eine entscheidende Rolle in pneumatischen Systemen, insbesondere beim Betrieb von einfach wirkenden Zylindern. Dieser Ventiltyp ist so konzipiert, dass er den Luftstrom so steuert, dass ein Zylinder sich ausdehnen oder zurückziehen kann und dann in seine ursprüngliche Position zurückkehrt, bereit für den nächsten Zyklus. Der Einschluss eines dritten Anschlusses unterscheidet ihn von einfacheren 2/2-Wege-Ventilen und bietet die wesentliche Funktion zum Entlüften des Zylinders nach jeder Aktion. Spezifische Anwendungen von 3/2-Wege-Ventilen sind:

Steuerung eines einfachwirkenden Zylinders: Einfachwirkende Zylinder benötigen Luft, um sich in eine Richtung zu bewegen und sich dann zu entlüften, um sich zurückzuziehen. Das 3/2-Wege-Ventil verwaltet diesen Prozess effizient, indem es Luft zuführt, um den Zylinder zu verlängern, und dann die Position wechselt, um den Zylinder zu entlüften, sodass er sich zurückziehen kann.
Pneumatische Steuerungssysteme: In Systemen, in denen eine präzise Steuerung einer einzelnen Aktion erforderlich ist, wie in automatisierten Montagelinien, Verpackungsmaschinen oder Materialhandhabungssystemen, bieten 3/2-Wege-Ventile die notwendige Steuerung und Zuverlässigkeit.
Betätigung von pneumatischen Werkzeugen: Viele pneumatische Werkzeuge benötigen einen Luftstoß, um zu funktionieren, und müssen dann zurückgesetzt werden. 3/2-Wege-Ventile sind ideal für diese Anwendungen, da sie die bedarfsgerechte Luftzufuhr und anschließende Entlüftung bieten.

Ähnlich wie 2/2-Wege-Ventile können 3/2-Wege-Ventile mono-stabil oder bi-stabil sein. Mono-stabile 3/2-Wege-Ventile können je nach Anforderung der Anwendung normal geschlossen oder normal geöffnet sein.

Abbildung 4: Schaltfunktion eines normal geschlossenen 3/2-Wege-Magnetventils

5/2-Wege-Ventil

Ein 5/2-Wege-Ventil hat fünf Anschlüsse und zwei Zustände. 5/2-Wege-pneumatische Magnetventile sind vielseitige Komponenten, die in verschiedenen pneumatischen Systemen verwendet werden, um die Richtung des Luftstroms zu steuern und somit die Bewegung von Aktuatoren, wie Zylindern oder Kolben, in zwei Richtungen (z. B. Ausfahren und Einfahren) zu verwalten. 5/2-Wege-Ventile können entweder mono-stabil oder bi-stabil sein.

Abbildung 5: Schaltfunktion eines 5/2-Wege-Magnetventils

5/3-Wege-Ventil

5/3-Wege-pneumatische Magnetventile sind fortschrittliche Komponenten in pneumatischen Systemen, die eine präzise Steuerung von doppeltwirkenden Zylindern bieten. Im Gegensatz zu einfacheren Ventilen haben diese eine dritte Position, die es ermöglicht, einen Zylinder auf halbem Weg zu stoppen, was für präzise Anpassungen oder Pausen in der Bewegung nützlich ist. Diese Ventile kehren automatisch in die Mittelstellung zurück, wenn sie nicht mit Strom versorgt werden, und sorgen so für Sicherheit, indem sie bei Stromausfällen in einen neutralen Zustand übergehen. Zwei Magnetventile steuern die Bewegung zum Ausfahren oder Einfahren des Aktuators. Die Haupttypen von 5/3-Wege-Ventilen sind:

Geschlossenes Zentrum: Blockiert alle Anschlüsse in der Mittelstellung, spart Energie und hält die Position des Aktuators stabil ohne Luftverbrauch.
Entlüftungszentrum: Verbindet Anschlüsse mit dem Auslass, ermöglicht manuelle Bewegung des Aktuators. Dies ist hilfreich für manuelle Anpassungen.
Druckbeaufschlagtes Zentrum: Hält den Aktuator in der Mittelstellung unter Druck, bereit für schnelle Aktionen. Dies ist am besten für Systeme geeignet, die schnelle Reaktionen benötigen.

5/3-Wege-Ventile sind in der Automatisierung, Materialhandhabung, Verpackung und Montagelinien unerlässlich, wo die Kontrolle über die Positionierung des Aktuators entscheidend ist. Ihre Fähigkeit, die Bewegung des Aktuators präzise zu steuern, verbessert sowohl die Effizienz als auch die Sicherheit in verschiedenen industriellen Anwendungen.

Abbildung 6: Schaltfunktion eines in der Mitte geschlossenen 5/3-Wege-Magnetventils

Namur-Standard

Viele pneumatische Magnetventile verfügen über ein standardisiertes Flanschdesign, das eine direkte Montage an Geräten wie pneumatischen Aktuatoren ermöglicht. Ein weit anerkanntes Standard für diesen Zweck ist der NAMUR-Standard (VDI/VDE 3845). Ursprünglich aus Europa stammend, spezifiziert dieser Standard eine einheitliche Schnittstelle zur direkten Befestigung von Wegeventilen an Schwenkantrieben und hat weltweite Akzeptanz gefunden. Die wichtigsten Aspekte des NAMUR-Standards sind:

Weltweite Akzeptanz: Trotz seiner europäischen Herkunft wird der NAMUR-Standard weltweit verwendet, was Kompatibilität und einfache Integration in verschiedenen Branchen gewährleistet.
Montagemechanismus: Die Ventile werden typischerweise mit M5-Schrauben am Aktuator befestigt. In den Vereinigten Staaten sind Aktuatoren jedoch oft mit #10-24-Gewindemustern ausgelegt, um den lokalen Vorlieben gerecht zu werden.
Abdichtung: Um Lecks zu verhindern und eine sichere Verbindung zwischen Ventil und Aktuator zu gewährleisten, werden zwei O-Ringe verwendet. Dieser Abdichtungsmechanismus ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Effizienz und Zuverlässigkeit des Systems.
Vielseitige Montagepositionen: Das Design der Schnittstelle ermöglicht es, das Ventil in zwei verschiedenen Positionen zu montieren, indem es einfach um 180 Grad gedreht wird. Diese Flexibilität kann die Drehrichtung des Aktuators je nach Energisierung des Wegeventils ändern und bietet zusätzliche Kontrolle und Anpassungsfähigkeit im Systemdesign.

Dieser standardisierte Ansatz vereinfacht die Integration von Magnetventilen in pneumatische Systeme, verbessert die Kompatibilität und erleichtert die Installation in einer Vielzahl von Anwendungen. Durch die Einhaltung des NAMUR-Standards stellen Hersteller sicher, dass ihre Produkte weltweit problemlos in Systeme integriert werden können, was die Effizienz und Zuverlässigkeit in pneumatischen Anwendungen fördert. Abbildung 7 zeigt die Abmessungen für ein Ventil mit G1/4"- und G1/2"-Anschlüssen.