Sperr-, Strom- und Druckventile

Stell dir eine einfache Pneumatiksteuerung vor: Ein doppeltwirkender Zylinder fährt aus und wieder ein. Das eigentliche Umschalten zwischen „ausfahren“ und „einfahren“ übernimmt ein Wegeventil — es lenkt die Druckluft auf die eine oder andere Zylinderseite. Womit sich Wegeventile beschäftigen und wie ihre Schaltstellungen bezeichnet werden, ist ein eigenes Thema; hier reicht: Sie schalten die Richtung des Hauptluftstroms.

Alles, was darüber hinausgeht, erledigen drei andere Ventilgruppen. Man unterscheidet sie am besten nach ihrer Aufgabe.

Sperrventile kümmern sich um die Richtung. Sie lassen Luft nur in eine Richtung durch und sperren in der Gegenrichtung. Damit hält man Positionen, baut logische Verknüpfungen auf oder entlüftet einen Zylinder besonders schnell.

Stromventile kümmern sich um die Menge. Sie verengen den Strömungsquerschnitt und bestimmen so, wie viel Luft pro Zeit durchfließt. Weil die Kolbengeschwindigkeit direkt vom Volumenstrom abhängt, stellt man mit ihnen die Geschwindigkeit eines Zylinders ein.

Druckventile kümmern sich um den Druck. Sie begrenzen ihn nach oben, halten ihn auf einem eingestellten Wert oder geben einen Folgeschritt erst frei, wenn ein bestimmter Druck erreicht ist.

Im Schaltplan sitzen diese Ventile an typischen Stellen: Stromventile meist direkt an den Zylinderanschlüssen, Sperrventile dort, wo Luft gehalten oder verknüpft wird, Druckventile am Anlageneingang oder in Abzweigungen, die druckabhängig schalten sollen.

Ein Sperrventil lässt die Luft in eine Richtung durch und blockiert die Gegenrichtung. Das klingt simpel, ist aber die Grundlage für eine ganze Reihe von Bauteilen.

Rückschlagventil

Das Rückschlagventil ist der Klassiker. Im Inneren sitzt ein Dichtelement — eine Kugel oder ein Kegel — das von einer schwachen Feder gegen einen Sitz gedrückt wird. Strömt Luft in Durchlassrichtung, hebt sie das Dichtelement vom Sitz ab und kann passieren. Kommt der Druck von der anderen Seite, presst er das Dichtelement zusätzlich in den Sitz: Das Ventil sperrt dicht. Ein Rückschlagventil schaltet also rein durch die Strömung selbst, ohne äußere Ansteuerung.

Beim entsperrbaren Rückschlagventil kommt ein Steueranschluss dazu. Über einen separaten Steuerdruck lässt sich das Ventil gezielt öffnen, sodass die Luft auch in die normalerweise gesperrte Richtung zurückströmen kann. Das nutzt man, um einen Zylinder sicher in Position zu halten und ihn erst auf ein Steuersignal hin wieder zu lösen.

Wechselventil — die ODER-Funktion

Das Wechselventil hat zwei Eingänge und einen Ausgang. Liegt an einem der beiden Eingänge Druck an, schiebt eine Kugel den jeweils anderen Eingang zu, und die Luft gelangt zum Ausgang. Es genügt also Druck an Eingang A oder an Eingang B — deshalb spricht man von der ODER-Funktion.

Zweidruckventil — die UND-Funktion

Das Zweidruckventil sieht ähnlich aus, arbeitet aber umgekehrt: Nur wenn an beiden Eingängen gleichzeitig Druck anliegt, gibt es den Ausgang frei. Liegt nur an einem Eingang Druck an, sperrt es. Das ist die UND-Funktion.

Warum baut man solche logischen Verknüpfungen überhaupt aus Ventilen, wenn man dasselbe mit zwei Tastern oder einem Relais elektrisch lösen könnte? Der Grund liegt in der Praxis: In Bereichen mit Explosionsgefahr — etwa in Lackieranlagen, in der Holzverarbeitung oder bei Anlagen mit brennbaren Gasen — sind elektrische Funken unerwünscht oder verboten. Eine rein pneumatische Steuerung kommt ganz ohne elektrische Energie aus und ist dort die sichere Wahl. Auch bei einfachen, robusten Sicherheitsfunktionen, etwa einer Zweihandschaltung, bei der eine Maschine nur startet, wenn beide Hände einen Taster drücken, ist ein Zweidruckventil als pneumatische UND-Verknüpfung zuverlässig und wartungsarm. Genau deshalb verbaut man auch heute noch diese vergleichsweise teuren Ventile, statt einfach zwei Kontakte in Reihe zu schalten.

Schnellentlüftungsventil

Das Schnellentlüftungsventil löst ein anderes Problem. Soll ein Zylinder besonders schnell entlüften, wäre der Weg der Abluft über lange Schläuche zurück zum Wegeventil zu zäh. Das Schnellentlüftungsventil wird direkt am Zylinder montiert und öffnet bei Druckabfall einen großen Auslassquerschnitt direkt ins Freie. Die Abluft muss dann nicht erst den langen Rückweg nehmen — der Zylinder fährt deutlich schneller.

Ein Stromventil verengt den Strömungsquerschnitt. Je enger die Stelle, desto weniger Luft pro Zeit kommt durch — und damit lässt sich die Geschwindigkeit eines Zylinders einstellen.

Drosselventil und Drossel-Rückschlagventil

Das einfache Drosselventil hat einen einstellbaren Querschnitt und wirkt in beide Richtungen gleich. In der Praxis will man aber meist nur eine Strömungsrichtung drosseln und die andere frei durchlassen. Genau das macht das Drossel-Rückschlagventil: Es kombiniert eine einstellbare Drossel mit einem parallel geschalteten Rückschlagventil. In der einen Richtung sperrt das Rückschlagventil, und die Luft wird durch die Drossel gezwungen — sie wird gedrosselt. In der Gegenrichtung öffnet das Rückschlagventil einen freien Weg am Bypass vorbei, und die Luft strömt ungehindert.

Zuluft- und Abluftdrosselung

Beim doppeltwirkenden Zylinder kann man auf zwei Arten drosseln. Bei der Zuluftdrosselung sitzt die Drossel in der zuströmenden Leitung — die Luft, die den Kolben antreibt, wird gedrosselt. Bei der Abluftdrosselung sitzt die Drossel in der abströmenden Leitung — die Luft, die auf der Gegenseite entweicht, wird gebremst.

In der Praxis läuft die Abluftdrosselung fast immer ruhiger. Der Grund liegt im Stick-Slip-Effekt (Ruckgleiten): Ein Kolben haftet im Stillstand stärker (Haftreibung) als er gleitet (Gleitreibung). Bei der Zuluftdrosselung baut sich der Druck vor dem haftenden Kolben langsam auf, bis die Haftreibung überwunden ist — dann löst sich der Kolben ruckartig, schießt vor, der Druck fällt ab, der Kolben bleibt fast stehen, der Druck baut sich erneut auf. Verstärkt wird das durch die Kompressibilität der Luft: Das komprimierte Luftpolster auf der Zuluftseite wirkt wie eine weiche Feder und gibt seine gespeicherte Energie stoßweise ab. Das Ergebnis ist eine ruckelnde, springende Bewegung.

Bei der Abluftdrosselung steht der Kolben dagegen zwischen zwei Luftpolstern: Auf der Zuluftseite drückt voller Betriebsdruck, auf der Abluftseite wirkt das gedrosselte, leicht aufgestaute Luftpolster als Gegenkraft. Der Kolben ist sozusagen eingespannt und läuft dadurch gleichmäßig — das Ruckgleiten tritt kaum auf. Deshalb ist die Abluftdrosselung beim doppeltwirkenden Zylinder die übliche Wahl.

Volumenstrom und Kolbengeschwindigkeit

Der Zusammenhang zwischen durchströmender Luftmenge und Geschwindigkeit ist einfach: Der Volumenstrom ist das Produkt aus Kolbenfläche und Kolbengeschwindigkeit. Umgestellt nach der Geschwindigkeit ergibt sich:

Je kleiner der von der Drossel durchgelassene Volumenstrom, desto langsamer fährt der Kolben. Wie groß der Volumenstrom durch eine Drossel tatsächlich ist, beschreibt man über einen Durchfluss-Kennwert (oft als Q-Wert oder Kv-Wert angegeben), der den Querschnitt und die Druckverhältnisse zusammenfasst. Für das Verständnis reicht: Mehr Querschnitt bedeutet mehr Volumenstrom bedeutet höhere Geschwindigkeit.

Druckventile beeinflussen nicht die Richtung oder die menge, sondern den Druck selbst. Drei Bauarten sind in der Pneumatik geläufig.

Druckbegrenzungsventil

Das Druckbegrenzungsventil schützt die Anlage vor zu hohem Druck. Im Inneren drückt eine einstellbare Feder einen Kolben oder Kegel gegen einen Sitz. Solange der Systemdruck unter dem eingestellten Wert bleibt, hält die Feder das Ventil geschlossen. Übersteigt der Druck den Sollwert, schiebt die Druckkraft den Kolben gegen die Feder, das Ventil öffnet und bläst die überschüssige Luft ab. So wirkt es als Sicherheitsventil. Der Öffnungspunkt ergibt sich aus dem Gleichgewicht zwischen der Federkraft und der Druckkraft auf den Kolben:

Das Ventil öffnet, sobald die Druckkraft F die eingestellte Federkraft erreicht.

Druckregelventil

Das Druckregelventil (Druckminderer) hält an seinem Ausgang einen konstanten, einstellbaren Druck, auch wenn der Eingangsdruck schwankt oder höher liegt. Dieses Bauteil kennt man bereits aus der Wartungseinheit, wo es den Netzdruck auf den benötigten Arbeitsdruck herunterregelt. In Teilbereichen einer Anlage setzt man es ein, wenn dort ein niedrigerer oder besonders stabiler Druck gebraucht wird als im Rest des Systems.

Druckschaltventil / Folgeventil

Das Druckschaltventil (auch Folgeventil) gibt einen Anschluss erst frei, wenn ein eingestellter Druck erreicht ist. Damit lassen sich Abläufe druckabhängig steuern: Erst wenn ein Zylinder vollständig ausgefahren ist und sich der Druck in seiner Kammer aufgebaut hat, schaltet das Folgeventil und löst den nächsten Schritt aus — etwa das Ausfahren eines zweiten Zylinders. Intern wirkt der Steuerdruck gegen eine einstellbare Feder; übersteigt er den Sollwert, schaltet das Ventil durch.

Einzeln betrachtet wirkt jede Ventilfamilie überschaubar. Ihre Stärke zeigt sich erst im Zusammenspiel. Schau dir einen typischen Arbeitsschritt an: Ein doppeltwirkender Zylinder soll eine Last anheben, in der oberen Position sicher halten und kontrolliert wieder absenken.

Das Wegeventil schaltet zwischen Heben und Senken um — es bestimmt die Richtung. Ein Stromventil, meist als Drossel-Rückschlagventil mit Abluftdrosselung, sorgt dafür, dass die Last gleichmäßig und nicht ruckartig fährt — es dosiert die Menge. Ein Sperrventil, etwa ein entsperrbares Rückschlagventil, hält die Last in der oberen Position fest, auch wenn der Druck im System abfällt — es sichert die Richtung. Und ein Druckventil am Anlageneingang begrenzt den maximalen Druck, damit nichts überlastet wird — es überwacht den Druck.

So greifen die vier Funktionen ineinander: Richtung schalten, Menge dosieren, Richtung sperren, Druck überwachen. In komplexeren Anlagen kommen druckabhängige Folgeschritte über Druckschaltventile hinzu, und logische Bedingungen werden über Wechsel- und Zweidruckventile abgebildet.

Wie diese Bauteile im Schaltplan einheitlich dargestellt werden, ist über die ÖNORM EN ISO 1219 geregelt; wie man die Ventile direkt oder indirekt ansteuert, ist ein eigenes Thema. Für das Verständnis der Funktion zählt vor allem, jederzeit die Frage beantworten zu können: Geht es bei diesem Ventil um Richtung, um Menge oder um Druck?