Typen hydraulischer Durchflussregelventile

In modernen Hydrauliksystemen bestimmt die Steuerung der Geschwindigkeit, mit der sich Flüssigkeit durch den Kreislauf bewegt, die Geschwindigkeit, mit der Ihre Maschinen arbeiten. Wenn sich ein Hydraulikzylinder langsam oder schnell ausfährt, kommt dieser Geschwindigkeitsunterschied von einer entscheidenden Komponente: dem Durchflussregelventil. Das Verständnis der verschiedenen verfügbaren hydraulischen Durchflussregelventiltypen hilft Ingenieuren bei der Auswahl der richtigen Lösung für ihre spezifische Anwendung, sei es ein Mobilbagger, der eine konstante Schaufelgeschwindigkeit unter wechselnden Lasten benötigt, oder ein Präzisionsfertigungssystem, das eine synchronisierte Bewegung mehrerer Zylinder erfordert.

Bedarfsgesteuerte Load-Sensing-Systeme, bei denen sich die Pumpenverdrängung automatisch an den Systembedarf anpasst.

Dabei hängt der Durchfluss (Q) von der Öffnungsfläche (A) und der Druckdifferenz darüber ab. Diese Quadratwurzelbeziehung stellt eine Herausforderung dar: Wenn sich der Lastdruck ändert, ändert sich auch der Durchfluss, selbst wenn Sie die Ventileinstellung nicht berührt haben. Verschiedene Ventiltypen lösen dieses Problem auf unterschiedliche Weise, weshalb das Verständnis ihrer Funktionsprinzipien für die Systemkonstruktion wichtig ist.

Grundlegende nicht kompensierte Durchflussregelventile

Die einfachsten hydraulischen Durchflussregelventiltypen funktionieren, indem sie eine Einschränkung im Durchflussweg erzeugen. Diese Ventile ändern die Öffnungsfläche, um den Durchfluss zu steuern, sie gleichen jedoch keine Druckschwankungen aus. Dadurch sind sie zwar weniger präzise als fortschrittliche Konstruktionen, aber aufgrund ihrer Einfachheit und geringen Kosten eignen sie sich für Anwendungen, bei denen der Lastdruck relativ konstant bleibt oder die Geschwindigkeitsgenauigkeit nicht entscheidend ist.

Nadelventile und ihr Präzisionsvorteil

Nadelventile verfügen über ein konisches, nadelförmiges Element, das sich in einen konischen Sitz bewegt. Das Feingewinde am Einstellschaft ermöglicht extrem kleine Änderungen der Düsenöffnung. Wenn Sie den Einstellknopf um eine volle Umdrehung drehen, bewegt sich die Nadel möglicherweise nur um 0,5 mm, sodass Sie eine präzise Kontrolle über sehr kleine Durchflussraten erhalten. Dies macht Nadelventile besonders wertvoll in Pilotkreisläufen, Manometerdämpfungsanwendungen und Instrumentierungsleitungen, in denen die Durchflussraten möglicherweise nur 0,1 Liter pro Minute betragen.

Die konische Geometrie sorgt außerdem für nahezu lineare Strömungseigenschaften über einen Großteil des Einstellbereichs. Nadelventile haben jedoch Einschränkungen. Die kleine Öffnungsgröße bedeutet, dass sie anfällig für Verstopfungen sind, wenn die Flüssigkeitsreinheit unter die ISO 4406 18/16/13-Werte fällt. Da es ihnen außerdem an Druckausgleich mangelt, kann ein Nadelventil, das auf eine Fördermenge von 2 Litern pro Minute bei einem Lastdruck von 50 bar eingestellt ist, möglicherweise 2,8 Liter pro Minute liefern, wenn die Last auf 20 bar sinkt. Diese Geschwindigkeitsschwankung von 40 % macht sie als primäre Geschwindigkeitsregelung in Systemen mit variablen Lasten ungeeignet.

Durchgangsventile im hydraulischen Einsatz

Kugelventile verfügen über einen internen Strömungsweg, der die Flüssigkeit dazu zwingt, die Richtung zweimal zu ändern, wodurch ein Z-förmiges Strömungsmuster durch den Ventilkörper entsteht. Das scheiben- oder pfropfenförmige Verschlusselement sitzt senkrecht zum Strömungsstrom. Diese Konstruktion erzeugt im Vergleich zu Durchgangsventilen einen höheren Druckabfall, bietet aber gute Drosseleigenschaften.

In hydraulischen Anwendungen verarbeiten Kugelventile typischerweise größere Durchflussraten als Nadelventile – normalerweise von 5 bis 100 Liter pro Minute. Die Einstellung ist weniger präzise als bei Nadelventilen, aber die robustere Konstruktion kommt besser mit Partikelverschmutzung zurecht. Sitz und Scheibe erleiden weniger Erosionsschäden, da die Geometrie die Kräfte gleichmäßiger verteilt. Wie alle nicht kompensierten Drosselventile leiden Hubventile jedoch unter dem gleichen Lastempfindlichkeitsproblem. Ein Zylinder, der eine 10-Tonnen-Last schiebt, bewegt sich selbst bei identischen Ventileinstellungen langsamer als beim Schieben von 5 Tonnen.

V-förmige Kugelhähne zur Drosselung

Standard-Kugelhähne dienen in erster Linie als Ein-Aus-Absperrvorrichtungen, der Kugelhahn mit V-Kerbe stellt jedoch eine Weiterentwicklung speziell für die Durchflussregelung dar. Anstelle einer kreisförmigen Öffnung enthält die Kugel eine V-förmige Aussparung. Während sich die Kugel dreht, vergrößert die V-Kerbe den Strömungsquerschnitt zunehmend und sorgt so für eine gleichprozentige Strömungscharakteristik. Dies bedeutet, dass jeder Grad der Drehung eine Flussänderung proportional zum aktuellen Fluss erzeugt und nicht einen festen Schritt.

Das V-Kerben-Design eignet sich für Anwendungen, die eine große Durchflusskapazität mit angemessener Drosselfähigkeit erfordern. Eine 2-Zoll-V-Kugel kann bei voller Öffnung mehr als 200 Liter pro Minute verarbeiten und sorgt gleichzeitig für eine kontrollierbare Reduzierung auf 20 % des Maximums. Die Hartmetall-auf-Metall- oder Metall-auf-Elastomer-Dichtung sorgt für eine dichte Abdichtung. Diese Ventile weisen jedoch dieselben Einschränkungen bei der Druckempfindlichkeit auf: Der Durchfluss variiert mit der Quadratwurzel der Druckdifferenz, was sie für eine präzise Geschwindigkeitsregelung bei variabler Belastung ungeeignet macht.

Druckkompensierte Durchflussregelventile

Wenn hydraulische Systeme unabhängig von Laständerungen eine konstante Antriebsgeschwindigkeit erfordern, werden druckkompensierte Stromregelventile erforderlich. Diese Ventile lösen das grundlegende Problem der einfachen Drosselung: Sie halten den Druckabfall über der Messblende konstant, indem sie ein sekundäres Drosselelement automatisch einstellen. Diese Innovation verwandelt ein von Natur aus druckempfindliches Gerät in einen echten Durchflussregler.

Der Schlüssel zum Druckausgleich liegt im Hinzufügen einer federbelasteten Ausgleichsspule in Reihe mit der Hauptdrosselöffnung. Dieser Kompensator erfasst den Druck sowohl vor als auch nach dem Dosierabschnitt. Wenn der Lastdruck ansteigt, öffnet sich der Kompensator automatisch leicht und verringert so seine eigene Drosselung, um den Druckabfall an der Hauptöffnung konstant zu halten. Wenn umgekehrt der Lastdruck abfällt, schließt der Kompensator teilweise, um einen Durchflussanstieg zu verhindern.

Zweiwegeventile mit Druckausgleich

Zweiwege-Druckkompensierte Stromregelventile werden in Reihe mit dem Aktorkreis geschaltet. Das Ventil besteht aus der einstellbaren Hauptblende und dem Ausgleichselement, die so angeordnet sind, dass der gesamte gesteuerte Durchfluss durch beide Drosseln fließt. Die Kompensatorfeder stellt typischerweise einen festen Differenzdruck von 5 bis 10 bar über die Hauptblende ein.

Die Einschränkung von Zweiwege-Kompensationsventilen zeigt sich in der Energieeffizienz. Wenn die Pumpe mehr Durchfluss liefert, als das Ventil durchlässt, muss der Überschuss über das Überdruckventil des Systems in den Tank zurückfließen. Dieser überschüssige Durchfluss strömt bei vollem Systemdruck durch das Überdruckventil und wandelt die hydraulische Leistung direkt in Wärme um.

Dreiwegeventile mit Druckausgleich

Dreiwegeventile mit Druckausgleich fügen einen dritten Anschluss hinzu, der überschüssigen Pumpenfluss direkt zum Tank leitet. Anstatt überschüssigen Durchfluss über das Hochdruck-Entlastungsventil zu erzwingen, leitet der Kompensator des Dreiwegeventils ihn bei nur geringfügig über dem Lastdruck liegendem Bypass-Anschluss um. Dadurch wird die Energieverschwendung drastisch reduziert.

Der Kompensator in einem Dreiwegeventil erfüllt zwei Funktionen. Erstens sorgt es wie bei einem Zweiwegeventil für eine konstante Differenz über der Dosieröffnung. Zweitens, wenn der Pumpendurchfluss die eingestellte Durchflussrate überschreitet, leitet der Kompensator den Überschuss durch den Bypass-Anschluss. Der Hauptunterschied besteht im Druck, bei dem dieser Bypass erfolgt. Der umgeleitete Durchfluss durchquert den Kompensator bei Lastdruck plus der Einstellung der Kompensatorfeder (typischerweise 10 bar), nicht bei Druck des Überdruckventils (der 200 bar betragen kann).

Vorkompensation versus Nachkompensation in Systemen mit mehreren Aktuatoren

Wenn mehrere hydraulische Durchflussregelventile an eine einzelne Pumpe angeschlossen werden, wird die Position des Druckkompensators relativ zum Hauptwegeventilschieber kritisch. Dieses scheinbar unbedeutende Konstruktionsdetail bestimmt, ob das System eine reibungslose koordinierte Bewegung aufrechterhält, wenn der Pumpenfluss für alle Aktoren nicht mehr ausreicht.

Invorkompensierte SystemeDer Kompensator sitzt vor dem Steuerschieber. Jeder Ventilabschnitt gleicht seinen eigenen Durchfluss unabhängig aus. Dies funktioniert perfekt, wenn die Pumpenkapazität den Gesamtbedarf übersteigt. Wenn Sie jedoch mehrere Funktionen gleichzeitig betreiben und der Gesamtbedarf den Pumpendurchfluss übersteigt, kommt es bei vorkompensierten Ventilen zu einer Durchflusssättigung. Der Aktuator mit dem niedrigsten Lastdruck erhält den vollen Durchfluss, während Aktuatoren mit hoher Last langsamer werden oder ganz anhalten.

Nachkompensierte Ventile(auch Load Sensing Independent Metering oder LUDV-Systeme genannt) platzieren den Kompensator stromabwärts des Wegeventils. Wenn der Pumpenfluss gesättigt ist, verkleinern alle Kompensatoren ihre Öffnungen proportional. Dieses Flow-Sharing-Verhalten bedeutet, dass alle Aktuatoren gemeinsam langsamer werden und dabei ihr Geschwindigkeitsverhältnis beibehalten. Für mobile Maschinen, die eine koordinierte Mehrachssteuerung erfordern, ist eine Nachkompensation grundsätzlich obligatorisch.

Strömungsteiler- und Vereinigungsventile

Wenn ein Hydrauliksystem zwei oder mehr Aktuatoren benötigt, um sich mit genau der gleichen Geschwindigkeit zu bewegen, funktionieren einfache Parallelverbindungen nicht. Die Flüssigkeit folgt von Natur aus dem Weg des geringsten Widerstands, was bedeutet, dass der Aktuator mit der geringsten Last den gesamten Durchfluss erhält, während andere abwürgen. Strömungsteilerventile lösen dieses Problem, indem sie mechanisch oder hydraulisch eine Strömungsaufteilung in festen Proportionen erzwingen, unabhängig vom individuellen Lastdruck.

Spulenförmige Strömungsteiler

Spulenförmige Strömungsteiler nutzen Druckmessung und variable Drosselung, um den Durchfluss zwischen den Auslässen auszugleichen. Im Inneren des Ventilkörpers verfügt jeder Auslass über eine feste Öffnung, durch die der gesamte Durchfluss fließen muss. Nach diesen festen Öffnungen wirkt der Druck in jedem Zweig auf die gegenüberliegenden Enden einer ausgeglichenen Spule. Wenn ein Zweig mehr Durchfluss erhält, erhöht sich der Druckabfall an seiner festen Öffnung, wodurch ein Ungleichgewicht entsteht, das die Spule verschiebt. Diese Bewegung schränkt die Seite mit hohem Durchfluss ein und öffnet gleichzeitig die Seite mit geringem Durchfluss, bis sich die Strömungen ausgleichen.

Die Teilungsgenauigkeit hochwertiger Schieberventile liegt bei plus/minus 2,5 bis 5 Prozent des Gesamtdurchflusses. Aufgrund dieser Präzision eignen sich Spulenteiler für synchronisierte Hebeplattformen, Doppelzylinderpressen und Positionierungssysteme, bei denen die Zylinder ihre Endpositionen innerhalb von Millimetern voneinander erreichen müssen. Die Schwäche von Spulenteilern liegt jedoch in ihrer Empfindlichkeit gegenüber Verschmutzung. Partikel, die sich in Zwischenräumen festsetzen, führen dazu, dass die Spule klemmt und die Synchronisierungsgenauigkeit beeinträchtigt wird.

Zahnradförmige Strömungsteiler

Einen grundlegend anderen Ansatz verfolgen Zahnrad-Strömungsteiler mit Verdrängerprinzipien. Das Ventil besteht aus zwei oder mehr Getriebeabschnitten (ähnlich Getriebemotoren), die auf einer gemeinsamen Welle montiert sind. Der einströmende Strom gelangt in einen gemeinsamen Einlass und treibt alle Zahnradsätze an. Da die Welle alle Abschnitte mechanisch koppelt, müssen sie mit identischer Geschwindigkeit rotieren. Jeder Getriebeabschnitt verdrängt ein Volumen proportional zu seiner Verdrängungseinstellung und erzwingt so eine Durchflussaufteilung im exakten Verhältnis zu den Übersetzungsverhältnissen.

Getriebeteiler zeichnen sich durch Effizienz und Robustheit aus und tolerieren Verschmutzungsgrade bis ISO 4406 20/18/15. Sie eignen sich ideal für Anwendungen im Dauerbetrieb wie die Synchronisierung mehrerer Hydraulikmotoren in Förderbandantrieben. Allerdings weisen sie eine gefährliche Eigenschaft auf, die als Druckverstärkung bezeichnet wird. Wenn ein Auslass verstopft ist, fungiert der blockierte Abschnitt als Pumpe und erzeugt einen extrem hohen Druck.Jeder Ausgang eines Getriebeverteilers muss über ein Überdruckventil verfügen.

Patronen- und Logikventile für Anwendungen mit hohem Durchfluss

Mit zunehmender Leistung hydraulischer Systeme werden herkömmliche Schieberventile physisch zu groß. Durchflussregelventile im Patronenstil lösen dieses Problem, indem sie die Ventilfunktion in ein kleines Logikelement aufteilen, das in einen gebohrten Verteilerblock eingesetzt wird. Dieser Ansatz reduziert Größe und Gewicht erheblich und ermöglicht gleichzeitig eine viel höhere Durchflusskapazität in einem kompakten Paket.

Zwei-Wege-Cartridge-Logikelemente

Das grundlegende Zweiwege-Einbauventil besteht aus einem Tellerelement, das in einem Gewinde- oder Einsteckgehäuse sitzt. Im Gegensatz zu Schieberventilen, die zur Steuerung überlappende Stege verwenden, verwenden Patronenventile einen Sitzverschluss. Die Durchflusskontrolle erfolgt durch die Begrenzung, wie weit sich der Ventilkegel von seinem Sitz abhebt. Ein Pilotventil steuert den Druck in der oberen Kammer. Durch die Modulation dieses Steuerdrucks steuern Sie das Kräftegleichgewicht am Ventilteller, der die Öffnungsgröße bestimmt.

Die Vorteile sind erheblich. Erstens skaliert die Durchflusskapazität dramatisch. Zweitens eliminiert die leckagefreie Sitzkonstruktion die interne Leckage, die bei Schieberventilen auftritt. Drittens wird ein einzelner Patronenkörper zu einem Wegeventil, Druckventil oder Durchflussventil, indem einfach die oben montierte Steuerdeckelbaugruppe ausgetauscht wird.

Proportional- und Servo-Durchflussregelung

Wenn hydraulische Systeme in SPS- oder CNC-Systeme integriert werden, wird die mechanische Anpassung durch elektronische Befehlssignale ersetzt. Proportional- und Servoventile wandeln elektrische Eingänge in präzise Durchflussausgänge um.

Proportionale Durchflussregelventile

Proportionalventile ersetzen die manuelle Einstellschraube durch einen Proportionalmagneten. Anstatt einen Knopf zu drehen, sendet das Steuersystem ein Stromsignal, das eine elektromagnetische Kraft erzeugt, um den Ventilschieber zu positionieren. Moderne Ventile verwenden Pulsweitenmodulations-Ansteuersignale (PWM) mit überlagerten Ditherfrequenzen. Diese hochfrequente Vibration hält die Pilotspule in ständiger Mikrobewegung, wodurch die Haftreibung unterbrochen und die Hysterese auf 1–2 % oder weniger reduziert wird.

Servoventile für hochdynamische Anwendungen

Servoventile stellen den Höhepunkt hydraulischer Steuerungspräzision dar. Statt eines Proportionalmagneten, der direkt auf den Hauptkolben wirkt, verwenden Servoventile eine zweistufige Bauweise mit einem Torquemotor. Die geringe bewegte Masse und die minimale mechanische Reibung verleihen Servoventilen eine außergewöhnliche Dynamik. Der Frequenzgang liegt üblicherweise über 100 Hz, was bedeutet, dass ein Servoventil Befehlssignale, die sich 100 Mal pro Sekunde ändern, genau reproduzieren kann.

Temperatureinflüsse und Viskositätsüberlegungen

Hydraulische Durchflussregelventiltypen reagieren unterschiedlich auf Temperaturänderungen, da die Flüssigkeitsviskosität stark mit der Temperatur variiert. Bei Hydraulikölen auf Mineralölbasis sinkt die Viskosität normalerweise bei jedem Temperaturanstieg um 25 Grad Celsius um die Hälfte. Bei einfachen Drosselventilen bedeutet dies, dass die Ausrüstung nach dem Aufwärmen möglicherweise gefährlich schnell läuft.

Scharfkantige Düsendesignswirken diesem Problem entgegen. Wenn Flüssigkeit durch eine Öffnung mit einer scharfen Eintrittskante strömt, geht die Strömung sofort in einen turbulenten Zustand über. Bei turbulenter Strömung wird der Ausflusskoeffizient im Wesentlichen unabhängig von der Viskosität. Aus diesem Grund verwenden druckkompensierte Stromregelventile in ihren Dosierabschnitten durchweg scharfkantige Düsenöffnungen.

Auswahlkriterien für verschiedene Anwendungen

Die Auswahl zwischen den verschiedenen hydraulischen Durchflussregelventiltypen erfordert die Analyse von Lasteigenschaften, Präzisionsanforderungen, Arbeitszyklus und Energieeffizienzanforderungen.

Lasttypbewertung

Widerstandslasten funktionieren gut mit einfachen Drosselventilen. Überlaufende Lasten (z. B. das Absenken eines schweren Gewichts) erfordern druckkompensierte Ventile in Kombination mit Gegenhalteventilen. Bei Anwendungen mit stark schwankenden Lasten ist ein Druckausgleich zwingend erforderlich. Nur druckkompensierte Ventile können eine konstante Hubgeschwindigkeit erreichen, unabhängig davon, ob eine Palette 200 kg oder 800 kg wiegt.

Überlegungen zur Energieeffizienz

Abschluss

Die Palette der hydraulischen Durchflussregelventiltypen spiegelt jahrzehntelange technische Entwicklung wider, die auf unterschiedliche Anwendungsanforderungen abzielt. Einfache Nadelventile und Drosselventile eignen sich für kostengünstige Anwendungen, bei denen Laststabilität gewährleistet ist. Druckkompensierte Ventile liefern konstante Antriebsgeschwindigkeiten bei wechselnden Lasten. Strömungsteilerventile lösen Herausforderungen bei der Synchronisierung mehrerer Aktuatoren.

Das Verständnis dieser hydraulischen Durchflussregelventiltypen und ihrer Funktionsprinzipien ermöglicht es Ingenieuren, Systeme zu spezifizieren, die die Leistungsanforderungen erfüllen, ohne übermäßig viel zu konstruieren. Eine erfolgreiche Hydrauliksystemkonstruktion passt die Ventileigenschaften an die tatsächlichen Betriebsbedingungen an und berücksichtigt dabei Lastschwankungen, erforderliche Präzision, Arbeitszyklus, Verschmutzungsumgebung und Gesamtbetriebskosten und nicht nur den Kaufpreis.