Werker müssen Hubgeräte oder Planierraupen oft mit äußerstem Fingerspitzengefühl ansteuern. Für solche Arbeitshydrauliken eignen sich vorgesteuerte Ventile, die durch Schwarz-Weiß-Magnete geschaltet werden. Sie sind wesentlich billiger als klassische Proportionalventile.
Dipl.-Ing. (FH) Udo Kühne ist zuständig für Projektierung und Entwicklung bei der Power-Hydraulik GmbH in Sulz
An Arbeitshydrauliken werden hohe Ansprüche gestellt. Etwa in der Förder- und Hebetechnik oder bei Bau- und Landmaschinen sollen sich die Geräte stufenlos aus der Ferne verstellen lassen. Sie müssen präzise und mit hoher Reproduzierbarkeit arbeiten. Diese Anforderungen machen den Einsatz von proportionaler Ventiltechnik notwendig.
Bei den Kosten für die unterschiedlichen Ventiltypen gibt es große Diskrepanzen. Ventile, die mit klassischen Proportionalmagneten angesteuert werden, arbeiten zwar nach exakt proportionaler Kennlinie, sind aber sehr teuer. In vielen Fällen genügen vorgesteuerte Ventile, die mit Schwarz-Weiß-Magneten angesteuert werden. Obwohl sie nicht dieselbe Linearität in der Kennlinie bieten, bilden sie oft eine Alternative. Sie sind wesentlich preiswerter, vergleichsweise robust und nehmen nur geringe Leistungen auf.
Druck und Volumenstrom lassen sich mit dieser „Quasi“-Proportionalventiltechnik durch nahezu leistungslose, elektrische Signale beeinflussen. Mit Hilfe von Steuer- und Regelelektroniken wie SPS oder mikroprozessorbasierten Systemen können die folgenden Applikationen realisiert werden:
kontrollierte Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge,sanfte, harmonische Druckanstiege und Entlastungsvorgänge,
exakt wiederholbare Geschwindigkeits- und Bewegungsprofile sowie
präzise und dynamische Druck- und Kraftregelungen.
Der Unterschied der schwarz-weiß-geschalteten zu den teuren, klassischen Proportionalventilen erschließt sich am besten mit einem Blick auf die Kraft-Hub-Kennlinie der Magneten (siehe Diagramm). Als Stellglieder sind die Magnete das entscheidende Element in der Signalkette des Ventils. Sie wandeln einen elektrischen Strom in eine Kraft um. Hier muß Proportionalität herrschen.
Legt man an einen klassischen, hochwertigen Proportionalmagneten einen konstanten Strom an, so erzeugt er im gesamten Hubbereich von vielleicht 0,3 bis 2,5 mm eine konstante Kraft (siehe Diagramm). Die erzeugte Kraft hängt also allein vom elektrischen Strom ab und nicht vom Hub. Beim Schwarz-Weiß-Schaltmagneten hingegen wird die Kraft auch stark vom Hub beeinflußt. Für einen fixen Hub besteht zwar ein proportionaler Zusammenhang zwischen Stromstärke und Magnetkraft. Da aber jedes Ventilverstellen mit einer Hubbewegung verbunden ist, geht die Proportionalität verloren.
Besser sieht es aus, wenn die Ventilverstellung über eine hydraulische Vorsteuerstufe realisiert wird. Hier reichen normalerweise sehr kurze Arbeitshübe aus, die 0,2 mm nicht überschreiten. Da die Hub-Kraft-Kennlinie des Schwarz-Weiß-Magneten in diesen engen Arbeitsbereichen als nahezu konstant betrachtet werden kann, läßt er sich als Ventil-Stellglied einsetzen. Der Anwender erhält also mit Hilfe des einfachen Schaltmagneten ein vorgesteuertes Ventil, das eine annähernd proportionale Charakteristik aufweist.
Die Vorteile dieser Lösung liegen in der einfachen und robusten Konstruktion sowie im günstigeren Preis gegenüber klassischen Proportionalventilen. Einsatzgebiete finden sich überall dort, wo der Bediener eine visuelle Kontrolle ausübt. Allerdings beeinflussen auch Temperatur- und Viskositätsschwankungen die Kennlinie, so daß eine rechnergestützte Kontrolle der schwarz-weiß-geschalteten vorgesteuerten Ventile nur bedingt möglich ist. Mit Hilfe geeigneter Maßnahmen läßt sich dieser Nachteil jedoch weitgehend eliminieren. Dazu gehören eine Wegrückführung vom Drosselelement oder eine steuerseitige Temperaturkompensation.
Zwei Beispiele zeigen, wie sich diese Variante der Proportionalventiltechnik in verschiedenen Bereichen einsetzen läßt: Mobile Krankenliegen werden in der Regel hydraulisch verstellt. Der Sanitäter muß die Höhe verändern können, Kopf- und Fußteile müssen sich neigen lassen.
Per Joystick werden Bewegungsabläufe feinfühlig gesteuert
Im Interesse des Patienten sollen die Verstellbewegungen stoß- und ruckfrei erfolgen. Dafür eignen sich zwei Ventiltypen, die den Ölstrom im Gegensatz zu konventionellen Schaltventilen stufenlos steuern können: Entweder sorgt ein zentral angeordnetes Proportional-Volumenstromregelventil für ein weiches Anfahren und Verzögern, oder eine Proportionalhub-Senkdrossel erzeugt die Bewegungen über elektronisch vorgegebene Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen. Beide Typen von vorgesteuerten Ventilen sind mit Schaltmagneten als Stellgliedern ausgerüstet.
Die Applikation eines Düngerstreuers trägt den hohen Ansprüchen der Landwirte Rechnung, die mit ihren Maschinen ökonomisch und zugleich ökologisch arbeiten müssen. Ausgerüstet mit entsprechender Steuerelektronik, ermöglicht das hydraulisch angetriebene Gerät ein präzises Dosieren und Verteilen des Düngegutes. Die Ausbringung pro Fläche wird bestimmt durch die Drehzahlen der beiden „Streuteller“. Als Einflußgrößen gehen Parameter wie die Fahrgeschwindigkeit der Zugmaschine oder die Feldgeometrie in den Prozeß ein.
Der Bediener kann die Funktionen komfortabel von der Traktorkabine aus vorwählen. Jeder Streuteller wird durch einen Hydromotor angetrieben. Die Drehzahl ist proportional zum Ölstrom. Mit Proportional-2-Wegestromreglern, die mit Schwarz-Weiß-Magneten arbeiten, können nun die Ölmengen feinfühlig, stufenlos und wiederholgenau dosiert werden. Somit lassen sich Ausbringmenge und Streubild optimal an Gelände und Fahrgeschwindigkeit anpassen.
Proportionalventile: Betätigungsarten im Vergleich
Proportionale Systeme bestehen in der Regel aus Sollwertgeber, Leistungsverstärker und dem Ventil, das sich aus Stellglied und mechanisch-hydraulischem Teil zusammensetzt. Als Sollwertgeber kommen Potentiometer, Joysticks, PC oder Funkfernsteuerungen in Frage.
Bei dem als Magnetverstärker ausgeführten Leistungsverstärker werden die Pulsweiten-Modulations- (PWM)-Karten zunehmend in digitaler Technik nachgefragt. Der Grund ist die einfache Anbindung der hersteller- und kundenspezifischen Karten über den Can-Bus. Doch nach wie vor gehört die analoge Lösung zum Stand der Technik.
Die Ventile übernehmen Aufgaben wie das Begrenzen und Regeln von Drücken, Drossel-, Stromregel- und Wegefunktionen. Ihr mechanisch-hydraulischer Teil wird durch ein proportional wirkendes Stellglied angesteuert. Dafür gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten.
Bei der klassischen Proportionaltechnik wirkt ein Proportionalmagnet direkt oder indirekt auf das hydraulische Teil. Wirkt er direkt, übt der Magnet Stellkräfte bis zu 70 N bei einem Arbeitshub bis zu 3 mm aus. Im anderen Fall wird die vom Proportionalmagnet erzeugte Kraft zunächst in einen hydraulischen Druck gewandelt, der dann auf den mechanisch-hydraulischen Ventilteil wirkt. Diese indirekte Wirkweise kommt zum Zuge, wenn große Stellkräfte oder Arbeitshübe benötigt werden. Ein Beispiel sind Proportionalwegeventile mit Nenngröße über 10 oder Proportionaldrosseln für Hubsysteme oder Gabelstapler.
Bei der zweiten Möglichkeit für das Ventil-Stellglied handelt es sich um die preiswertere Variante mit schwarz-weiß-schaltendem Magneten. Der Schaltmagnet wirkt indirekt über einen Druck auf den mechanisch-hydraulischen Ventilteil. Für begrenzte Arbeitshübe ist die Magnetkraft in erster Näherung proportional zum Magnetstrom, so daß das Ventil als Proportionalkomponente eingesetzt werden kann.
Solche Lösungen eignen sich besonders dort, wo der Bediener eine visuelle Kontrolle ausübt. Sie werden in vielen Bereichen des Maschinenbaus eingesetzt. Typische Beispiele sindHubarbeitsbühnen, Gabelstapler, Balancer, Heckenschneider oder Müll- und Kehrfahrzeuge.
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