Pneumatische Systeme - christiani-akademie.de · zahl von 500.000 Umdrehungen pro Minute entspricht einem solchen Motor. Turbinenmotoren sind überlastsicher, explosionssicher und

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Bild 4Aufbau pneumatischerSysteme

Pneumatische SystemeEin pneumatisches System hat in seinem Aufbau immer die gleichenStrukturen, die sie in Bild 4 sehen können.

Pneumatische Systeme

Um jetzt bei der Konstruktion, Entwicklung und Wartung von pneu-matischen Steuerungen nicht die Übersicht zu verlieren, gibt es nachDIN ISO 1219 grafische Symbole für Schaltpläne. Die gleichen Sym-bole finden auch in der Hydraulik Verwendung. Hier nun die wichtig-sten Elemente:

ArbeitselementeEin Arbeitselement - auch Aktor genannt - reagiert über Stellelementeauf die Steuersignale und setzt dann die Versorgungsenergie in Arbeitum. Pneumatische Arbeitselemente können gradlinige Bewegungenund Drehbewegungen erzeugen.

Für geradlinige Bewegungen (Linearbewegung) werden einfachwir-kende und doppeltwirkende Zylinder verwendet. Diese kann man zuden wichtigsten Arbeitsgeräten in der pneumatischen Automatisie-rung zählen. Für Drehbewegungen (Rotationsbewegung) werden z.B.Kolbenmotoren verwendet.

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Einfachwirkender Zylinder

Einfachwirkende Zylinder können nur in eine Richtung Arbeit leisten,da sie nur von einer Seite mit Druckluft beaufschlagt werden. Die vomPneumatikzylinder ausgeübte Kraft (Bild 5), die Kolbenkraft Feff ergibtsich aus dem Produkt Kolbenfläche A · Überdruck pe, vermindert umdie Verlustkraft, die durch den Reibungswiderstand und die Feder-rückstellkraft entsteht.

Die Verlustkraft wird in unserem Lehrgang zusammen mit dem Wir-kungsgrad betrachtet. Der Wirkungsgrad von einfachwirkenden Zylin-dern liegt zwischen 80 % und 95 %.

Formel 4


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Bild 5Funktionsprinzip des einfachwirkenden Zylinders

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Über den Durchmesser der Kolbenfläche können wir nun beim aus-fahrenden Zylinder die Kraft Feff bestimmen:

Formel 5

Die Rückstellung der Kolbenstange erfolgt durch äußere Krafteinwir-kung oder durch eine eingebaute Feder. Die eingebaute Feder be-grenzt durch ihre Länge den Hub des einfachwirkenden Zylinders undbeträgt ca. 80 Millimeter. Die Bewegungsfunktion dieses Zylindersbezeichnet man als „Zubringen“, da er keine Rückwärtsbewegungaktiv ausführen kann.

Es gibt verschiedene Bauarten von einfachwirkenden Zylindern: DenKolbenstangenzylinder und den Membranzylinder.

Bild 6Symbole von Pneumatikzy-lindern

a) EinfachwirkenderZylinder

b) EinfachwirkenderZylinder mit Rückstell-feder

c) DoppeltwirkenderZylinder

d) DoppeltwirkenderZylinder mit Dämpfung

e) DoppeltwirkenderZylinder mit regelbarerDämpfung

f) Tandemzylinderg) Doppeltwirkender

Zylinder mit regelbarerDämpfung und durch-gehender Kolbenstange

h) DoppeltwirkenderZylinder mit magnetischerKupplung

Bild 7Einfachwirkender Pneuma-tikzylinder mit Rückstell-feder

�� 11Pneumatische Systeme

Bild 8Membranzylinder

Der Membranzylinder wird für Kurzhubanwendungen wie z.B. zumSpannen und Pressen eingesetzt.

Die Funktionsweise des Membranzylinders können sie sehr gut imBild 8 erkennen. Durch die beaufschlagte Druckluft wird die Membrannach rechts gerückt und damit eine Hubbewegung erzeugt.

Beispiel:

Zum Spannen eines Werkstücks mit einem Kolbenzylinder wird eineKraft von 3000 N (Newton) benötigt. Der Überdruck am Zylinderein-tritt beträgt 6 bar, der Wirkungsgrad des Membranzylinders beträgt90 %. Es stehen 3 Zylindertypen mit unterschiedlichen Membran-durchmessern von 50 mm, 70 mm und 100 mm zur Auswahl. WelcherDurchmesser kommt in Frage?

Lösung:

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Wir setzen den Wirkungsgrad η, die Kraft Feff in N und den Überdruckpe in N/cm2 (1 bar = 10 N/cm2) ein und erhalten den Durchmesser Din cm.

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Es kommt also nur ein Zylinder mit 100 mm Kolbendurchmesser in-frage.

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Bild 9Funktionsprinzip des dop-peltwirkenden Zylinders

Doppeltwirkender Zylinder

Diese Zylinderbauart ist am verbreitetsten. Die Druckluft wird über einWegeventil gesteuert und abwechselnd der einen oder der anderenSeite des Kolbens zugeführt. Der Kolben kann also in beiden Bewe-gungsrichtungen aktiv arbeiten. Wegen der Ungleichheit der Flächen -die Ringfläche ist kleiner als die Kolbenfläche - sind die Kräfte in bei-den Richtungen verschiedenen. Die Kraft beim Ausfahren des Zylin-ders bestimmen wir genauso wie bei einem einfachwirkenden Zylin-der.

Die Kolbenkraft Feff beim einfahrenden Zylinder bestimmen wir wiefolgt:

(siehe Formel 4)


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Da die beaufschlagte Fläche in diesem Fall aber ein Kreisring ist, istdie Kolbenkraft Feff beim Einfahren geringer als beim Ausfahren.

(vgl Formel 4) Formel 6

Wirkungsgrade bei doppeltwirkenden Zylindern liegen zwischen 90Prozent und 97 Prozent.

Beispiel:

Ein doppeltwirkender Zylinder hat einen Kolbedurchmesser von 50mm. Die Kolbenstange hat einen Durchmesser von 20 mm. Beauf-schlagt wird der Zylinder mit einem Überdruck pe = 5 bar. Welche ma-ximale Druckkraft kann der Zylinder beim Ausfahren und beim Einfah-ren ausüben. Die Verlustleistung liegt bei fünf Prozent.

Lösung:

Zuerst bestimmen wir den Wirkungsgrad:

η = 100% - 5% = 0,95

Danach setzen wir in die Formeln für die Effektivkraft beim Ein- undAusfahren des Zylinders für den Überdruck 50 N/cm2, für die Durch-messer jeweils 5cm bzw. 2cm und für den Wirkungsgrad die be-stimmte Größe von 0,95 ein.

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Bild 11Pneumatikschlagzylinder

Bild 10Hydro-Pneumatikzylinder

Beim Ausfahren kann der Zylinder eine Kraft von 900 N und beim Ein-fahren 750 N erzeugen.

Ausgewählte Beispiele für doppeltwirkende Zylinder

Hydro-Pneumatikzylinder (Bild 10): Mit Hydro-Pneumatikzylindern(griechisch „hydor“ = Wasser, vgl. Seite 27) erreicht man konstanteund gleichmäßige Hubbewegungen, auch bei unterschiedlichen Bela-stungen während des Hubes. Der Hydro-Pneumatikzylinder bestehtpraktisch aus zwei Zylinderteilen, und zwar aus einem Pneumatikzy-linder als Arbeitszylinder und einem Hydraulikzylinder als Regelzylin-der. Beide Zylinder sind durch eine Kolbenstange miteinander verbun-den.

Pneumatikschlagzylinder (Bild 11) setzt man für Arbeiten wie Bör-deln, Nieten, Pressen, Lochen, Schneiden, Prägen, Stanzen, Signie-ren usw. ein. Die Schlagzylinder haben folgende Funktionsmerkmale:Ein Zwischenstück unterteilt den Zylinder in zwei Räume A und B. InGrundstellung liegt der Kolben mit der Fläche 1 am Zwischenstückan. Der im Zylinderraum A anstehende Druck p1 presst den Kolbengegen den Sitz am Zwischenstück. Im Zylinderraum B herrscht zu-nächst normaler atmosphärischer Druck. Wird der Zylinderraum Adurch ein Umsteuerorgan entlüftet und Zylinderraum B mit Druck be-aufschlagt, so baut sich der Druck p1 im Zylinderraum A ständig ab,wirkt aber immer noch auf die Kolbenringfläche 3. Im Zylinderraum Bbaut sich ein Druck p2 auf und wirkt auf die reduzierte Kolbenfläche 2.Wird nun die Druckdifferenz der beiden Drücke p1 und p2 und somitauch die Differenz der Kräfte auf den Kolben so groß, dass der Kol-ben sich vom Sitz abhebt, so wirkt der Druck p2 im Zylinderraum Bschlagartig auf die gesamte Kolbenfläche und es entsteht eine starkeKraft.. Die hohe Schlagkraft ist aber nur für kurze Hübe zu erreichen.

Pneumatikzylinder mit Stetig-Antrieb werden überall dort verwendet,wo eine ständig oszillierende (hin- und hergehende) Bewegung derKolbenstange erforderlich ist, wie zum Beispiel in der guten altenDampflok. Sie haben nur einen Druckanschluss. Die Umsteuerele-mente sind im Deckel und Boden eingebaut. In seiner jeweiligen End-stellung betätigt der Zylinderkolben die Umsteuerelemente, die wie-derum wechselseitig einen im Zylinderboden befindlichen Kolben-schieber umsteuern. Die Folge ist eine automatisch aus- und einfah-rende Bewegung der Kolbenstange.

Mehrstellungszylinder: Mit einem normalen Zylinder sind zwei stabi-le Arbeitsstellungen möglich, nämlich „Kolbenstange voll ausgefah-ren“ und „Kolbenstange voll eingefahren“. Es ist kaum möglich, miteiner Schaltanordnung eine genau abgestimmte Zwischenstellung zufixieren, vor allem dann nicht, wenn der Kolben bei Wiederholung im-mer wieder dieselbe Stellung einnehmen soll.

Mit einem Mehrstellungszylinder erreicht man z. B. drei oder vier fe-ste, wiederholbare Stellungen. Werden die Zylinderböden zweiergleichlanger Zylinder zusammengeflanscht, so ergeben sich drei festeStellungen (Bild 12a). Sind die Zylinder noch unterschiedlich lang, solassen sich vier Stellungen erreichen (siehe Bild 12b).

Bild 12Mehrstellungszylinder

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Stellzylinder (Positionierzylinder): Stellzylinder ermöglichen das ge-naue Wiederholen (Positionieren) einer bestimmten, dem Anwen-dungsfall entsprechend einzuregulierenden Stellung. Sie besitzen ne-ben der Einstellregulierung ein integriertes Wegeventil (Siehe Seite20).

Druckübersetzer (Bild 13): Sie übersetzen einen relativ niedrigen Ein-gangsdruck in einen hohen Ausgangsdruck; dies geschieht auf fol-gende Weise. Der Eingangsdruck tritt in den Raum X ein und wirkt aufden Kolben mit der größeren Fläche, der wiederum den Kolben mitder kleineren Fläche in den Raum Y bewegt. Der Quotient (vgl. Seite6) der Kolbenflächen im Raum X und im Raum Y ergibt das Druck-übersetzungsverhältnis. Druckübersetzer können mit Luft/Öl, Luft/Luft oder Öl/Öl arbeiten.

Dämpfung: Wenn die Zylinder in ihren Endstellungen hart anschla-gen, führt dies zu Beschädigungen. Deshalb müssen sie in den End-stellungen gedämpft werden. Dies wird im Allgemeinen dadurch er-reich, dass man die vom Kolben bewegte Abluft zur Dämpfung be-nutzt, indem man sie durch Umlenken durch entsprechende Kanälelangsam entweichen lässt. Die Auslegung der Dämpfung richtet sichnicht allein nach der Zylinderkraft, sonder auch nach der kinetischenEnergie der zu bewegenden Massen.

Drehzylinder: Der Drehzylinder, auch Schwenkzylinder oder Schwenk-motor genannt (Bild 14), wandelt eine geradlinige Kolbenbewegung ineine Drehbewegung. Er besteht aus einer Kolbenstange mit zwei Kol-ben. Die Kolbenstange ist als Zahnstange ausgebildet und treibt einRitzel an. Die Drehbereiche sind verschieden und sind in Ausführun-gen von 45°, 90°, 180°, 270° und 360° zu erhalten. Es können Dreh-momente bis zu 150 Nm (Newtonmeter) mit ihnen erreicht werden.

Technische Daten von Zylindern

Für die Auswahl von Zylindern sind einige technische Daten zu be-achten. Am besten greift man dabei auf die Herstellerdaten zurück,da diese für bestimmte Ausführungen und Anwendungen aussage-kräftiger sind als eine theoretische Berechnung. Dass die Kolbenkraftdes Arbeitselementes von dem Zylinderdurchmesser, dem Luftdruckund den Verlusten abhängig ist haben wir oben bereits ausgeführt.Sollten wir keinen Wirkungsgrad des Zylinders kennen, so rechnenwir der Einfachheit halber mit einem Wirkungsgrad von 90 Prozent.Bei einem Betriebsdruck von 10 bar und einem Kolbendurchmesservon 300 mm lassen sich damit Kräfte von bis zu 80.000 N (Newton)erreichen.

Bei der Hublänge ist zu beachten, dass die mechanischen Belastun-gen der Führungslager und der Kolbenstange größer werden, je grö-ßer der Hub ist. Die Hublänge bei Pneumatikzylindern sollte deshalb 2Meter nicht übersteigen. Kolbenstangenlose Zylinder hingegen kön-nen Hublängen bis zu zehn Meter erreichen.

Auch die Kolbengeschwindigkeit ist ein nicht unerhebliches Kriteriumfür die Auswahl von Pneumatikzylindern Sie ist sehr stark vom Luft-druck und der Durchflussmenge durch das Stellelement abhängig.Standard-Zylinder haben eine mittlere Kolbengeschwindigkeit von 0,1


Bild 14Drehzylinder

Bild 13Druckübersetzer


qH = Luftverbrauch proHub (l)

qB = Luftverbrauch (l/min)s = Hub (cm)n = Hubanzahl pro Minute

(1/min)

bis 1,5 Meter pro Sekunde. Mit Schlagzylindern werden Geschwin-digkeiten von bis zu 10 Meter pro Sekunde erreicht.

Der Luftverbrauch ist ein hoher Kostenfaktor innerhalb der Pneuma-tik. Er wird in Litern angesaugter Luft pro Minute angegeben. DerLuftverbrauch lässt sich bestimmen aus dem Produkt des Arbeits-druck, dem Zylindervolumen und den Hüben pro Minute.

Formel 7

Einfachwirkender Zylinder: Formel 8

Doppeltwirkender Zylinder: Formel 9

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Das unterschiedliche Volumen bei Vor- und Rückhub im doppeltwir-kenden Zylinder kann vernachlässigt werden.

Pneumatische Zylinder sind in folgenden typischen Größen erhältlich.

20/8, 25/10, 32/12, 40/16, 50/20, 63/20, 80/25, 100/30...und größer.

Dabei stellt der erste Wert den Innendurchmessers des Zylinders (D inmm) und der zweite Wert den Außendurchmesser (d in mm) der Kol-benstange dar.

Frage 1:Ein einfachwirkender Zylinder (100/30) wird mit einem Absolutdruckvon 8 bar beaufschlagt. Er hat einen Hub von 170 mm. Wie groß istdie Kraft des Zylinders bei einem Wirkungsgrad von 95 %?Wie groß ist sein Luftverbrauch bei einer Anzahl von 15 Hüben proMinute?

Frage 2:Der einfachwirkende Zylinder wird durch einen doppeltwirkendenZylinder gleicher Größe ersetzt. Sein Wirkungsgrad beträgt nur noch90 %. Welche Kräfte beim ein- bzw. ausfahren kann der Kolben errei-chen und wie groß ist der Luftverbrauch jetzt?

Die Antworten auf diese Fragen finden Sie auf der Seite 54.

MotorenUm pneumatische Energien in fortlaufende mechanische Drehbewe-gung und zu formen, benötigt man Druckluftmotoren (Bild 15). ImMontagebereich gehört der Druckluftmotor zu den häufig verwende-ten Arbeitselementen. Es gibt vier nach Aufbau zu unterscheidendeDruckluftmotorentypen.

Kolbenmotoren: Die maximale Drehzahl des Kolbenmotors liegt beica. 5.000 Umdrehungen pro Minute und ihr Leistungsbereich liegtzwischen 1,5 und 19 KW.

Zahnradmotoren stehen mit einer Leistung bis zu 44 KW zur Verfü-gung.

Bild 15Druckluftmotor

��16 Pneumatische Systeme

Turbinenmotoren haben eine sehr hohe Drehzahl aber nur eine ge-ringe Leistung. Der Luftbohrer beim Zahnarzt mit einer Umdrehungs-zahl von 500.000 Umdrehungen pro Minute entspricht einem solchenMotor. Turbinenmotoren sind überlastsicher, explosionssicher und ha-ben einen geringeren Wartungsaufwand.

Lamellenmotoren sind die am häufigsten angewandten Druckluftmo-toren. Ihre Rotordrehzahl liegt zwischen 3.000 und 8.500 Umdrehun-gen pro Minute und der Leistungsbereich liegt zwischen 0,1 und 17KW.

AnzeigeninstrumenteAnzeigeinstrumente dienen der Fehlerdiagnose und geben Auskunftüber den Betriebszustand des pneumatischen Systems. Hierzu gehö-ren Zähler, Druckmessgeräte, Zeitgeber und optische Signalgeber.Die Farben der Optische Signalgeber sind in der DIN VDE 0113 gere-gelt.

Farbe Bedeutung Anmerkung

Rot Halt, Aus Maschinen- oder Anlagezustand,der sofortige Maßnahmen verlangt

Gelb Eingriff Änderung oder unmittelbarbevorstehende Änderung vonBedingungen

Grün Start, Ein Normaler Betrieb, sicherer Zustand,freie Eingabe

Blau Beliebige Beliebige Bedeutung, die nicht durchBedeutung rot, gelb oder grün ausgedrückt

werden kann

Weiß oder Keiner Ohne besondere Bedeutung, kannfarblos besonderen in Fällen benutzt werden, wo weder

Bedeutung rot, gelb oder grün benutzt werdenzugeordnet kann

VersorgungselementeDie Zuverlässigkeit eines pneumatischen Netzes hängt sehr starkvom konstanten Arbeitsdruck sowie von trockner und gereinigter Luftab. Wir wollen uns hier kurz einen Überblick verschaffen über dieTechnik, die wir für die Drucklufterzeugung benötigten.

Zuerst brauchen wir einen Verdichter oder Kompressor. Der am häu-figsten verwendete Kompressor ist ein Hubkolbenverdichter. Diesesind für große Druckbereiche erhältlich. Einstufige und Hubkolbenver-dichter haben ihren optimal Druckbereich bei 4 bar, Zweistufige bei15 bar und bei drei- oder mehrstufigen Hubkolbenverdichtern sind Ar-beitsdrücke von mehr als 15 bar möglich.

Durch rotierende Kolben wird die Luft in Drehkolbenverdichter kom-

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Bild 16Trockner

primiert. Dabei wird während der Rotation der Verdichtungsraum kon-tinuierlich verengt.

Strömungsverdichter werden für große Liefermengen eingesetzt. DieLuft wird hierbei mit mehreren Turbinenrädern in Strömung versetztund die Bewegungsenergie wird in Druckenergie umgewandelt.

Ein Druckluftspeicher gleicht Druckschwankungen bei der Entnah-me der Druckluft aus und dient somit der Stabilisierung des Luft-drucks. Die Fördermenge des Verdichters, der Luftbedarf des Sy-stems und die zulässigen Druckschwankungen im Netz sind Kriterienfür die Größe des Druckluftspeichers.

Lufttrockner (Bild 16): Wasser kann die Lebensdauer und Zuverläs-sigkeit eines pneumatischen Systems herabsetzen. Dieses Wassergelangt als Luftfeuchtigkeit der angesaugten Luft in das System. DieLuftfeuchtigkeit, angegeben als relative Feuchtigkeit, hängt wieder-um von der Wetterlage und der Lufttemperatur ab.Die relative Feuchtigkeit lässt sich als Quotient zwischen absoluterFeuchtigkeit und Sättigungsmenge bestimmen.

relative Feuchtigkeit = absolute Feuchtigkeit / Sättigungsmenge · 100%

Dabei ist die absolute Feuchtigkeit die Menge Wasser, die in der Luftgelöst ist. Die Sättigungsmenge ist die Wasserdampfmenge, die einKubikmeter Luft aufnehmen kann. Sie ist stark von der Temperaturabhängig und geringer, je kälter die Temperatur ist.Diesen Umstand nutzt man bei Kältetrocknern aus. Man kühlt dieLuft so weit ab, bis der Taupunkt erreicht wird. Der Taupunkt ist dieTemperatur, bei der die absolute Feuchtigkeit genauso groß ist wiedie Sättigungsmenge, also die relative Feuchtigkeit 100 % beträgt.Wird die Luft jetzt weiter abgekühlt, so kondensiert ein Teil des ent-haltenen Wasserdampfes.Eine weitere Möglichkeit die Luft zu trocken, bietet der sog. Adsorpti-onstrockner. Bei ihm wird die Feuchtigkeit an der Oberfläche festerKörper eingelagert. Diese Körper, auch Trocknungsmittel genannt, be-stehen größtenteils aus Siliziumdioxid. Die dritte Variante ist Absorp-tionstrocknung. Es handelt sich um ein chemisches Verfahren, wel-ches hohe Betriebskosten verursacht. Dabei bindet ein fester oderflüssiger Stoff einen gasförmigen Stoff. Wegen der hohen Kosten wirddiese Variante selten eingesetzt.

Leitungsnetze: Nachdem wir nun trockene Druckluft erzeugt habenmuss die Luft zu den Steuerstellen und Arbeitsplätzen verteilt werden.Dabei haben sich Verbundnetze (Bild 17) durchgesetzt, da man hierTeile der Anlage zu Wartungszwecken abschalten kann, ohne den ge-samten Betrieb still zu legen.

Bild 17Verbundnetz



Wartungseinheit: Zu der Druckluftaufbereitung gehört noch das Fil-tern, Regeln und Ölen der Druckluft. Dies kann durch kombinierteWartungseinheiten, aber auch durch Einzelkomponenten geschehen.

Der Druckfilter (Bild 17) entfernt Verunreinigungen, Kondenswasserund übermäßiges Öl aus der Druckluft. Diese können Schäden beiDichtungen und beweglichen Teilen hervorrufen, bzw. in der Lebens-mittelindustrie die zu verarbeitenden Produkte verschmutzen.

Das Druckregelventil (Bild 19) sorgt für einen konstanten Arbeits-druck. Auf Grund der Wirtschaftlichkeit wird in der Praxis für den Lei-stungsteil ein Arbeitsdruck von 6 bar (600 kPa) und im Steuerteil von3 bis 4 bar (300 bis 400 kPa) eingestellt.

Öler (Bild 20) müssen in modernen Anlagen nur noch bei Bedarf imLeistungsteil eingesetzt werden. In Steuerteil sollte die Druckluft nichtmit Öl versetzt werden.

SteuerelementeDie Bewegungen von Zylindern müssen der Aufgabe entsprechendgesteuert werden. Dies realisieren wir im Allgemeinen mit Wegeventi-len. Es gibt viele unterschiedliche Ausführungen und Konstruktionsar-ten. Dabei unterscheiden wir zwischen Sitzventilen, wie dem Kugel-sitzventil und den Schieberventilen, wie den Kolbenventilen. Die Artdes Ventils ist wichtig für seinen Einsatzbereich, die Prinzipien sindaber für alle gleich.

Beginnen wir mit dem Aufbau von Wegeventilen in den Schaltsymbo-len

Quadrate stellen Schaltstellungen dar

Die Anzahl der Schaltstellungen wird durch die An-zahl der Quadrate angezeigt

Durchflusswege werden mit Linien dargestellt undder Pfeil gibt die Durchflussrichtung an

Zwei rechtwinkelig zueinander stehende Liniengeben gesperrte Anschlüsse an

Zu- und Abluftanschlüsse werden von Außen an einQuadrat gezeichnet

Die Bezeichnung der Anschlüsse ist nach DIN ISO 5599-3 geregelt.Wir treffen aber auch das veraltete Buchstabensystem noch an.

Bild 18Filter

Bild 19Druckregelventil

Bild 20Öler


Steuerleitungen

Arbeitsleitungen

DIN ISO Anschlussart Buchstaben- 5599-3 system

1 Druckluftanschluss P

2, 4 Arbeitsleitungen A, B

3, 5 Entlüftungsleitungen R, S

10 Ein anstehendes Signal sperrt den ZDurchgang zwischen denAnschlüssen 1 und 2

12 Ein anstehendes Signal verbindet die Y, ZAnschlüsse 1 und 2

14 Ein anstehendes Signal verbindet die ZAnschlüsse 1 und 4

81, 91 Hilfssteuerluft Pz

In diesem Lehrgang werden wir die Bezeichnung nachDIN ISO 5599-3 verwenden.

Anhand der Bezeichnung des Wegeventils (Bild 21) können wir erken-nen, wie viele Schaltstellungen und Anschlüsse es hat. Die erste Zahlgibt die Anzahl der Anschlüsse und die zweite die Anzahl der Schalt-stellungen an. Ein 5/3-Wegeventil hat also 5 Anschlüsse und 3 Schalt-stellungen. Hier nun eine Auswahl der wichtigsten Wegeventile undihre Aufgaben.

Ein 5/2 Wegeventil kann danach folgendes Erscheinungsbild haben.Dabei gibt die Zahl 5 die Anzahl der Anschlüsse an und die Zahl 2 dieAnzahl der Schaltstellungen (bzw. der Quadrate)

Dieses 5/2 Wegeventil hat in der jetzigen Schaltstellung das Durch-flussverhalten von Anschluss 1 nach 2 und von Anschluss 4 nach 5.Man muss bei der Durchflussrichtung immer auf die Pfeilrichtung ach-ten. Der Anschluss 3 ist hier gesperrt.

Was uns nun noch fehlt, ist eine Kennzeichnung über die Betäti-gungsmöglichkeiten

In Bild 24 sehen Sie einige Beispiele für Betätigungsarten. Diese„Schalter“ werden einfach an das Wegeventil angesetzt und dasSchaltbild ist vollständig (Bild 22). Schaltsymbole werden grundsätz-lich in Ruhestellung gezeichnet.

Bild 215/2-Wegeventil

Bild 22Ruhezstand

Betätigungsarten

Bild 24

Die Funktion im betätigten Zustand - symbolisiert durch den Doppel-pfeil - ist hier das Durchflussverhalten von Anschluss 1 nach 4 undvon Anschluss 2 nach 3. Der Anschluss 5 ist gesperrt. (Bild 23)

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Bild 23Betätigt


Auszüge von weiteren Schaltzeichen und Symbolen finden Sie aufSeite 61 im Anhang

Die wichtigsten Wegeventile

Das 2/2-Wegeventil hat 2 Anschlüsse und 2 Schaltstellungen. Es istentweder geöffnet oder gesperrt und es hat keine Entlüftung.

Das 3/2-Wegeventil hat 3 Anschlüsse und 2 Schaltstellungen. Mitihm können Signale gesetzt und rückgesetzt werden. Durch den An-schluss 3 wird der Signalweg entlüftet.

Bild 25Schaltstellungen des3/2-Wegeventils

Der Schaltplan verdeutlicht die Funktionsweise des 3/2-Wegeventils.Im betätigten Zustand (Bild 25a) strömt die Druckluft über den An-schluss 1 zum Anschluss 2 und Beaufschlagt den einfachwirkendenZylinder. Dieser kann nun ausfahren. Schaltet das Ventil zurück in Ru-hestellung (Bild 25b), so wird der Anschluss 1 abgesperrt und der Zy-linder über den Anschluss 2 nach 3 entlüftet.

Die Funktionsweise des 4/2-Wegeventils ist die zweier unabhängiger3/2-Wegeventile. Das 4/2-Wegeventil wird für die Ansteuerung dop-peltwirkender Zylinder benötigt.

Die Funktionsweise ist dabei recht simpel. In Bild 26a sehen wir einendoppeltwirkenden Zylinder, der über ein 4/2-Wegeventil angesteuert

Bild 26Schaltstellungen des4/2-Wegeventils


Bild 28Anschlussplan des5/2-Wegeventils

Bild 27Anschlussplan des4/3-Wegeventils

wird. Über die Anschlüsse 1 und 2 wird dabei die Druckluft auf denZylinder beaufschlagt und er fährt ein. Über die Anschlüsse 4 und 3kann die Luft den Zylinder verlassen.Im betätigten Zustand nun (Bild 26b) wird die Druckluft über die An-schlüsse 1 und 4 beaufschlagt und die Abluft kann über die An-schlüsse 2 und 3 entweichen. Der Zylinder fährt also aus.

Das 4/3-Wegeventil funktioniert wie das 4 2-Wegeventi,l nur mit demUnterschied, dass eine zusätzliche Mittelstellung eingeführt ist. In die-ser Mittelstellung sind alle Anschlüsse gesperrt. Daraus ergibt sich fürden doppelt wirkende Zylinder die Möglichkeit, den Kolben an jederbeliebigen Stelle anzuhalten. Eine genaue Positionierung ist mit dieserMethode jedoch nicht möglich (Bild 27).

Das 5/2-Wegeventil arbeitet nach dem gleichen Steuerungsprinzipwie das 4/2-Wegeventil. Es kann aber zusätzlich die Luft über ge-trennte Entlüftungsanschlüsse abführen (Bild 28). Der Vorteil bestehtdarin, dass wir die Abluft unterschiedlich drosseln können (vgl.Seite 26).

Das 5/3-Wegeventil vereinigt nun das Steuerungsprinzip des 4/2-Wegeventils mit den Entlüftungsanschlüssen und einer Mittelstellung.Mit diesem Ventil können die Abluftströme unterschiedlich drosseln(vgl. Seite 25).und wir haben die Möglichkeit, den Kolben an jederStelle anzuhalten. Dabei dürfen wir aber nicht vergessen, dass mit ei-nem 5/3-Wegeventil eine genaue Positionierung nicht möglich ist. Ha-ben wir Aufgaben mit genauen Positionierungen, so müssen wir aufeinen Mehrstellungszylinder zurückgreifen (vgl. Seite 13).

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Hier nun das ausführliche Funktionsprinzip eines Zylinderkreislaufs.Für die bessere Übersichtlichkeit habe ich die Kammern im Zylinder Aund B genannt. Bild 29a zeigt das Ventil in Arbeitsstellung. Dabei wirdvon der Druckquelle ausgehend, über die Anschlüsse 1 und 4, dieKammer A beaufschlagt. Aus B kann die Luft über die Anschlüsse 2und 3 entweichen. Durch den höheren Druck in der Kammer A wirdder Kolben nach rechts bewegt. Wird das Ventil nicht verstellt, so be-wegt sich der Kolben bis zum Endanschlag nach rechts.

In Bild 29b nun steht das Ventil auf Mittelstellung. Es kann weder inder Kammer A noch in der Kammer B Luft entweichen oder zugeführtwerden. Ohne eine äußere Krafteinwirkung wird in diesem Fall derKolben eine Stellung einnehmen, so dass in Kammer A und in Kam-mer B der gleiche Luftdruck herrscht. Wo der Kolben genau zum ste-hen kommt, lässt sich nicht vorherbestimmen.

Nachdem der Zylinder nun ausgefahren ist, soll es auch die Möglich-keit geben, ihn wieder einzufahren. Dies geschieht, wie in Bild 29c zusehen, wenn das Ventil in Ruhestellung steht. Dabei wird über die An-schlüsse 1 und 2 die Kammer B mit Druckluft Beaufschlagt. AusKammer A kann die Luft über die Anschlüsse 4 und 5 entweichen.Der höhere Druck in Kammer B sorgt nun dafür, dass der Kolben sichnach links bewegt. Der Kolben bewegt sich so lange nach links wei-ter, bis entweder das Ventil verstellt wird oder der Kolben am Endan-schlag angelangt ist. Nun können wir das Ventil wieder in Arbeitstel-lung Umschalten und der Vorgang beginnt von vorne.

SperrventileRückschlagventile können den Durchfluss in eine Richtung komplettsperren (Bild 30a).Bild 29

5/3-Wegeventila) Arbeitstellungb) Mittelstellungc) Ruhestellung


Bild 30Funktionsprinzip eines Rückschlagventils

Bild 31Symbol des federbelastetenRückschlagventils

a) b)

Bild 32Schnellentlüftungsventil

Mit möglichst geringem Druckverlust strömt die Luft in anderer Rich-tung hindurch. Rückschlagventile werden meist als Sicherheitsventileeingesetzt, um unnötigen Druckverlust zu vermeiden (Bild 30b).

Das Schnellentlüftungsventil (Bild 32) dient, wie der Name schonsagt, zur schnellen Entlüftung von Zylindern.

In der Schaltstellung im Bild 33a besteht Verbindung vom Druckan-schluss 1 zum Arbeitsanschluss 2. Der Abluftanschluss 3 ist gesperrt.

In der anderen Schaltstellung (Bild 33b) besteht, nachdem bei 1 derDruck abgefallen ist, eine Verbindung zwischen Arbeitsanschluss 2und Abluftanschluss 3. Der Druckanschluss 1 ist durch den nun höhe-ren Druck bei 1(3) gesperrt.


Bild 34Schaltbild Schnellentlüftung

Bild 35Zweidruckventil

Bild 36Sicherheitsschaltung mitZweidruckventil (UND-Funktion)

Bild 33Funktionsprinzip Schnell-entlüftungsventil

Anwendung: Zur Erhöhung der Kolbengeschwindigkeit eines Zylin-ders. Da Schnellentlüftungsventile unmittelbar mit den Zylinderan-schlüssen verbunden werden, kann die Abluft schnell ins Freie ent-weichen (Bild 34).

In Bild 35 sehen Sie das Schaltzeichen eines Zweidruckventils. Mitdiesem Element können zwei Eingangssignale in der UND-Funktionverknüpft werden. Am Arbeitsanschluss 2 tritt dann Luft aus, wennAnschluss 1 und Anschluss 1(3) belüftet sind. Stehen in diesem Fallaber bei 1 und 1(3) unterschiedliche Drücke an, so gelangt der niedri-gere Druck zum Arbeitsanschluss 2.

Anwendung: Zum Schalten eines Wegeventils gleichzeitig von zweiStellen aus, z. B. bei einer Sicherheitsschaltung (Bild 36).


Bild 37Wechselventil

Bild 39Pneumatische Wechsel-schaltung (ODER-Funktion)

Bild 38Funktionsprinzip Wechsel-ventil

Wechselventil: (Bild 37): In der ersten Schaltstellung im Bild 38a be-steht Verbindung vom Anschluss 1(3) zum Arbeitsanschluss 2.

In der zweiten Schaltstellung (Bild 38b) besteht Verbindung zwischendem Anschluss 1 und dem Arbeitsanschluss 2.

Anwendung: Für Wechselschaltungen, d. h. wenn pneumatischerDruck von zwei verschiedenen Stellen wechselseitig zu einem Emp-fänger geleitet werden muss. Das Doppelrückschlagventil erfüllt in ei-ner Steuerung die ODER-Funktion (Bild 39).

Bild 40Feste Drossel

StromventileStromventile beeinflussen durch Verengung des Strömungsquer-schnitts (Drosselung) die durchfließende Luftmenge.

Drosselventile: Drosselventile beeinflussen den Durchfluss der Druck-luft. Sie werden mit festen oder verstellbaren Querschnittsverengun-gen (Querschnittsdrosselung) ausgeführt.

Feste Drosseln (Bild 40) können z. B. als Blenden oder Düsen ausge-führt sein und in Verschraubungen oder Leitungen eingesetzt werden.Sie werden häufig in pneumatische Geräte eingebaut, um eineschlagartige Belüftung und die damit verbundene hohe mechanischeBelastung zu verhindern. Ferner verwendet man sie auch zur Verzö-gerung von Schaltvorgängen.

Einstellbare Drosselventile (Bild 41) ermöglichen eine stufenloseVeränderung des Drosselquerschnittes. Die Verstellung kann z. B. mit


Bild 41Einstellbares Drosselventil

Bild 42Funktionsprinzip eines ein-stellbaren Drosselventil

Bild 43Abluftdrosselung

Hilfe eines Kegels erfolgen, der durch ein Gewinde axial gegen einezylindrische Bohrung verschoben wird.

Anwendung: Zur Regelung der Kolbengeschwindigkeit von Zylin-dern. Die Drosselventile werden an dem Entlüftungsanschluss desZylinders oder des dazugehörigen Wegeventils installiert (Bild 43). DieDruckluftzufuhr bleibt ungedrosselt. Man spricht hier von Abluftdros-selung. Bei Abluftdrosselung ist die Kolbengeschwindigkeit gleichmä-ßiger als bei Zuluftdrosselung.

Drosselrückschlagventil (Bild 44): Drosselrückschlagventile sind ein-stellbare Rückschlagventile.

In der Schaltstellung im Bild 45a ist der Durchfluss in der Richtungvon 1 nach 2 entsprechend der Einstellung der Drosselschraube mehroder weniger stark gedrosselt.

In der umgekehrten Richtung (Bild 45b) strömt die Luft ungedrosseltnach Überwindung der Federkraft über ein Rückschlagventil von 2nach 1.

Bild 44einstellbares Drosselrück-schlagventil Bild 45

Funktionsprinzip eines einstellbaren Drosselrückschlagventils

Anwendung: Zur Regelung der Kolbengeschwindigkeit von Zylindern(Bild 46).

Impulsventile: Alle Ventile, bei denen die Betätigung durch einenDruckluft-Impuls erfolgt, werden mit dem Oberbegriff „Impulsventile“bezeichnet. Ein kurzer Luftimpuls (Luftstoß) genügt, um das Ventil zuschalten. Diese Schaltstellung bleibt solange bestehen, bis sie durcheinen gegenteiligen Impuls wieder aufgehoben wird. Hiernach gehörtz. B. das in Bild 47a dargestellte Ventil zu den Impulsventilen.


Die elektromagnetische Betätigung von Ventilen (Bild 47b) wird an-gewendet, wenn elektromechanische oder elektronische Schalt- undSteuerelemente den Schaltimpuls geben. Sie wird meist bei kom-plizierten Bewegungsabläufen angewendet.

Bild 46Geschwindigkeitseinstel-lung an einem doppeltwir-kendem Zylinder mit Dros-selrückschlagventilen:a) Durch Zuluftdrosselung(nur bei kleinen Zylindern)b) Durch Abluftdrosselung(übliche Ausführung)

Bild 47 a: Impulsventil b) elektromagnetisch betätigtes Ventil

DruckventileDruckventile sind Ventile, die den Druck der Luft beeinflussen.

Druckregelventile (Bild 48) halten den Arbeitsdruck unabhängig vonDruckschwankungen im Netz weitgehend konstant (vgl. Seite 18).Dieses Ventil dient der Aufrechterhaltung eines konstanten Druckesauch bei schwankendem Netzdruck.

Das Druckbegrenzungsventile wird hauptsächlich als Überdruck-ventil bzw. Sicherheitsventil eingesetzt. Es verhindert, dass ein maxi-mal zulässiger Druck im System überschritten wird. Bei Erreichen deszulässigen Maximaldrucks öffnet das Ventil und bleibt solange offen,bis der Maximaldruck unterschritten ist.

Das Druckschaltventil (Bild 49) arbeitet nach dem gleichen Prinzipwie das Druckbegrenzungsventil. Wird in der Steuerleitung 12 der zu-vor eingestellte Druck überschritten, so schaltet das Ventil auf Durch-gang.

Frage 3:

Nennen Sie mindestens zwei Verdichter.

Frage 4:

Nennen Sie vier Sperrventile.

Frage 5:

Bis zu welchen Betriebsdruck lassen sich pneumatische Systemewirtschaftlich realisieren?

A) im Steuerteil

b) im Leistungsteil.

Die Antworten auf diese Fragen finden Sie auf der Seite 54.

Bild 49einstellbares Druck-schaltventil

Bild 48Druckregelventil

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