Will D., Gebhardt N. (Hrsg.) Hydraulik: Grundlagen, Komponenten, Schaltungen
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248 8 Ventile
gewährleisten. Deshalb werden Sitzventile und insbesondere die 2/2–Wege-Sitz-
ventile für große Nennvolumenströme eingesetzt (Abb. 8.40).
A
d
A
P
T
P
A
T
e
f
A
P
b
PT
A
TP
a
c
A
PT
T
Abb. 8.40 Bauarten von Wegeventilen am Beispiel des 3/2-Ventils. a Kolbenlängsschie-
berventil b Drehschieberventil c Symbol der Ventile a und b d Kugelsitzventil e Kegelsitz-
ventil f Symbol der Ventile nach d und e
Arbeitsweise. Wegeventile arbeiten entweder in vorgegebenen Schaltstellungen
mit festgelegten Leitungsverbindungen und Sperrungen (Abb. 8.41), oder sie wer-
den stetig in beliebig vielen Zwischenstellungen und mit unterschiedlich großen
Durchflusswiderständen verstellt und beeinflussen durch die Drosselung die Grö-
ße des Volumenstromes. Da eine einfache Drosselung belastungsabhängig den
Volumenstrom beeinflusst, wird häufig über die Wegeventildrossel ein Druck-
differenzventil geschaltet, um die belastungsunabhängige Stromregelventil-
funktion zu erzielen (s. Abschn. 8.2.1 und 8.2.2). Die stetige Verstellung des
Wegeventilwiderstandes durch elektrische oder elektrohydraulische Stell- und
Regeleinrichtungen wird in Servo- und Proportionalventilen (s. Abschn. 8.5) ge-
nutzt.
Abb. 8.41 Beispiele von Einzelsymbolen für Wegeventile für vorgegebene Schalt-
stellungen
8.4 Wegeventile 249
Anschlüsse und Schaltstellungen. Schaltende Wegeventile werden nach der An-
zahl der Leitungsanschlüsse und Anzahl der Schaltstellungen klassifiziert und be-
zeichnet. Nach DIN-ISO 1219-1 sind die einzelnen Schaltstellungen durch ent-
sprechende Anzahl von aneinander gezeichneten Symbolen (s. Kap. 2) dargestellt.
An das Symbol, das die Null-, Neutral- oder Haltstellung symbolisiert, werden alle
Leitungsanschlüsse gezeichnet. Ein Wegeventil z. B. mit vier Anschlüssen und
drei Schaltstellungen wird als 4/3-Wegeventil bezeichnet. Stetig stellbare Wege-
ventile erhalten im Symbol zusätzlich zwei parallele Linien (s. Abb. 8.42 c).
ab c
Abb. 8.42 3/2-Wegeventil. a Standardsymbol b Symbol mit Zwischenstellung (positive
Schaltüberdeckung) c Symbol mit beliebiger Anzahl von Zwischenstellungen bei unter-
schiedlicher Drosselwirkung
Steuer- und Stelleinheiten. Die eigentliche Steuerfunktion der Wegeventile, d. h.
die Herstellung der verschiedenen Kombinationen von Leitungsverbindungen
wird in einer Baueinheit, der Steuereinheit, verwirklicht. Für die Stelleinrichtung
zur Verstellung der Wegeventilfunktion in der Steuereinheit werden i. d. R. ge-
sonderte Baueinheiten, die Stelleinheiten, verwendet, die an das eigentliche We-
geventil (Steuereinheit) angeflanscht werden. Die Verstellung von Schaltstellung
zu Schaltstellung oder die stetige Verstellung erfolgt häufig von Hand oder elekt-
romagnetisch direkt. Für große Nennweiten sind meist elektrohydraulische Vor-
steuerungen mit gesonderten Vorsteuerventilen in der Anwendung.
8.4.1 Kolbenlängsschieberventile
Kolbenlängsschieberventile werden in der Praxis am meisten angewendet. Ihre
Steuereinheiten bestehen aus einem Gehäuse mit der zentralen Längsbohrung, in
der der mit entsprechenden Eindrehungen versehene Kolben längs beweglich ge-
führt wird. Durch unterschiedliche Abmessungen der Kolbeneindrehungen können
unterschiedliche Varianten von Schaltfunktionen in den einzelnen Schalt-
stellungen verwirklicht werden. Abb. 8.44 zeigt an einem 5/3-Wegeventil mit ein
und demselben Gehäuse und unterschiedlichen Kolben verschiedene Schalt-
funktionen in den drei Schaltstellungen.
250 8 Ventile
10
21
0
2
A
B
T
1
P
T
2
AB
T
1
P
T
2
AB
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1
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1
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2
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PT
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1
P
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2
AB
T
1
P
T
2
Abb. 8.44 Auswahl von Wegeventilfunktionen mit Vierkolben- (Dreikolben-) Steuer-
schieber (0, 1, 2 Schaltstellungen)
8.4 Wegeventile 251
8.4.1.1 Druckentlastung
Das Spiel zwischen Kolben und Bohrung ist so gewählt, dass sich wirtschaftliche
Fertigung bei zulässiger Leckage mit minimaler Reibkraft ergänzen. Dazu sind ra-
diale und axiale Druckentlastungen des Kolbens unbedingt zu gewährleisten. Die
radiale Druckentlastung wird durch Ringkanäle oder durch paarweise diametral
angeordnete radiale Bohrungen im Gehäuse erreicht. Außerdem sind am Umfang
des Kolbens Druckentlastungsrillen (s. Abschn. 4.7) eingedreht. Dabei werden ra-
diale Kräfte auf den Kolben, insbesondere an den druckführenden Anschluss-
leitungen, ausgeschaltet. Wird die radiale Druckentlastung nicht durchgeführt,
kommt es durch einseitige radiale Druckkräfte zu starken Reibkräften, die eine
Verschiebung des Kolbens erschweren bzw. verhindern. Die axiale Druckent-
lastung wird durch Leckageleitungen an den Kolbenstirnräumen oder durch Ver-
bindungskanäle zum Tankanschluss gesichert. Wird die axiale Druckentlastung
nicht verfolgt, sammelt sich mit der Zeit Leckflüssigkeit in den Kolbenstirn-
räumen an und verhindert eine Verschiebung des Kolbens (Abb. 8.43).
1
2
1
3
Abb. 8.43 Druckentlastung an einem Wegeventil. 1 Axiale Druckentlastung durch Lecka-
geleitungen, 2 Radiale Druckentlastung durch Ringkanäle, 3 Druckausgleich auf den Kol-
ben im Bereich der Ringkanäle
8.4.1.2 Kanalsysteme
Die im Gehäuse des Wegeventils befindlichen Ringkanäle werden in unterschied-
licher Anzahl bei den verschiedenen Wegeventilvarianten ausgeführt. Diese Ring-
kanäle sind meistens im Gussverfahren eingebracht worden. Sie bilden mit ihren
Kanalkanten und den verschiedenen Kolbenabmessungen mit den entsprechenden
Kantenprofilierungen die jeweiligen Drossel-, Sperr- oder Öffnungsfunktionen des
Ventils.
Vorwiegend wird das Fünf-Kanalsystem bei Wegeventilen in Varianten an-
gewandt. Die fünf Kanäle werden von den fünf Funktionsanschlüssen, wie Druck-
anschluss (P), gesteuerte Anschlüsse (A, B) und Tankanschlüsse (T
1
, T
2
) be-
stimmt. Da praktisch nur ein Tankanschluss benötigt wird, ist meistens im
Gehäuse eine Bohrungsverbindung der beiden T-Anschlüsse vorhanden und nur
ein Anschluss wird nach außen geführt. Anschlussplatten nach DIN 24340, Form
A, führen vier Hauptanschlüsse, Ausführung mit fünf Anschlüssen (Form B).
252 8 Ventile
Durch die Ausführung mit zwei T-Leitungen kann für bestimmte Anwendungs-
fälle die getrennte Beeinflussung der beiden Rücklaufvolumenströme zum Tank
bewirkt werden (5/3-Ventil). Das Fünf-Kanalsystem des Wegeventilgehäuses
kann mit unterschiedlichen Kolbenvarianten ausgerüstet werden. Abb. 8.45d und e
zeigen zwei Varianten. Für die Ventilfunktion (4/3-Ventil) wird auch eine verein-
fachte Variante mit drei Kanälen angewendet (s. Abb. 8.45 c). Dabei werden die
stirnseitigen Federräume miteinander verbunden und bilden den T-Anschluss.
Trotz des geringeren Aufwandes ist die Anwendung eingeschränkt, da eine hyd-
raulische Verstellung nicht möglich ist. Wegeventile mit drei Kanälen werden
deshalb vorwiegend als Vorsteuerventile elektromagnetisch oder von Hand ver-
stellt. Außer dem Drei- und Fünf-Kanalsystem werden Wegeventile z. B. auch mit
zwei Kanälen (2/2-Ventil), drei Kanälen (3/2- oder 3/3-Ventile) oder mit mehr als
fünf Kanälen ausgerüstet. Abb. 8.45 zeigt eine Übersicht über Kanalsysteme bei
Wegeventilen.
A
P
P
A
a
A
P
T
A
PT
b
AB
PT
A
B
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c
A
B
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1
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d
A
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2
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1
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f
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T
F
P
T
A
BF
g
T
P
F
A
B
T
P
F
Abb. 8.45 Kanalsysteme bei Wegeventilen. a Zweikanalsystem (2/2-Ventil) b Dreikanalsy-
stem (3/3-Ventil) c Dreikanalsystem (4/3-Ventil) d Fünfkanalsystem mit Vierkolben-
schieber (5/3-Ventil) e Fünfkanalsystem mit Dreikolbenschieber (5/3-Ventil) f Fünfkanal-
system (4/3-Ventil) g Achtkanalsystem (6/3-Ventil)
8.4 Wegeventile 253
8.4.1.3 Überdeckungsverhältnisse
Die wirksame Dichtlänge des Drosselspaltes zwischen zwei Druckräumen wird
bei Ventilen, insbesondere bei Wegeventilen, als Überdeckung bezeichnet. Sie ist
neben dem Kolbenspiel, dem Kolbendurchmesser, der Druckdifferenz und der
Viskosität der Druckflüssigkeit für den Leckstrom verantwortlich. Es ist zwischen
positiver, negativer und Nullüberdeckung zu unterscheiden (vgl. Abb. 8.46).
Ü > 0
Ü = 0
Ü < 0
Abb. 8.46 Überdeckung Ü der Wegeventilkolben
Diese Überdeckungsverhältnisse gelten für die entsprechenden Schaltstellungen
des Wegeventilkolbens und werden als Überdeckung der Ruhelage bezeichnet. Im
Gegensatz dazu kennzeichnet die Schaltüberdeckung die Überdeckungsverhält-
nisse, die während der Schaltung des Wegeventilkolbens von einer Schaltstellung
zur anderen auftreten. Die Schaltüberdeckung hat besondere Bedeutung und ihre
Eigenschaften können das Verhalten des Hydraulikantriebs wesentlich beein-
flussen, was sich wie folgt darstellt:
Positive Schaltüberdeckung: Beim Schaltvorgang sind kurzzeitig Anschlusska-
näle gegeneinander gesperrt. Dadurch tritt kein Zusammenbrechen des Druckes
ein. Es können Druckspitzen entstehen. Der Volumenstrom der Pumpe muss
kurzzeitig über das Sicherheitsventil abgesteuert werden.
Negative Schaltüberdeckung: Beim Schaltvorgang sind kurzzeitig Anschluss-
kanäle verbunden. Es treten kaum Druckspitzen auf. Der Druck bricht kurz-
zeitig zusammen, Gefahr der Lastabsenkung beim Verbraucher.
Null-Schaltüberdeckung: Steuerkanten von Gehäuse und Kolben lassen beim
Schalten praktisch keine Sperrung und keine Öffnung zwischen den Anschluss-
kanälen zu. Kontinuierliches Steuern ist möglich. Es wird eine hohe Ferti-
gungsgenauigkeit gefordert. Anwendung vorwiegend bei Servo- und Proportio-
nalventilen.
Werden ein Hydromotor aus einer Winkelgeschwindigkeit
Z
0
oder ein Arbeits-
zylinder aus einer Geschwindigkeit v
0
heraus durch ein Wegeventil abgebremst,
entstehen Druckspitzen. Diese Druckspitzen werden von den Trägheitswirkungen
der Verbraucher und von der Größe des beteiligten Leitungsvolumens beeinflusst.
Wird mit einem scharfkantigen Wegeventil-Steuerkolben plötzlich geschaltet,
wird die kinetische Energie des Verbrauchers E
V
nahezu vollständig in Druck-
Volumenarbeit A
pV
umgewandelt.
254 8 Ventile
Es sind
2
2
0
J
E
V
Z
bzw.
2
2
0
m
vE
V
und
(8.10 a)
2
2
max
E
V
pA
pV
(8.10 b)
Bei Vernachlässigung der Dämpfungseinflüsse von Leckage und Reibung sind
beim Abbremsen eines Hydromotors oder eines Arbeitszylinders folgende Druck-
spitzen zu erwarten:
EZ
VJp /
0max
,
E
Vmvp /
0max
(8.10 c)
(8.10 d)
mit V wirksames Leitungsvolumen
E
Kompressibilität von Flüssigkeit und Nachgiebigkeit der Leitung
Z
0
Winkelgeschwindigkeit des Hydromotors
J Massenträgheitsmoment des Hydromotors und der angetriebenen Last
v
0
Geschwindigkeit des Arbeitszylinders
m Masse des Kolbens des Arbeitszylinders und der angetriebenen Last
Vom Sicherheitsventil können Druckspitzen nur oberhalb seines Öffnungsdruckes
abgefangen werden. Häufig werden deshalb bei großen Trägheitswirkungen der
Verbraucher Wegeventilkolben mit angepasster Kantenprofilierung (Fase oder
Kerben) verwendet. Zusätzlich ist die Schaltgeschwindigkeit des Wegeventilkol-
bens den dynamischen Bedingungen des Hydraulikantriebes anzupassen, damit
keine schädigenden Druckspitzen entstehen [8.47].
8.4.1.4 Kräfte am Steuerkolben
Die direkt betätigten Wegeventile werden häufig von Hand oder durch Elektro-
magnet verstellt. Da insbesondere beim Elektromagnet nur eine begrenzte Stell-
kraft entsprechend seiner Kraft-Hub-Charakteristik zur Verfügung steht, muss ge-
sichert sein, dass seine Kraft immer die ihm entgegenwirkenden Widerstands- und
Störkräfte überwinden kann. Zu diesen Kräften zählen: Trägheitskraft, Federkraft,
Strömungskräfte, Reibkräfte und Klemmkräfte (s. Abschn. 4.5 und 4.7).
Die Trägheitskraft lässt sich berechnen. Die Federkraft ist so zu bemessen, dass
sie z. B. bei abgeschaltetem Magnet den Ventilkolben sicher in seine Mittel- oder
Endstellung verstellen kann. Außerdem muss die Federkennlinie sich möglichst
der Kraft-Hub-Charakteristik des Elektromagneten anpassen, so dass mit kleinst-
möglicher Magnetabmessung auszukommen ist. Da die Magnetcharakteristik an-
nähernd hyperbelförmig verläuft, werden häufig geknickte Federkennlinien, die
sich aus Doppelfedern darstellen lassen, verwendet.
8.4 Wegeventile 255
Bei dynamischen Vorgängen ist die Federmasse wegen Geringfügigkeit ver-
nachlässigbar. In manchen Fällen ist dies nicht möglich. Der Einfluss der an-
teiligen Federmasse wird dann bei linearer Federcharakteristik mit 1/3 der Feder-
masse berücksichtigt [8.29].
Die stationäre Strömungskraft wirkt immer in Schließrichtung der Drossel-
stelle. Die dynamische Strömungskraft ist nur bei großen Ventilen nennenswert.
Die Reibkräfte sind bei ordnungsgemäßer Druckentlastung des Kolbens gering,
insbesondere durch die Druckölschmierung [8.31, 8.32].
Die Klemmkraft ist eine komplexe Kraft mit verschiedenen Einflüssen. Hierher
gehören z. B. Wirkungen durch Verunreinigungen, aber auch durch chemisch-
physikalische Bindungskräfte des Mineralöles. Die Zusammenhänge des letztge-
nannten Einflusses beruhen auf Hypothesen.
8.4.1.5 Betätigungseinrichtungen für Wegeventile
Zur Verstellung der Wegeventilkolben werden Betätigungseinrichtungen verwen-
det, die die einzelnen Schaltstellungen, aber auch beliebige Zwischenstellungen,
verwirklichen. Die Betätigungseinrichtungen werden als Stelleinheiten i. d. R an
den Stirnseiten der Wegeventile angeflanscht. Es ist zwischen der Direkt-
betätigung (Direktsteuerung) und der Indirektbetätigung (Vorsteuerung) zu unter-
scheiden.
Für Wegeventile mit Kolbenlängsschieber lassen sich vorzugsweise zwei oder
drei Schaltstellungen verwirklichen. Mehr als drei Schaltstellungen bedeuten ei-
nen beachtlichen Mehraufwand, werden von den Ventilherstellern kaum ange-
boten und lassen sich besser mit zwei gesonderten Wegeventilen erreichen.
Die Fixierung der einzelnen Schaltstellungen erfolgt meist mechanisch, z. B.
durch Endanschlag mit Kraftwirkung durch Feder, hydraulische oder pneumati-
sche Druckkraft. Die Fixierung der Mittelstellung bei Dreistellungsventilen wird
fast ausschließlich durch mechanische Federn verwirklicht. Dabei werden entwe-
der auf jeder Kolbenseite je eine Feder oder ein Doppelfederkraftschluss mit einer
Feder und den entsprechenden Federtellern verwendet [8.19]. Bisweilen wird auch
die hydraulische Druckzentrierung für die Fixierung der Mittelstellung eingesetzt.
Tabelle 8.2 zeigt eine Auswahl von Betätigungseinrichtungen für Wegeventile.
Bei der Indirektbetätigung dominiert die elektrohydraulische Vorsteuerung. Bis-
weilen sind auch elektropneumatische und pneumopneumatische Vorsteuerungen
in Anwendung. Abb. 8.47 zeigt ein Wegeventil mit Handstelleinheit und
Abb. 8.48 ein Wegeventil mit elektromagnetischer Stelleinheit.
256 8 Ventile
Tabelle 8.2 Auswahl von Betätigungseinrichtungen für Wegeventile nach DIN 1219-1
1. Muskelkraft-
betätigung (all-
gemeines Symbol)
2. Handhebel
3. Rollenstößel
4. Feder
5. Elektromagnetisch
(eine Wirkrichtung)
6. Elektromagnetisch
(gegeneinander wir-
kend, stufenlos)
7. Elektromotor
8. Hydraulisch, direkt-
gesteuert
9. Hydraulisch, vorgesteuert
(durch Druckerhöhung)
10.Hydraulisch, vorgesteuert
(durch Druckabsenkung)
11.Pneumatisch, vor-
gesteuert (durch Druck-
erhöhung)
12.Elektrohydraulisch, vor-
gesteuert (mit externer
Steuerölrückführung)
M
Abb. 8.47 Wegeventil, handbetätigt (Bosch Rexroth). 1 Handhebel, 2 Verstellelement,
3 Doppelfederkraftschluss zur Fixierung der Mittelstellung
8.4 Wegeventile 257
Abb. 8.48 Wegeventil (magnetbetätigt)
Bei der direkten Betätigung der Wegeventile durch Elektromagnete werden
Wechselstrommagnete oder Gleichstrommagnete verwendet. Bei den Wechsel-
strommagneten ist darauf zu achten, dass sie immer durchschalten, d. h., dass bei
Erregung des Magneten ihr Anker anschlagen muss und nicht durch äußere Kraft
oder Anschlag des Wegeventilkolbens daran gehindert wird. Wird das nicht ge-
sichert, besteht die Gefahr des Durchbrennens. Ein solches Problem besteht bei
den Gleichstrommagneten nicht. Deshalb lassen sie sich auch für beliebige
Zwischenstellungen bei entsprechend unterschiedlicher Erregung und Feder-
gegenkraft verwenden.
Die elektromagnetische Direktbetätigung von Wegeventilen wird für kleine zu
steuernde Leistungen eingesetzt. Das gilt i. Allg. bis zur Nenngröße 10. Darüber
hinaus und für hohe Drücke wird die elektrohydraulische Vorsteuerung ver-
wendet. Dabei steuert ein elektromagnetisch direktbetätigtes Wegeventil kleiner
Nenngröße einen hydraulischen Steuerstrom auf die jeweilige Kolbenseite des
Hauptventils.
Die beiden Grundvarianten der elektrohydraulischen Vorsteuerung für Wege-
ventile zeigt Abb. 8.49. Darin wird von einer separaten Steuerversorgung am An-
schluss P
x
ausgegangen. Wird im vereinfachten Fall dazu der Anschluss P des
Hauptkreislaufes in Anspruch genommen, ist darauf zu achten, dass bei P immer
ein Mindestdruck herrschen muss. Ein elektrohydraulisch vorgesteuertes Wege-
ventil ist in Abb. 8.50 dargestellt.
Bei der Umschaltung von großen Volumenströmen (Start, Stopp oder Rich-
tungsumkehr des Volumenstromes) und den damit umzusteuernden relativ großen
Trägheiten bei den Verbrauchern, entstehen beachtlich hohe Druckspitzen. Diese
Druckspitzen können gemindert werden durch geeignete Kantenprofilierung der
Wegeventilkolben und durch Verminderung der Stellgeschwindigkeit des Haupt-
wegeventilkolbens durch Drosselrückschlagventile (s. Abb. 8.50).
Von den Ventilherstellern werden für Wegeventile Kennlinien für den Druck-
verlust in Abhängigkeit des Volumenstromes angegeben. Der Druckverlust sollte
so klein wie möglich sein, da er mit dem Volumenstrom einen Leistungsverlust
bedeutet. Um den Einfluss der Temperatur und damit der Viskosität beim Durch-
strömen der Wegeventile zu berücksichtigen, wird zunehmend anstelle der Druck-
verlustcharakteristik die Widerstandscharakteristik in Anwendung gebracht (s.
Abschn. 4.4).