Wegeventile in der Hydraulik – Einsatzbereiche und Bauformen
Wegeventile werden in allen Anwendungsbereichen der Hydraulik eingesetzt, sowohl in der Stationär- als auch in der Mobilhydraulik. Hydraulische Wegeventile sind Bauteile, die den Volumenstrom einer Druckflüssigkeit hinsichtlich Start, Stopp, Menge und Richtung steuern. Sie stellen Rohrleitungsverbindungen her, indem sie einen oder mehrere Volumenstromwege öffnen, sperren oder verändern.
Hydraulikventile in Wegeventil-Ausführung sind ein Standardbauteil und Bestandteil fast aller hydraulischen Systeme. Ein bewegliches Stellglied wird durch Betätigungselemente direkt oder indirekt über eine Vorsteuerstufe in bestimmte Stellungen (Schaltstellungen) gebracht, wodurch eine entsprechende Leitungsverbindung hergestellt wird.
Um den unterschiedlichen Anforderungen und Einsatzbedingungen gerecht zu werden, werden Wegeventile in verschiedenen Schaltvarianten angeboten. Dabei wird durch unterschiedliche Kolbenformen eine Vielzahl von Leitungsanschlüssen erreicht, ohne dass das Gehäuse verändert werden muss. Die Anforderungen an unterschiedliche Volumenströme werden durch die Wahl unterschiedlicher Ventil-Nennweiten erfüllt.
Wegeventile werden in allen Bereichen der Hydraulik eingesetzt, sowohl in der stationären als auch in der mobilen Hydraulik.
Schaltstellungen und Anschlüsse
Hydraulik Wegeventile haben eine Vielzahl von Anschlüssen und Schaltstellungen, die eine eindeutige Bezeichnung erfordern. Jede Schaltstellung wird durch ein Quadrat dargestellt; Pfeile und Striche innerhalb des Quadrats zeigen die Verbindung zwischen den Anschlüssen an. Je nach Anzahl der verschiedenen Schaltstellungen besteht ein Symbol aus mehreren Quadraten. Die einfachste Form eines Wegeventils hat zwei Anschlüsse und zwei Schaltstellungen. Die Wirkung der verschiedenen Schaltstellungen wird durch die Verschiebung der Schaltstellungen gegenüber den festen Leitungsanschlüssen verdeutlicht. Die Bezeichnung der Anschlüsse eines Wegeventils P, T, A, B und L erfolgt auf dem Quadrat, das sich in der Ruhe- oder Ausgangsstellung befindet.
Aufbau eines Wegeventilsysmbols
Der Benennung Wegeventil wird die Anzahl der gesteuerten Anschlüsse und der Schaltstellungen vorangestellt, z.B. Wegeventil mit 3 gesteuerten Anschlüssen und 2 Schaltstellungen: 3/2 – Wegeventil (Hydraulik).
Hydraulik-Wegeschieberventile
Die am häufigsten verwendete Bauart von Wegeventilen ist das Hydraulik-Wegeschieberventil.
Bei Ventilen in Längsschieberbauweise sitzt im Gehäuse ein Kolben, in den ringförmige Nuten eingedreht sind. Die Längsbewegung des Kolbens bewirkt, dass die im Gehäuse vorhandenen Ringnuten verbunden oder getrennt werden. Dadurch wird der Flüssigkeitsstrom gelenkt.
Bei Schieberventilen erfolgt die Abdichtung entlang eines Spaltes zwischen dem beweglichen Kolben und dem Gehäuse. Der Grad der Dichtheit hängt von der Spaltgröße, der Viskosität des Mediums und insbesondere von der Druckhöhe ab. Bei hohen Drücken (bis 350 bar) treten Leckverluste in einer Größenordnung auf, die bei der Bestimmung des Wirkungsgrades des Systems berücksichtigt werden müssen
4/3-Wegeventil Hydraulik (Schieberventil) – Erklärung der Funktionsweise
Obige Abbildung zeigt die Funktionsweise eines 4/3-Wege Schieberventils. Wenn der Kolben nach rechts geschaltet wurde (Abbildung a), wird der Durchfluss von P nach A und von B nach T geöffnet. Wurde der Ventilkolben nach links betätigt (Abbildung c), ist der Anschluss P mit B und A mit T verbunden. In diesem Beispiel wird das Schalten des Kolbens in seine Endlagen hydraulisch realisiert, d.h. die entsprechenden Kolbenseiten werden mit Steueröl beaufschlagt. Die Mittelstellung des Kolbens wird durch die Federzentrierung erreicht. In Nullstellung sind sämtliche Anschlüsse gegeneinander abgesperrt (Abbildung b). Obiges 4/3-Wege Hydraulikventil besitzt also 4 gesteuerte Anschlüsse (A, B, P und T) und 3 Schaltstellungen (Links, Mitte, Rechts).
Betätigungsarten von Wegeventilen
Bei direkt gesteuerten Wegeschieberventilen erfolgt die Ansteuerung des Steuerkolbens direkt durch Magnete, Pneumatik-/Hydraulikzylinder oder durch eine mechanische Vorrichtung.
Direkt gesteuerte Wegeventile werden in der Hydraulik in der Regel nur bis Nenngröße 10 (CETOP 5) ausgeführt. Die maximale Durchflussmenge beträgt ca. 120 l/min. Hintergrund sind die statischen und dynamischen Kräfte, die am Wegeschieberventil als Wirkung von Druck und Strömung auftreten.
Elektromagnetische Betätigung
Die elektromagnetische Betätigungsart ist am häufigsten zu finden. Man muss bei der Magnetbetätigung noch zwischen Gleichspannungs- und Wechselspannungsmagneten unterscheiden. Die Hubmagnete werden in folgenden Grundausführungen verwendet:
- In Luft schaltender Magnet (trockener Magnet)
- Gleichstrommagneten in Öl schaltend (“nasser” Magnet, wobei der Magnetanker in Öl läuft)
- Wechselstrommagnet in Luft schaltend
- Wechselstrommagnet in Öl schaltend
Der Gleichstrommagnet hat den Vorteil, dass er bei mechanischer Verklemmung nicht durchbrennt und eine große Lebensdauer aufweist. Dagegen ermöglicht der Wechselspannungsmagnet eine kurze Schaltzeit.
Bei Wegeschieberventilen werden in der heutigen Zeit überwiegend in Öl schaltende Magnete eingesetzt.
3-Kammer und 5-Kammer Wegeventile
Wegeschieberventil nach dem 3-Kammer-Prinzip
Bei einem Wegeschieberventil nach dem 3-Kammer Prinzip werden nur die Ringkanäle P, A und B durch den Schieber abgedichtet. Die Federn stützen sich am Magnetgehäuse ab und zentrieren den Kolben in der Nullstellung.
Wegeventil Hydraulik nach dem 5-Kammer-Prinzip
Bei dieser Ventilart ist der T-Kanal durch Stege im Gehäuse auf beiden Seiten, ebenso wie P, A und B als Kammer ausgebildet. Die beiden Endräume sind über eine Bohrung miteinander verbunden. Durch den Einbau einer Düse oder einer einstellbaren Drossel in diese Verbindungsbohrung kann die Schaltzeit entsprechend dem Düsendurchmesser oder der Drosselstellung beeinflusst werden.
Mechanische, manuelle Betätigung
Vor allem in der Mobilhydraulik ist der Handhebel das häufigste Bedienungselement. Die Betätigung erfolgt bei 2 Schaltstellungen in der Regel gegen eine Rückstellfeder (Druckfeder). Diese hält das Ventil in Nullstellung, solange keine Betätigungskraft wirkt. Besitzt das Ventil 3 Schaltstellungen, wird meist die Mittelstellung (Nullstellung) durch die Federzentrierung gehalten. Die beiden anderen Schaltstellungen werden durch die Betätigungskraft erreicht. Handhebelventile sind auch mit Rasten in verschiedenen Schaltstellungen erhältlich.
Hier erfolgt die Betätigung eines Ventilkolbens mittels Handhebel. Dabei ist der Ventilkolben mit dem Betätigungsmechanismus verbunden und folgt dessen Bewegung. Im Ventil befinden sich Druckfedern, die für die Rückstellung des Kolbens verantwortlich sind. Das bedeutet, dass nach dem Wegfall der Betätigungskraft (z.B. durch Loslassen des Handhebels) der Ventilkolben wieder in die Ausgangsstellung zurückgeschoben wird.
Bei der Ventilvariante mit Raste wird die Schaltstellung durch die Raste fixiert, die Rückstellmöglichkeit des Kolbens durch die Zentrierfedern entfällt. Ist eine gerastete Position erreicht, kann diese nur mittels Betätigung wieder geändert werden.
Hydraulische oder pneumatische Betätigung
Bei hydraulischer Betätigung wirkt der hydraulische Steuerdruck über einen Kolben direkt auf den Ventilschieber.
Bei der pneumatischen Betätigung wirkt der Luftdruck auf einen entsprechend abgedichteten Kolben. Dabei kann dabei Normaldruck oder Niederdruck von Logikelementen mit ein- oder mehrstufiger Verstärkung verwendet werden.
Vorgesteuerte Wegeschieberventile (Indirekte Betätigung)
Für die Steuerung größerer Volumenströme werden indirekt betätigte Wegeventile eingesetzt. Grund dafür sind die hohen Betätigungskräfte zum Verschieben des Steuerkolbens.
Vorgesteuerte Hydraulik Wegeventile bestehen aus zwei Elementen, dem hydraulisch betätigten Wegeventil und einem kleinen direkt betätigten Wegeventil. Dieses ist normalerweise direkt elektrisch betätigt. Das kleine Magnetventil dient als Vorsteuerventil und hat die Aufgabe, Druckflüssigkeit wahlweise zu einer der beiden Kolbenstrinseiten des hydraulisch betätigten Wegeventils zu steuern.
Mit dem Schalten des Vorsteuerventils wird also das Steuersignal hydraulisch verstärkt und der Hauptsteuerkolben verschoben. Bei der federzentrierten Ausführung wird der Hauptsteuerkolben durch die Federn in der Mittelstellung gehalten. In der Ausgangsstellung sind die beiden Federräume drucklos mit dem Tank verbunden. Dies erfolgt durch das Vorsteuerventil. Dieses wird über die Steuerleitung mit Steröl versorgt. Dessen Zuführung kann intern (Abgriff bei Druckanschluss “P”) oder extern (über Anschluss “X”) erfolgen.
Wird nun der Magnet des Vorsteuerventils b erregt, wird der Vorsteuerkolben nach rechts geschoben und damit beaufschlagt das Steueröl die rechte Stirnfläche des Hauptsteuerkolbens. Dieser wird nun gegen die Federkraft nach links bewegt und gibt den Durchfluss von P nach A und von B nach T frei.
Wird der Magnet des Vorsteuerventils stromlos geschaltet, geht der Vorsteuerkolben wieder zurück in die Mittelstellung und der Federraum wird entlastet. Die Feder kann nun den Kolben des Hauptventils nach rechts schieben, bis er am Federteller der Feder anliegt. Das beim Schaltvorgang aus der Federkammer verdrängte Steueröl fließt über das Vorsteuerventil in den Kanal Y ab. Der Schaltvorgang bei Betätigung des Magneten a läuft sinngemäß ab.
Zum Schalten ist ein Mindeststeuerdruck (ca. 4 bar) notwendig. Es kann also mit dem Eigenmedium nur gesteuert werden, wenn bei P stets der Mindestdruck vorhanden ist. Eine weitere Variante für vorgesteuerte Wegeschieberventile ist die Ausführung mit Druckzentrierung.
Wegeventile Hydraulik – Schaltüberdeckung
Die Schaltüberdeckung gibt Aufschluss über die Vorgänge während des Umschaltvorganges des Ventils. Man unterscheidet dabei positive und negative Schaltüberdeckung.
Bei positiver Schaltüberdeckung (Schaltbild 1/2) sind während des Schaltvorganges kurzfristig alle Anschlusskanäle gegeneinander abgesperrt. Beim Umschalten kommt es also zu kurzzeitigen Druckspitzen, da der Pumpenförderstrom über das Druckbegrenzungsventil abfließen muss. Druckspitzen können mit Hilfe von Hydrospeichern abgebaut werden. Der Vorteil der positiven Schaltüberdeckung ist, dass ein unter Last stehender Verbraucher beim Umschalten nicht absinken kann.
Bei negativer Schaltüberdeckung (Schaltbild 0/2) sind während des Schaltvorgangs kurzzeitig alle Anschlusskanäle miteinander verbunden, der Druck “bricht zusammen”. Dadurch werden zwar Druckspitzen verhindert, aber ein unter Last stehender Verbraucher kann beim Umschalten absinken.
Durchflusskennlinien
Die Angabe der Durchflussmenge bei einem Wegeventil Hydraulik ist erst aussagefähig, wenn diese auf die Druckdifferenz bezogen wird. Die Druckdifferenz Δp ist die Differenz zwischen Ventileingangsdruck und Ventilausgangsdruck und somit ein Mass für den inneren Widerstand des Wegeventils. Dieser entsteht hauptsächlich durch Strömungsverluste im Ventil.
Die Druckdifferenz kann in der Praxis nicht genau berechnet werden, deshalb ermitteln die Ventilhersteller die Werte empirisch für die einzelnen Ventilgrößen (s. Beispiel). Die Ergebnisse werden in Form von Δp-Q-Kennlinien dargestellt. Dabei wird jede Verbindung der einzelnen Schaltstellungen dargestellt (z.B P-A, P-T,…).
Leistungsgrenzen
Beim Betrieb von Hydraulik Wegeventilen im Grenzbereich, d.h. bei maximalem Druck und maximalem Volumenstrom, wirken je nach Schaltbild entsprechende Störkräfte auf den Ventilschieber. Diese können im ungünstigsten Fall die verfügbaren Betätigungskräfte von Magneten und Rückstellfedern übersteigen. In diesen Fällen müssen Einsatzgrenzen definiert werden. Diese werden ebenfalls grafisch dargestellt:
Wird ein Hydraulik Wegeventil mit einem zu großen Druck und einem zu hohen Volumenstrom ausgewählt, kann beim Überschreiten der Leistungsgrenze der Ventilschieber stehen bleiben, auch wenn ein Schaltbefehl erfolgt ist. Der Magnet schafft es dann nicht mehr, den Schieber zu bewegen.
