Wegeventile - Wie sie funktionieren
Beispiele für pneumatische Wegeventile auf einem Verteiler.
Richtungssteuerungsventile werden in hydraulischen oder pneumatischen Systemen verwendet, um den Fluss von Medien zu ihren Geräten zu lenken oder zu stoppen. Dieser Artikel konzentriert sich auf die verschiedenen Richtungs-Magnetventile für pneumatische Systeme. Sie sind wahrscheinlich die am häufigsten verwendeten Elemente in pneumatischen Systemen und können beispielsweise verwendet werden, um einen Zylinder, ein größeres Industrieventil oder Luftwerkzeuge zu betätigen. Die Ventile können zwei oder mehr Anschlüsse haben und verschiedene Schaltungsfunktionen erfüllen. Die Funktion und das Verhalten des Ventils können durch ein Symbol angezeigt werden. Das Symbol erklärt jedoch nicht den Aufbau des Ventils. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Richtungssteuerungsventile zu betätigen, einschließlich manueller und Magnetbetätigung.
Inhaltsübersicht
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Aufbau und Funktionsweise
Pneumatische Magnetventile haben in der Regel eine Schieberkonstruktion. Sie bestehen aus einem Aluminiumkörper mit einem zylindrischen Loch. Die verschiedenen Anschlüsse des Ventils sind mit dem Zylinder verbunden. Ein Gleitschieber im Zylinder hat mehrere Dichtungen entlang seiner Länge. Durch Hin- und Herschieben des Steuerkolbens durch den Zylinder können verschiedene Anschlüsse verbunden oder verschlossen werden. Eine absolut leckagefreie Abdichtung ist bei der Spulenkonstruktion sehr schwierig zu erreichen. Daher haben pneumatische Magnetventile immer eine sehr geringe (aber akzeptable) interne Leckage. Bei dieser Art von Ventilen kann die Luft in beide Richtungen durch das Ventil strömen. Dies wird als bidirektional bezeichnet.
Die zum Bewegen des Steuerkolbens erforderliche Kraft kann relativ gering sein; der Luftdruck hat nur einen geringen Einfluss auf die erforderliche Kraft. Außerdem ist die Federkraft bei monostabilen Ventilen recht gering. Daher verbrauchen die Magnete in der Regel nur wenig Strom. Da die meisten Ventile vorgesteuert sind, ist die erforderliche Kraft des Magneten noch geringer. Vorsteuerbetrieb (indirekter Betrieb) bedeutet, dass das Ventil den Luftdruck zur Betätigung des Ventils nutzt, wobei der Luftdruck durch den Magneten gesteuert wird. Bei dieser Konstruktion muss der Magnet eine viel geringere Kraft aufbringen als die Kraft, die durch den Luftdruck erzeugt wird. Das Ventil kann intern vorgesteuert oder extern vorgesteuert sein. Intern vorgesteuerte Ventile verwenden den Eingangsdruck zur Betätigung des Ventils, extern vorgesteuerte Ventile verwenden einen separaten Kanal für den Vorsteuerbetrieb. Intern gesteuerte Ventile benötigen zum Betrieb einen bestimmten Differenzdruck von typischerweise 0,1 - 1,5 bar. Wenn der Druck zu niedrig ist, schaltet das Ventil bei Betätigung des Magneten nicht um. Innengesteuerte Ventile sind nicht für den Einsatz in Niederdrucksystemen oder Vakuumanwendungen geeignet.
Manchmal fragen Ingenieure, ob ein pneumatisches Magnetventil auch für andere Medien wie Wasser oder Öl verwendet werden kann. Die kurze Antwort lautet, dass dies nicht zu empfehlen ist. Viele pneumatische Magnetventile sind intern vorgesteuert und entlüften eine minimale Luftmenge, die zur Betätigung des Ventils erforderlich ist. Ein geringer Luftverlust in die Umgebung ist bei den meisten Anwendungen akzeptabel, nicht aber bei Wasser, Öl oder anderen Medien. Außerdem sind die Ventilwerkstoffe 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.
Schnittdarstellung eines 5/2-Wege-Magnetventils. Im Ventilgehäuse befindet sich ein beweglicher Schieber mit Dichtungen. Durch Verschieben des Steuerkolbens von links nach rechts werden verschiedene Anschlüsse auf beiden Seiten des Ventilgehäuses verbunden oder verschlossen.
Mono-stabile und bi-stabile Ventile
Ein monostabiles Ventil wird durch eine (pneumatische oder Schrauben-) Feder in seiner Grundstellung gehalten. Sobald das Ventil betätigt wird (z.B. durch einen Magneten), schaltet das Ventil in den bestromten Zustand. Wenn die (elektrische) Stromversorgung unterbrochen wird, kehrt das Ventil in seine Ausgangsstellung zurück. Diese Ventile werden auch als einfachwirkende Magnetventile bezeichnet.
Ein bi-stabiles Ventil kann durch eine kurzzeitige Betätigung geschaltet werden und bleibt in seiner Position. Wenn also der Betrieb gestoppt wird, kehrt das Ventil nicht in die Ausgangssituation vor dem Betrieb zurück. Ein bi-stabiles Magnetventil hat in der Regel einen Magneten an beiden Enden des Ventils. Jeder Magnet ist für das Schalten in einen einzigen Zustand zuständig. Diese Ventile werden als doppeltwirkende Magnetventile bezeichnet.
Ventil-Typen
Wegeventile sind mit zwei Nummern versehen. Die erste Zahl gibt an, wie viele Anschlüsse das Ventil hat, und die zweite Zahl gibt die Anzahl der Zustände an. Ein 2/2-Wege-Ventil hat zum Beispiel zwei Anschlüsse (Eingang/Ausgang) und zwei Zustände (offen/geschlossen). Ein 5/2-Wege-Ventil hat fünf Anschlüsse und zwei Zustände. Wegeventile haben in der Regel zwei, drei oder fünf Anschlüsse. In den folgenden Abschnitten werden die verschiedenen Arten näher erläutert.
- 2/2-Wege-Ventil
- 3/2-Wege-Ventil
- 5/2-Wege-Ventil
- 5/3-Wege-Ventil
2/2-Wege-Ventil
Das häufigste und einfachste Ventil ist das 2/2-Wege-Ventil. Es hat zwei Anschlüsse und zwei Zustände (offen und geschlossen) und wird daher auch als Absperrventil bezeichnet. Sie werden in pneumatischen Anwendungen eingesetzt, bei denen die Luftzufuhr periodisch abgesperrt werden muss. 2/2-Wege-Ventile können monostabil oder bi-stabil sein. Bi-stabile 2/2-Wege-Ventile haben in der Regel einen Magneten und werden zum Umschalten des Zustands impulsgesteuert. Diese Ventile werden auch als Verriegelungsventile bezeichnet. Monostabile 2/2-Wege-Ventile können stromlos geschlossen (öffnet bei Betätigung) oder stromlos geöffnet (schließt bei Betätigung) sein. Die meisten 2/2-Wege-Magnetventile sind monostabil und stromlos geschlossen. Die folgende Abbildung zeigt das Symbol für ein normal geschlossenes Ventil. Wenn Sie mehr über die Symbole für Wegeventile wissen möchten, finden Sie eine klare Erklärung im Artikel Ventilsymbole.
Schaltungsfunktion eines stromlos geschlossenen 2/2-Wege-Magnetventils
3/2-Wege-Ventil
Ein 3/2-Wege-Ventil hat drei Anschlüsse und zwei Zustände. Sie werden zum Beispiel zur Steuerung eines einfachwirkenden Zylinders verwendet. Das Ventil dient zum Füllen des Zylinders, aber auch zum Entlüften des Zylinders, um einen neuen Arbeitshub zu realisieren. Daher wäre ein Ventil mit zwei Anschlüssen nicht ausreichend. Ein dritter Anschluss ist für die Entlüftung erforderlich. 3/2-Wege-Ventile können mono-stabil oder bi-stabil sein. Genau wie 2/2-Wege-Ventile können monostabile 3/2-Wege-Ventile stromlos geschlossen oder stromlos geöffnet sein. Das nachstehende Symbol steht für einen monostabilen 3/2-Wege-Schalter, der normalerweise geschlossen ist.
Schaltungsfunktion eines NC 3/2-Wege-Magnetventils
5/2-Wege-Ventil
Ein 5/2-Wege-Ventil hat fünf Anschlüsse und zwei Zustände. Diese Ventile werden z. B. zur Steuerung von doppelt wirkenden Zylindern verwendet. Ein doppelt wirkender Zylinder benötigt zwei Auslassöffnungen des Ventils. 5/2-Wege-Ventile können mono-stabil oder bi-stabil sein.
Schaltungsfunktion eines 5/2-Wege-Magnetventils
5/3-Wege-Ventil
Die oben genannten Ventile haben alle zwei Zustände. Es ist auch ein dritter Zustand möglich, zum Beispiel ein 5/3-Wege-Magnetventil. Der dritte Zustand wird verwendet, um einen doppeltwirkenden Zylinder in einer Zwischenstellung zu stoppen. Diese Ventile sind monostabil und kehren in die Mittelstellung zurück, wenn die Magnete nicht erregt sind. Zwei Magnete werden verwendet, um das Ventil in die beiden anderen Zustände zu schalten. 5/3-Ventile sind in drei Varianten erhältlich: mit geschlossener Mittelstellung, mit entlüftender Mittelstellung und mit druckbeaufschlagter Mittelstellung. Das geschlossene Zentralventil wird durch das unten abgebildete Symbol dargestellt.
Schaltungsfunktion eines mittig geschlossenen 5/3-Wege-Magnetventils
Namur-Standard
Viele pneumatische Magnetventile haben eine standardisierte Flanschkonstruktion, um sie direkt an Geräte wie z. B. einen pneumatischen Antrieb zu montieren. Der am weitesten verbreitete Standard ist die NAMUR-Norm (VDI/VDE 3845), eine europäische Norm, die eine Standardschnittstelle für den direkten Anbau von Wegeventilen an den Drehantrieb definiert. Diese Norm wird weltweit übernommen. Die Ventile werden mit M5-Schrauben am Antrieb befestigt. In den USA hergestellte Stellantriebe haben in der Regel ein #10-24 Gewinde. Das Ventil ist mit zwei O-Ringen zur Abdichtung der Anschlussverbindung zwischen Ventil und Stellantrieb ausgestattet. Das Schnittstellendesign ermöglicht zwei Montagepositionen des Ventils durch Drehen des Ventils um 180 Grad. Dadurch wird die Drehung des Stellantriebs im Verhältnis zur Erregung des Steuerventils geändert.
Die nachstehende Abbildung zeigt die Abmessungen für ein Ventil mit G1/4" und G1/2" Anschlüssen.
| T | A | B | M |
|---|---|---|---|
| G1/4" | 32 | 24 | M5 |
| G1/2" | 45 | 40 | M6 |
Maßzeichnung für den NAMUR-Standardflansch.
