Pneumatische Systeme: Kompressoren, Zylinder & Ventile im Detail

Kompressoren: Typen und Funktionsweisen

Kolbenkompressor

Der Kolbenkompressor saugt Luft bei atmosphärischem Druck an und verdichtet sie anschließend. Er besteht aus Ein- und Auslassventilen, einem Kolben und einer Pleuelkurbel.

Ansaugphase

Die Welle dreht sich im Uhrzeigersinn. Die Kurbel bewegt den Kolben nach unten, und das Einlassventil öffnet sich etwa 10° vor dem oberen Totpunkt (OT) bis nach dem unteren Totpunkt (UT).

Verdichtungs- und Auslassphase

Im unteren Totpunkt schließt das Ventil, und die Aufwärtsbewegung des Kolbens verdichtet die Luft. Unter dem Einfluss des Drucks öffnet sich das Auslassventil, und die komprimierte Luft strömt zum Verbraucher.

Zweistufiger Kolbenkompressor

Die molekulare Bewegung führt zu einer Temperaturerhöhung, gemäß dem Gesetz der Energieumwandlung. Um einen höheren Druck zu erreichen, ist eine Temperaturreduzierung erforderlich. Bei dieser Art von Kompressor gibt es eine Kühlkammer für die Luft, bevor diese zur zweiten Verdichtungsstufe gelangt.

Zweistufiger, doppeltwirkender Kolbenkompressor

Die Verdichtung wird durch einen hin- und hergehenden Kolben bewirkt. Die Luft wird angesaugt, verdichtet, gekühlt und in einer weiteren Stufe für einen höheren Druck und überragende Leistung erneut komprimiert.

Membrankolbenkompressor

Die Funktionsweise ähnelt der des Kolbenverdichters. Anstelle des Kolbens saugt eine Membran an, die durch eine Hubbewegung angetrieben wird. Der Vorteil dieses Kompressors ist das Fehlen von Öl in der geförderten Luft.

Flügelzellenverdichter

Ein exzentrisch gelagerter Rotor ist mit rotierenden Schaufeln in einem zylindrischen Gehäuse ausgestattet. Die rotierenden Schaufeln werden durch Zentrifugalkraft an die Gehäusewand gepresst und dichten ab. Die Ansaugung erfolgt, wenn das Kammervolumen groß ist, und die Kompression, indem das Volumen zum Ausgang hin schrittweise reduziert wird. Drücke zwischen 200 und 1000 kPa (2 bis 10 bar) können mit Volumenströmen zwischen 4 und 15 m³/min erreicht werden.

Schraubenkompressor

Die Ansaugung und Verdichtung erfolgen durch zwei ineinandergreifende Schrauben. Die Kompression wird axial durchgeführt. Mit diesem Typ können Drücke von 1000 kPa (10 bar) und Volumenströme zwischen 30 und 170 m³/min erreicht werden.

Roots-Kompressor

Zwei Rotoren, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen, umschließen jeweils ein Luftvolumen zwischen der Gehäusewand und ihrem jeweiligen Profil. Dieses Luftvolumen wird eingeschlossen und zum Ausgang transportiert, wo der gewünschte Druck erreicht wird.

Turbokompressor

Diese Art von Kompressor ist eine mehrstufige Turbine. Die Luft wird angesaugt, und der Druck steigt in jeder Stufe um das 1,3-fache.

Radialverdichter

Die angesaugte Luft wird axial mit sehr hoher Geschwindigkeit eingeführt. Die Kompression erfolgt radial. Diese Art von Kompressor wird empfohlen, wenn große Volumenströme benötigt werden. Zwischen den verschiedenen Stufen müssen Kühlkammern vorgesehen werden.

Axialverdichter

Diese Art von Kompressor arbeitet nach dem Prinzip eines Lüfters. Die Luft wird angesaugt und gleichzeitig beschleunigt. Der Druck ist sehr niedrig, aber die Volumenströme können sehr hoch sein.

Druckluftzylinder: Bauarten und Anwendungen

Einfachwirkende Zylinder

Diese Zylinder bestehen aus: Zylinderrohr, Boden- und vorderem Deckel mit Lagerkäfig, Kolben, Kolbenstange, Rückstellfeder, Kappe und Abstreifdichtung. Bei Druckluftzufuhr in den hinteren Teil des Kolbens fährt die Kolbenstange aus. Beim Entlüften kehrt der Kolben in seine Ausgangsposition zurück. Aufgrund der Federlänge sind diese Zylinder nur für Hübe von ca. 100 mm in eine Richtung geeignet.

Anwendung

Diese Zylinder können nur in eine Richtung arbeiten und eignen sich daher zum Ziehen, Antreiben, Positionieren und Halten.

Einfachwirkende Membranzylinder

Diese Zylinder besitzen eine Gummimembran, Kunststoff- oder Metallmembran, die als Kolben dient. Eine Klemmplatte übernimmt die Funktion der Kolbenstange und ist an der Membran befestigt. Der Hub wird durch die Eigenspannung der Membran begrenzt. Membranzylinder ermöglichen nur sehr kurze Hübe.

Anwendung

Stanzen, Nieten und vor allem Halten.

Einfachwirkende Membranzylinder (Variante)

Zwischen zwei Metallgehäusen ist eine Gummi- oder Kunststoffmembran fest eingespannt. Die Kolbenstange ist fest in der Mitte der Membran befestigt. Der Hub wird durch die Schließfeder ausgeführt, unterstützt durch die Spannung der Membran. Reibung tritt nur in der Kolbenstangenführung auf.

Anwendungen

Spannen, Pressen.

Einfachwirkende Zylinder mit Rollmembran

In diesem Zylinder befindet sich eine zylinderförmige Rollmembran. Durch die Zufuhr von Druckluft rollt sich die Membran an der Innenwand des Zylinders ab. Wie bei den vorherigen Typen gibt es minimale Reibung und maximale Dichtwirkung. Der Hub ist kurz, aber sie ermöglichen sehr schnelle Bewegungen und haben eine sehr einfache Konstruktion.

Doppeltwirkende Zylinder

Diese Zylinder bestehen aus: Zylinderrohr, hinterem Deckel, vorderem Lagerdeckel, Lippendichtung, Abstreifdichtung und doppellippiger Kolbenstangendichtung. Bei Druckluftzufuhr von hinten fährt die Kolbenstange aus, während die vordere Kammer entlüftet wird. Wird die Luft von vorne zugeführt, fährt die Kolbenstange ein. Bei gleichem Druck ist die Kraft des Kolbens beim Ausfahren größer als beim Einfahren, da die wirksame Kolbenfläche beim Ausfahren größer ist (die Kolbenstange reduziert die Fläche beim Einfahren).

Anwendung

Sie ermöglichen Arbeiten in beide Richtungen und bieten längere Hübe als einfachwirkende Zylinder.

Doppeltwirkende Zylinder mit Endlagendämpfung

Beim Bewegen großer Massen mit doppeltwirkenden Zylindern ist der Einsatz dieser Art von Zylindern notwendig. Der Zylinder verfügt zusätzlich über einen Zylinderkopf mit Rückschlagventilen, einstellbarer Drossel und Pufferkolben. Vor Erreichen der Endlage unterbricht der Pufferkolben den direkten Luftauslass nach außen. Es entsteht ein Luftpolster, da die Luft nur durch einen kleinen Querschnitt entweichen kann; die kinetische Energie wird in Druckenergie umgewandelt. Beim Umsteuern strömt die Luft frei durch das Rückschlagventil, und der Kolben fährt mit voller Kraft und Geschwindigkeit zurück.

Doppeltwirkende Zylinder (Kompaktbauweise)

Das Zylinderrohr und der untere Deckel bilden eine Einheit. Der Kolben wird im Rohr durch Kunststoffringe geführt. Der Vorteil dieses Zylinders ist die geringe Baugröße im Vergleich zu herkömmlichen Zylindern.

Doppeltwirkende Zylinder mit berührungsloser Abfrage

In der Kolbenstange ist ein Permanentmagnet integriert, dessen Magnetfeld berührungslose Schalter bei Annäherung betätigt. Im Zylinder können je nach Hub ein oder mehrere Näherungsschalter auf einer Schiene befestigt werden. Mit berührungslosen Schaltern können die Endlagen oder Zwischenpositionen des Zylinders abgefragt werden.

Doppeltwirkende Zylinder mit doppelter Kolbenstange

Eine solche Konstruktion kann höhere Querkräfte und Biegemomente aufnehmen als normale doppeltwirkende Zylinder, da die Kolbenstange beidseitig geführt ist. Beide Kolbenflächen sind gleich groß, wodurch die resultierenden Kräfte identisch sind. Bei engen Platzverhältnissen kann die Betätigung von Nocken, die Steuerungen auslösen und Signale am freien Kolbenstangenende setzen, erfolgen.

Schwenkzylinder (Drehflügel)

Bei dieser Art von Zylinder können Drehflügelbewegungen bis zu 300° erreicht werden. Diese pneumatischen Zylinder werden selten eingesetzt, da die Abdichtung schwierig ist und sie, bezogen auf ihre Größe, nur geringe Drehmomente erreichen.

Schwenkzylinder (Zahnstange-Ritzel)

In dieser Ausführung ist die Kolbenstange als Zahnstange mit einem Zahnrad konzipiert, wodurch die lineare Bewegung in eine Drehbewegung umgewandelt wird. Der Drehwinkel hängt vom Kolbenhub und dem Radius des Ritzels ab. Das verfügbare Drehmoment an der Abtriebswelle hängt von der Kolbenfläche, dem Druck und dem Radius des Ritzels ab.

Anwendung

Für Rohrbiegemaschinen, Torantriebe etc.

Schwenkzylinder (Doppelzahnstange)

Die Zylinderkolben sind durch eine gemeinsame Zahnstange verbunden. Ein Zahnrad greift in beide Zahnstangen. Bei Zufuhr von Druckluft in eine Kammer bewegt sich der Kolben, und die Kraft wird über die Zahnstange übertragen. Wird die Druckluft in die gegenüberliegende Kammer eingeführt, dreht sich das Rad in die andere Richtung. Der Einsatz einer zweiten Einheit ermöglicht ein doppeltes Drehmoment. Nachteil: Geringe Spielkompensation.

Teleskopzylinder

Er besteht aus mehreren ineinanderliegenden Zylinderrohren und Kolbenstangen. Beim Ausfahren bewegt sich zuerst der innerste Kolben, gefolgt von den weiteren Stangen oder Rohren. Das Einfahren der Teleskopstangen erfolgt durch äußere Kräfte. Die Kraft beim Ausfahren wird durch die Fläche des größten Kolbens bestimmt.

Anwendung

Wo große Hübe mit einer relativ kurzen Zylinderbaulänge erreicht werden müssen (z.B. Hebebühnen).

Druckluftmotoren: Funktionsweise

Lamellenmotor

Dieser Druckluftmotor besteht im Wesentlichen aus einem Rotor, Zylinder und zwei Lagerdeckeln. Der Rotor besitzt Schlitze, in die Lamellen eingesetzt sind. Der Rotor ist exzentrisch zur Zylinderachse gelagert. Die Lamellen werden an die Innenwand des Zylinders gedrückt und bilden Arbeitskammern unterschiedlicher Größe. Durch die Zufuhr von Druckluft in die Kammern entsteht eine Kraft auf die Lamellen, die ein Drehmoment erzeugt. Während der Drehbewegung erweitert sich die Kammer, und die Luft dehnt sich aus. Lamellenmotoren arbeiten mit relativ hohen Drehzahlen, sind reversibel und decken ein breites Leistungsspektrum ab.

Weitere Vorteile

• Einfache Bauweise
• Geringes Gewicht pro Leistungseinheit
• Sicherheit gegen Überlast
• Stufenlos einstellbar

Sternmotor

Die wichtigsten Bauteile sind die radial angeordneten Zylinder, Pleuel, Kurbelwelle, Ventilsteuerung und Luftlager für den synchronen Betrieb. Das Steuerventil versorgt die einzelnen Zylinder in einer festgelegten Reihenfolge, wodurch die Kolben ihre Arbeit verrichten. Der Betrieb mit 5 Zylindern sorgt für eine gleichmäßige Rotation. Das hohe Anlaufdrehmoment ist charakteristisch für Kolbenmotoren.

Wegeventile: Typen und Steuerung

Wegeventil 2/2, Ruhestellung geschlossen, Kugelventil

Die Kugel wird von einer Feder gegen den Ventilsitz gedrückt und verschließt den Luftstrom von P nach A. Beim Betätigen des Nockens wird die Kugel von ihrem Sitz gehoben. Dabei müssen die Federkraft und der Druck auf die Kugel überwunden werden. Die einfache Struktur ermöglicht eine kompakte Bauweise.

Wegeventil 3/2, Ruhestellung geschlossen, Kugelventil

Die Kugel, von der Feder gedrückt, verhindert den Durchgang von P nach A; A ist über die Innenbohrung des Nockens mit R (Atmosphäre) verbunden. Beim Betätigen des Nockens wird zuerst die Verbindung zwischen A und R geschlossen, dann ermöglicht die Kugel den Durchgang von P nach A. Beim Loslassen wird zuerst die Verbindung P-A geschlossen, dann öffnet sich A-R. Das Ventil arbeitet störungsfrei mit Druckluft.

Wegeventil 3/2, Ruhestellung geschlossen, Flachsitzventil

Das Merkmal dieses Ventils ist eine Platte, die von einer Feder gegen den Ventilsitz gedrückt wird. Als zusätzliche Dichtkraft wirkt der Druck der Druckluft. Sitzventile zeichnen sich durch einen großen Querschnitt und kurze Schaltwege aus. Sie sind unempfindlich gegen Verunreinigungen (und haben daher eine lange Lebensdauer). Das 3/2-Wegeventil schließt den Durchgang von P und verbindet A mit R. Beim Betätigen des Nockens wird zuerst A-R geschlossen, dann öffnet sich P-A.

Anwendung

Steuerung von Einzelkreisläufen und als Signalelement zur Ansteuerung von pneumatisch betätigten Ventilen.

Wegeventil 3/2, Ruhestellung offen, Flachsitzventil

In Ruhestellung ist P-A geöffnet und R ist blockiert. Bei leichtem Druck auf den Hebel schließt die Platte zuerst P-A, und eine zweite Platte öffnet über eine Welle A-R.

Wegeventil 3/2, pneumatisch betätigt

Dieses Ventil ist in Ruhestellung geschlossen und wird durch Druckluft am Anschluss Z betätigt. Der Druck P und die Feder halten es in Ruhestellung. Die Fläche des Steuerkolbens muss so dimensioniert sein, dass ein sicheres Schalten bei Drücken von P und Z gewährleistet ist.

Wegeventil 3/2, pneumatisch betätigt (Membran)

Dieses Ventil arbeitet über eine Membran, deren große Fläche das Schalten eines Betriebsdrucks von 600 kPa (6 bar) mit einem Steuerdruck Z von nur 120 kPa (1,2 bar) ermöglicht. Durch Vertauschen von P und R kann das Ventil auch als in Ruhestellung offenes Ventil verwendet werden.

Wegeventil 4/2, pneumatisch betätigt

Dieses Ventil, durch Druckluft betätigt, besitzt zwei Steuerkolben. In der Ruhestellung ist A mit R verbunden und P mit B. Die Betätigung der Kolben-Membran erfolgt durch Druckluft über Z. Die Umschaltung erfolgt durch Zufuhr von Druckluft an Z; die Rückstellung erfolgt durch die Federkraft der Membranen. Die Membranen kehren durch ihren Eigendruck in die Ausgangsposition zurück.

Wegeventil 3/2, elektromagnetisch betätigt

Elektromagnete werden zur Betätigung von Ventilen eingesetzt, wenn das Steuersignal von einem elektrischen Element wie Endschaltern, Drucktasten, Zeitrelais, elektrischen Schaltern oder Programmierern kommt. Besonders vorteilhaft ist dies bei großen Steuerentfernungen. Ohne Erregung der Magnetspule ist der Kern durch Federkraft geschlossen, und der Anschluss P ist geschlossen, während A mit R verbunden ist (entlüftet). Der Magnetanker zieht nach innen, schließt A-R und verbindet P mit A. Das Ventil ist zuverlässig.

Wegeventil 3/2, Rollenhebel, servogesteuert

Die für die Betätigung von Sitzventilen erforderliche Kraft steigt mit dem Druck. Es ist möglich, diese Kraft durch den Einsatz eines kleineren 3/2-Wege-Vorsteuerventils zu reduzieren. Beim Betätigen öffnet das kleine Vorsteuerventil die Verbindung von P zur Membran des Kolbens, schließt A mit R und verbindet P mit A. Die Betätigungskraft am Rollenhebel beträgt 1,8 N bei einem Druck von 600 kPa (6 bar). Beachten Sie, dass das Ventil auch als Öffner verwendet werden kann, indem der Steuerkopf um 180° gedreht wird, wodurch P zum Ausgang und R zum Eingang wird.

Wegeventil 4/2, Rollenhebel, servogesteuert

Bei diesem 4/2-Wegeventil werden die Membranen durch ein vorgeschaltetes 3/2-Wege-Steuerventil betätigt. Die Betätigungskraft des Ventils beträgt 10 N bei einem Druck von 800 kPa (8 bar).

Wegeventil 4/2, Magnetventil, servogesteuert

Die Vorsteuerung dieses 4/2-Wegeventils erfolgt durch ein weiteres 3/2-Wegeventil, das durch einen Magneten betätigt wird. Die Hauptkolben werden durch Druckluft betätigt, sobald die Spule unter Spannung steht. Servogesteuerte Ventile schalten schnell, dank relativ kleiner Elektromagnete.

Wegeventil 5/2, pneumatisch betätigt

Bei diesem Membran-Sitzventil werden die Verbindungen über Ventilsitze hergestellt. Dieses Ventil wird abwechselnd über die Eingänge Z und Y umgeschaltet. Der Steuerkolben behält die Schaltposition durch die Belastung der Membranen, bis ein Gegensignal erfolgt. Das Ventil besitzt eine Memory-Funktion (bistabil).

Wegeventil 5/2, Schieberventil

Das Merkmal dieses Ventils ist der Schieber, der sich quer im Gehäuse bewegt, um die Steuerbefehle umzusetzen. Es kann durch jede Art von Betätigung umgeschaltet werden. Die Betätigungskraft dient lediglich dazu, die Reibung des Kolbens im Gehäuse zu überwinden. Bei pneumatisch vorgesteuerten Ventilen kann der Steuerdruck geringer als der Betriebsdruck sein, jedoch ist der Schaltweg länger als bei Sitzventilen.

Schieberventile: Dichtungsprinzipien

Die Abdichtung des Schiebers zum Ventilkörper erfolgt durch präzise Anpassung. Das Spiel liegt zwischen 0,002 und 0,004 mm, da sonst große Leckageverluste entstehen würden. Anstelle teurer Präzisionsanpassungen werden oft O-Ringe zur Abdichtung verwendet, um den Verschleiß der internen Komponenten zu reduzieren. Kleine Bohrungen sind für den Luftaustritt vorgesehen.

Wegeventil 4/2, Schieberventil

Die Umschaltung dieses Ventils erfolgt über Druckimpulse an den Anschlüssen Z und Y, die einen Doppelkolben betätigen. Die Arbeitskanäle A und B sind über einen Schieber mit dem Abluftanschluss R verbunden. Bei Verschleiß wird der Schieber automatisch durch Federkraft und den anliegenden Druck nachgestellt, was eine lange Lebensdauer gewährleistet. Es genügt ein kurzer Druckimpuls an Z oder Y zur Umschaltung.

Wegeventil 4/2, elektrisch impulsgesteuert, servogesteuert

Die Umschaltung dieses Schieberventils erfolgt über ein vorgeschaltetes 3/2-Wege-Magnetventil. Beim Anziehen des Magnetkerns übernimmt die Steuerluft die Umschaltung, und das Ventil verbleibt in dieser Position, bis ein entgegengesetzter Impuls erfolgt.

Wegeventil 3/2, Schieberventil (Federrückstellung)

Dieses Ventil mit Federrückstellung kann als Signalgeber für impulsgesteuerte Ventile verwendet werden. Ruhestellung: P geschlossen, A mit R verbunden (entlüftet). Betätigt: P mit A verbunden, R geschlossen.

Wegeventil 3/2, Schieberventil (manuell)

Dieses einfache manuelle Ventil dient als Hauptabsperr- und Entlüftungsventil für pneumatische Systeme. Beim Bewegen der Außenhülse nach links (in der Zeichnung) verbindet der Ringkanal P mit A. Beim Zurückbewegen der Hülse ist P geschlossen und A mit R verbunden, wodurch die Anlage entlüftet wird.

Wegeventil 4/3, Scheibenventil

Diese Ventile werden in der Regel manuell oder per Pedal betätigt. In der Mittelstellung sind die Arbeitskanäle entlüftet. Der Kolben eines doppeltwirkenden Zylinders würde ohne Luft in einer festen Position gehalten, was weitere externe Maßnahmen ermöglicht.