Will D., Gebhardt N. (Hrsg.) Hydraulik: Grundlagen, Komponenten, Schaltungen

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278 8 Ventile

Abb. 8.69 Schema und Blockschaltbild eines kraftgesteuerten Proportionalmagneten

Ansteuerungselektronik. Sie wird auf das jeweilige Ventil zugeschnitten und bildet

mit ihm die Komponente Proportionalventil. Dabei kann sie sich in einem eigenen

Gefäß befinden und über entsprechende Zuleitungen mit dem Magnetsystem (ggf.

auch mit dem Messglied) verbunden sein oder in das Ventil integriert werden. Die

Verbindung zur Umwelt stellt dann eine Signalleitung für die Sollsignale her. Die

Ansteuerungselektronik ist für die bereits beschriebenen Aufgaben der Magnet-

ansteuerung, aber auch die Verarbeitung von Signalen des gesamten Antriebs

(s. Kap. 14) zuständig. Weitere wichtige der Elektronik übertragene Aufgaben

sind:

 Vorgabe eines Grundstromes, um den Magneten in einem günstigen Kenn-

linienbereich zu betreiben,

 Erzeugung einer hochfrequenten Wechselspannung (Dither- oder Zittersignal)

zur Reduzierung der Hysterese infolge von Haftreibungseinflüssen im Magnet-

system und in der Schieberführung,

 Kennlinienformer zur Kompensation von Nichtlinearitäten (s. Abschn. 8.5.2.2).

8.5.2.2 Proportional-Druckventile

Sie werden als Druckbegrenzungs- und als Druckreduzierventile (s. Abschn. 8.1)

sowie als Vorsteuerventile für Proportional-Wegeventile eingesetzt.

Das Prinzip des mit einem kraftgesteuerten Proportionalmagneten direkt-

gesteuerten Druckbegrenzungsventils ist in Abb. 8.69 bereits gezeigt. Aufgrund

beschränkter Hubarbeit des Proportionalmagneten können nur kleine Nenngrößen

auf diese Weise direkt gesteuert werden.

Ein hubgesteuerter Proportionalmagnet kann etwas höhere Hubarbeit ver-

richten. Er kann zur Verstellung der Federvorspannung eines direktgesteuerten

Druckbegrenzungsventils mittlerer Nenngröße genutzt werden (s. Abb. 8.70 a, mit

Lageregelung).

Für große Nenngrößen ist ein vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil erforder-

lich. Die Vorsteuerstufe kann wiederum mit einem kraftgesteuerten Proportional-

magneten ausgestattet sein (s. Abb. 8.70 b).

Der Einsatz der Proportionalmagnete in Druckreduzierventilen ist analog;

kraftgesteuerte Proportionalmagnete übernehmen die Rolle der Druckfedern, hub-

gesteuerte stellen Federvorspannungen ein.

8.5 Elektrisch betätigte Stetigventile 279

i i

Abb. 8.70 Proportional-Druckbegrenzungsventile. a direktgesteuert mit hubgesteuertem, lage-

geregeltem Proportionalmagneten b vorgesteuert mit kraftgesteuertem Proportionalmagneten

8.5.2.3 Direktgesteuerte Proportional-Wegeventile

In Abb. 8.71 a ist ein direktgesteuertes Proportional-Wegeventil dargestellt. Die

Induktivitätsänderungen des induktiven Gebers werden wieder in einer Ventil-

elektronik wie in Abb. 8.63 b oder c verarbeitet. Wenn beide Proportionalmagnete

ihren Grundstrom führen, kompensieren sich ihre Kräfte, die Federn zentrieren

den Steuerschieber. Für positive Auslenkungen s ist der Proportionalmagnet 1 zu-

ständig, für negative der Magnet 2. Die induktive Lagemessung erfasst positive

und negative Werte von s. Die Lageregelung verarbeitet dieses Signal und kom-

pensiert weitgehend die durch Reibung und Federermüdung entstehenden Positi-

onsfehler.

Das Ventilverhalten in der Mittelstellung und in den Endlagen des Hauptsteuer-

schiebers entspricht dem des konventionellen Wegeventils. Die mit Hilfe des Pro-

portionalmagneten realisierbare stetige Veränderung der Position s des Schiebers

ermöglicht die feinfühlige Verstellung relevanter Steuerspaltquerschitte A

. Diese

Feinfühligkeit wird erreicht, indem die Steuerkanten Profile erhalten, z. B. Drei-

eckkerben (s. Abb. 8.71 a), Rechteckkerben, Abflachungen oder Fasen. In

Abb. 8.71 b ist das Prinzip des Zusammenwirkens der vom Weg s eingestellten

Steuerspaltquerschnitte A

mit den Volumenströmen Q

zum Verbraucher und den

Drücken p

am Verbraucher dargestellt. Die Kurzschlusskennlinie Q

= f(s) bei

= p

besitzt eine ausgeprägte, von den positiven Überdeckungen herrührende,

Totzone, die durch Magnet- und Reibungshysterese zusätzlich beeinflusst wird

(s. Abb. 8.71 c). Bei strom- und lagegeregelten Proportionalmagneten kann die

Hysterese klein gehalten werden, ungeregelte Magnete haben teilweise sehr große

Hysterese [8.42].

Im Gegensatz zu den Servoventilen, bei denen mit Hilfe hoher Fertigungs-

genauigkeit erreicht wird, dass in der Nähe des Arbeitspunktes alle vier Steuer-

spalte gleichzeitig verändert werden können, wird im Proportionalwegeventil

jeweils nur ein Steuerspalt stetig verstellt. Die übrigen sind entweder geschlossen

oder so weit geöffnet, dass sie gegenüber dem relevanten Steuerspalt keine merk-

280 8 Ventile

liche Drosselwirkung besitzen. Dieses Konzept erlaubt größere Fertigungs-

toleranzen der Steuerkanten von Schieber und Bohrung.

p = 0 p

PBAT

i i

Propor-

tional-

magnet

Induk-

tiver

Geber

i i

Propor-

tional-

magnet

Ventilelektronik mit: Sensorsignalverarbeitung,

Lageregler, Verstärker mit Stromausgang

soll(k)

pAk



1001

ppAk



Verbraucher

und Leitungen

pAk



2002

ppAk



theoretisch

infolge von

Gehäusewider-

ständen

infolge von

zusätzlicher

Hysterese

b c

Abb. 8.71 Direktgesteuertes Proportional-Wegeventil. a Aufbau und Abmessungen der

Überdeckungen ü

(negative Überdeckungen -ü

nicht bemaßt, nur gestrichelt ein-

gezeichnet) und Profilbreiten b

b Zusammenwirken der Drosselquerschnitte A

mit den

Volumenströmen Q

und den Drücken p

c Kurzschlusskennlinie (theoretisch und unter

Beachtung weiterer Strömungswiderstände und von Hysterese)

In Abb. 8.72 sind drei Beispiele der Steuerspaltgestaltung für zwei unterschied-

liche Mittelstellungsfunktionen und zusätzlich Zulauf- oder Ablaufdrosselung zu-

sammengestellt.

In Abb. 8.72 a und b sind die Überdeckungslängen ü

so gewählt, dass positive

Überdeckung aller Steuerspalte in Mittelstellung des Steuerschiebers besteht. Die

Bedingung ü

, ü

> ü

, ü

in Abb. 8.72 a führt dazu, dass in beiden Auslenkungs-

richtungen die ablaufseitigen Steuerspalte wesentlich größere Querschnitte haben

8.5 Elektrisch betätigte Stetigventile 281

als die zulaufseitigen, weshalb eine Drosselung des Volumenstromes zum Ver-

braucher nur zulaufseitig erfolgt.

-ü

Abb. 8.72 Drosselquerschnitte A

als Funktion der Verschiebung s bei drei verschiedenen

positiven und negativen (in Abb. 8.71 gestrichelt gezeichnet) Überdeckungen ü

(Profil-

breiten b

in allen Fällen gleich groß). a positive Überdeckung in Mittelstellung, Drosselung

des Zulaufs zum Verbraucher b positive Überdeckung in Mittelstellung, Drosselung des

Ablaufs vom Verbraucher c negative Überdeckung der äußeren Spalte in Mittelstellung,

Drosselung des Zulaufs zum Verbraucher

Dieser Spalt kann mit einem Druckdifferenzventil, das zwischen Druckquelle,

Anschluss P und zulaufseitigem Verbraucheranschluss angeordnet wird, so ver-

bunden werden, dass die Funktion eines Zwei-Wege-Stromregelventils entsteht.

Das ist ausführlich in Abschn. 14.3.2.2 dargelegt.

282 8 Ventile

In Abb. 8.72 b sind ü

, ü

< ü

, ü

, die Drosselung des Verbrauchervolumen-

stromes erfolgt ablaufseitig. Auch hier kann mit Druckdifferenzventilen die Funk-

tion des Zwei-Wege-Stromregelventils realisiert werden (s. Abschn. 14.3.2.2).

Im Beispiel in Abb. 8.72 c sind die äußeren Spalte negativ überdeckt (vgl. Abb.

8.71 a). Dadurch ist der Verbraucher in Mittelstellungsfunktion nicht verblockt

und kann schwach gebremst auslaufen oder von äußeren Kräften bewegt werden.

Die übrigen Funktionen entsprechen denen in Abb. 8.72 a.

Die Funktionen A

= f(s) können mit Hilfe unterschiedlichster Überdeckungen

und Profilbreiten b

sowie Profilformen und -versatz sehr vielfältig gestaltet und

dem Bedarf angepasst werden. Oft wird die Dreieckkerbe mit ihrem annähernd

quadratischen Anstieg A

und ihrer dadurch sehr feinfühligen Verstellung bei

kleinen A

als Standard verwendet (s. Abb. 8.71 a). Gewünschte Verzerrungen

werden dann mit der Ansteuerelektronik realisiert. Diese Funktionsbildner spielen

auch bei der Kompensation von Totzonen eine Rolle (s. Abschn. 8.5.3).

Sind die zu steuernden Volumenströme sehr groß, entstehen Strömungskräfte,

die von den Proportionalmagneten nicht mehr überwunden werden können. Des-

halb ist die Direktansteuerung auf kleine Nenngrößen von Proportional-Wege-

ventilen beschränkt.

8.5.2.4 Vorgesteuerte Proportional-Wegeventile

Vorgesteuerte Proportional-Wegeventile werden eingesetzt, wenn sehr große Strö-

me zu steuern und damit große Strömungskräfte zu erwarten sind. Die Hauptstufe

hat prinzipiell den Aufbau mit vier Steuerspalten wie in Abb. 8.71 a, aber die rele-

vanten Abmessungen sind wegen der erforderlichen größeren Strömungsquer-

schnitte größer. Abb. 8.73 zeigt die schematische Darstellung und das Symbol der

Hauptstufe eines vorgesteuerten Proportional-Wegeventils.

Geber

PBAT

Abb. 8.73 Schematische Darstellung und Symbol der federzentrierten Hauptstufe eines

vorgesteuerten Proportional-Wegeventils (gestrichelt dargestellt: die ebenfalls mögliche e-

lektrische Positionsmessung für eine Lageregelung)

8.5 Elektrisch betätigte Stetigventile 283

Im Gegensatz zum Servoventil, bei dem jede weitere Verstärkerstufe durch die

vorhergehende angesteuert wird, kann das in Abschn. 8.5.2.3 beschriebene direkt-

gesteuerte Proportional-Wegeventil nur dann als Vorsteuerstufe eingesetzt wer-

den, wenn es eine negative Überdeckung aller Steuerspalte in Mittelstellung er-

hält.

In Abb. 8.74 a sind das Symbol dieser Vorsteuerstufe (unten: Proportional-

Wegevorsteuerventil mit negativen Überdeckungen) und die Zusammenschaltung

mit der Hauptstufe dargestellt. Die Druckanschlüsse (P) können dabei getrennt

sein (zwei verschiedene Druckquellen) oder auch zusammengefasst werden (Ver-

sorgung von einer gemeinsamen Druckquelle).

Prinzipe der Vorsteuerung mit Proportionaldruckventilen sind in Abb. 8.74 b

und c dargestellt. In beiden Fällen bestimmen die zusätzlich erforderlichen Kon-

stantdrosselventile, welche Verlustleistung in der Vorsteuereinrichtung entsteht.

Haben die Drosselventile einen zu großen Querschnitt, sind die Verluste hoch. Bei

sehr kleinem Querschnitt erfolgen die Stellbewegungen des Hauptsteuerschiebers

zu langsam. In praktischen Ausführungen werden meist zusätzliche Komponenten

verwendet, um ein Optimum zu erreichen, z. B. ein Stromregelventil vor den

Druckbegrenzungsventilen oder ein weiteres Druckreduzierventil vor den Propor-

tional-Druckreduzierventilen, ggf. spezielle Drei-Wege-Proportional-Druckredu-

zierventile (s. Abschn. 8.1.2).

Geber

Abb. 8.74 Vorsteuerprinzipe für mehrstufige Proportional-Wegeventile. a direktgesteuertes

Proportional-Wegevorsteuerventil mit negativen Überdeckungen als Vorsteuerventil b Vor-

steuerung mit Proportional-Druckbegrenzungsventilen c Vorsteuerung mit Proportional-

Druckreduzier-Ventilen

284 8 Ventile

8.5.3 Vergleich Servo- und Proportionalventile

Die teilweise großen Unterschiede zwischen den in Abschn. 8.5.1 beschriebenen

Servoventilen und den Proportional-Wegeventilen nach Abschn. 8.5.2 sind in Ta-

belle 8.3 zusammengefasst (s. auch [8.39]).

Tabelle 8.3 Hauptunterschiede zwischen Servo(-Wege)-Ventilen und („unverfeinerten“) Propor-

tional-Wegeventilen

Eigenschaften Servoventil Proportional-Wegeventil

Ansteuerleistung 10

-1

Watt und kleiner bis 100 Watt

Ventilhub wenige Zehntelmillimeter

um r1 Millimeter

Erforderliche Filterfein-

heit/Verschmutzungsgefahr

sehr hoch deutlich geringer

Leerlauf-Kennlinie stetig durch negative Über-

deckung aller Steuerspalte

nicht stetig durch positive

Überdeckung der wesent-

lichen Steuerspalte

Volumenstromverluste in Mittel-

stellung

relativ hoch durch negative

Überdeckung aller Steuer-

spalte

gering durch positive

Überdeckung der wesent-

lichen Steuerspalte

90°-Frequenz/3 dB-Frequenz bis über 100 Hertz um 10 Hertz

Zulässige Fertigungstoleranzen sehr gering deutlich höher

Herstellungskosten hoch deutlich geringer

Einsatzgebiete Servoventil Proportional-Wegeventil

Einsatz in Lage- und Kraft-/Mo-

mentregelungen

für diesen Einsatz prädesti-

niert

nicht möglich wegen nicht-

stetiger Leerlaufkennlinie

Einsatz in Geschwindigk.-/Dreh-

zahlregelungen

für diesen Einsatz prädesti-

niert

möglich

Verknüpfung mit Druck-

differenzventilen zu Volumen-

stromreglern

nicht möglich für diesen Einsatz prädesti-

niert

Die infolge der positiven Überdeckungen entstehenden Unstetigkeiten der Leerlaufkennlinien

und Totzonen der Kurzschlusskennlinien können prinzipiell mit elektronischen Funktions-

bildnern kompensiert werden. Die in diesen Funktionen enthaltenen Unstetigkeitsstellen führen

meist zu unruhigem Verhalten der von den Ventilen versorgten Verbraucher.

8.5.4 Regelventile

Viele Anwendungsfälle fordern technische Parameter, die denen des Servoventils

nahe kommen, aber Kostenobergrenzen, wie sie nur von Lösungen mit Proportio-

8.6 Verkettungstechnik und Montageformen für Ventile 285

nal-Wegeventil eingehalten werden können. Neuentwicklungen, genauere Ferti-

gung, bessere Proportionalmagnetwerkstoffe u. a. haben dazu geführt, dass es in-

zwischen auf Proportionalventilen basierende Stetigsteuerventile mit deutlich

höheren 90°- bzw. 3 dB-Frequenzen und auch mit negativer Überdeckung und

damit stetiger Leerlaufkennlinie gibt.

Damit eignen sie sich auch für Einsatzgebiete, wie Lage- und Kraftregelung,

die bisher den Servoventilen vorbehalten waren. Die Entwicklungsergebnisse der

Leistungselektronik in den letzten Jahren (es können kostengünstig relativ hohe

Ausgangsleistungen bereitgestellt werden) haben dazu geführt, dass die weiterhin

deutlich höheren Eingangsleistungen in die Proportionalventile kein gravierender

Nachteil mehr sind. Ventile mit diesen Eigenschaften werden häufig unter dem

Begriff „Regelventile“ zusammengefasst.

Sie sind dem Prinzip nach meist „verfeinerte“ Proportionalventile, wobei die

Grenzen fließend sind. So ist z. B. nicht selten die Kombination eines zwei-

stufigen Servoventils mit eigener Druckversorgung und entsprechend feiner

Filterung (Vorstufe) mit einer typischen Proportional-Wegeventilhauptstufe eine

optimale Lösung: sie wird gleichzeitig hohen technischen Anforderungen gerecht

und ist ausreichend robust für eine raue Industrieumgebung.

8.6 Verkettungstechnik und Montageformen für Ventile

Unter Verkettungstechnik wird bei Hydraulikanlagen die sinnvolle Kombinations-

und Montageform von Ventilen und Zubehörgeräten verstanden. In einem Hy-

draulikkreislauf sind Verbindungsleitungen zwischen Pumpen, Verbrauchern und

Ventilen entsprechend dem Hydraulikschaltplan notwendig. Es haben sich ver-

schiedene Verkettungstechniken und Montageformen für Geräte und Leitungen

herausgebildet, die den unterschiedlichen Forderungen Rechnung tragen.

Um eine einwandfreie Funktion des Kreislaufes zu gewährleisten, sind die

Richtlinien in den Ausführungsgrundlagen für hydraulische Anlagen nach

DIN 24346 und VDI 3230 einzuhalten. Folgende Verkettungstechniken und Mon-

tageformen sind derzeitig zu unterscheiden [8.43]:

 Rohrleitungseinbau,

 Mehrventilblockbauweise,

 Anschlussplattenverkettung,

 Einschraub- bzw. Einbauverkettung.

8.6.1 Rohrleitungseinbau

Beim Rohrleitungseinbau besitzen die Ventile und die übrigen Geräte des Kreis-

laufes Gewindeanschlüsse für Rohrverschraubungen oder Flanschanschlüsse. Je-

des dieser einzelnen Geräte ist ein abgeschlossenes funktionsfähiges Gerät und ge-

sondert zu befestigen und mit Rohrleitungen bzw. mit Hochdruckschläuchen

untereinander zu verbinden (s. Abschn. 10.2). Der Rohrleitungseinbau ist dann be-

286 8 Ventile

sonders aufwändig und unübersichtlich, wenn es viele Geräte sind, die zu ver-

binden sind. Dabei ist ein erhöhter Platzbedarf erforderlich und der Geräteaus-

tausch ist aufwändig und zeitraubend, weil häufig eine zusätzliche Demontage von

Leitungen und Verschraubungen notwendig wird. Der Rohrleitungseinbau ist dann

zu empfehlen, wenn es sich um einfache Kreisläufe mit wenigen Geräten handelt.

Abb. 8.75 zeigt ein Beispiel für Rohrleitungseinbau.

Abb. 8.75 Drosselrückschlagventil für Rohrleitungseinbau (Voith)

8.6.2 Mehrventilblockbauweise

Die Mehrventilblockbauweise, auch als Batterieverkettung bezeichnet, ist die An-

ordnung von mehreren Ventilen, vorwiegend Wegeventilen, in Sandwichbauweise

(Abb. 8.76).

Abb. 8.76 Aufbau eines Wegeventilblocks in Sandwichbauweise. 1 Eingangsplatte, 2 Wege-

ventilplatte, 3 Endplatte, 4 Zuganker

8.6 Verkettungstechnik und Montageformen für Ventile 287

Dabei besitzen die Einzelgeräte planparallele Dichtflächen, sind batteriemäßig

aneinandergefügt und durch Zuganker zusammengeschraubt. Zwischen den Ven-

tilen befinden sich Rundringdichtungen mit Dichtplatten, die für die Abdichtung

zwischen den einzelnen Kanälen und nach außen verantwortlich sind. Außer den

Wegeventilen können auch andere Ventile, wie Druck-, Strom- und Sperrventile

sowie Proportionalventile in die Batterie integriert werden. Die Batterie besitzt

i. d. R. eine Eingangsplatte und eine Ausgangsplatte, in manchen Fällen Zwi-

schenplatten. Die Eingangsplatte mit Leitungsanschluss zur Pumpe besitzt mei-

stens ein Druckbegrenzungsventil, das als Sicherheitsventil für die gesamte An-

lage fungiert. Die Ausgangsplatte hat häufig einen Leitungsanschluss zum

Behälter und ist oft mit einem Gegendruckventil ausgerüstet. Die Wegeventile be-

sitzen Leitungsanschlüsse zu den Verbrauchern. Die Wegeventile sind alle oder

teilweise parallelgeschaltet und werden in der Halt- bzw. Ruhestellung vom Pum-

penvolumenstrom verlustarm durchströmt. Wird eines der Wegeventile betätigt,

erfolgt die Sperrung des freien Umlaufs (s. 6/3-Wegeventil in Abb. 8.45 g) und

der Volumenstrom gelangt zum Verbraucher. Die Mehrventilblockbauweise wird

insbesondere in der Mobilhydraulik eingesetzt und hat durch die Vorteile der

platz- und massesparenden Bauweise, der verringerten Anzahl von Leitungen, der

komplett montierten und geprüften Ventilbatterie durch den Hersteller seinen

Platz in der Praxis behauptet. Abb. 8.77 zeigt einen Mehrventilblock in Sandwich-

bauweise.

Abb. 8.77 Mehrventilblock in Sandwichbauweise (Heilmeier & Weinlein). a Blockdar-

stellung von vier Wegeventilen mit Handbetätigung 1 Anschlussblock, 2 Ventilsegmente, 3

Endplatte, 4 Druckbegrenzungsventil, 5 Sekundärdruckbegrenzungsventil, M Manometer-

anschluss, Br Segmentbreite, b Schaltplan