Hydraulik Funktionsprinzip eines Lautsprechers führt zum Leistungsanstieg bei Regelventilen

Die Forderung erhöhter Regeldynamik bei reduzierten Kosten hat die Entwicklung eines Ventilantriebs vorangetrieben, der vom Prinzip her ähnlich wie ein Lautsprecher funktioniert. Das Ergebnis ist ein Regelventil, das eine Schaltfrequenz von 350 Hz erreicht und damit auch manches Servoventil übertrifft. Im Gegensatz zum klassischen Hubanker-Antrieb bleibt die Verstellkraft in jeder Schieberposition konstant.

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Wer den tatsächlichen Inovationsgrad des hydraulischen Regelventils DF plus begreifen will, muss ein Stück weit in die Technik des Ventilantriebs einsteigen (Bild 1). Die Belohnung für diesen Exkurs ist das Erkennen und Begreifen der Unterschiede elektromechanischer Wandler bei stetig hydraulischen Hydraulikventilen, zu denen auch Regelventile zählen. Das versetzt die Maschinen- und Anlagenbauer in die Lage, grundsätzliche Entscheidungen über die bestmögliche Antriebslösung mit dem notwendigen technischen, aber auch wirtschaftlichen Background zu treffen.

Stärken und Schwächen bei jedem Antriebsprinzip

Der grundsätzliche Aufbau von stetig verstellbaren Hydraulikventilen basiert auf dem klassischen Hubanker. Dieser Hubanker bewegt den Ventilkolben in einem typischen Schieberventil in die gewünschte Richtung. Das Schieberventil ist eine Kombination aus Buchse und Kolbenschieber. Der Ventilkolben gibt durch die Bewegung die entsprechenden Bohrungen in der Buchse frei, und das Hydrauliköl kann fließen.

Obwohl bei Ventilen der Nenngröße NG6 diese Bohrungen einen Durchmesser von knapp 8 mm haben, muss lediglich die Verstellung in einer rechnerischen Größenordnung von ±1 mm regelungstechnisch abgebildet werden. Dieses Wissen ist wichtig, um die Vor- und Nachteile der einzelnen Antriebslösungen bewerten zu können. Die Nenngröße N6 ist die mit Abstand häufigste Ventilvariante in der hydraulischen Antriebstechnik.

Der klassische Hubanker ist technisch sehr einfach aufgebaut und damit die ideale Lösung für eine Serienproduktion. Er besteht aus einem beweglichen Magneten und fest im Gehäuse verankerten Spulen. Durch Strominduktion verstellt sich der Ventilschieber mit Hilfe des Magneten. Vor etwa 30 Jahren entsprach es einer technischen Revolution in der hydraulischen Antriebstechnik, diesen Magneten im Öl zu bewegen, um die Leistungsfähigkeit der Hydraulikventile zu verbessern. Aus diesem Grund kann die Erhöhung der Schaltfrequenzen als ein entscheidender technischer Fortschritt in der Hydraulik angesehen werden.

Überwinden der Federkraft reduziert Kraft für Bewegung

Der grundsätzliche Nachteil dieser Technik ist das nichtlineare Verhalten zwischen Kraft und Hub. Außerdem müssen einseitig angesteuerte Regelventile auf Basis eines Hubmagneten stets gegen ein Federpaket arbeiten, das eine vernünftige Regelbarkeit schließlich erst möglich macht. Entsprechend reduziert sich die für den Bewegungsvorgang zur Verfügung stehende Kraft.

Das drückt sich zum Beispiel bei der Ventilgröße NG6 dadurch aus, dass mit Hilfe des Hubmagneten letztendlich nur etwa 35 N für die Schaltbewegung aufgebracht werden. Je höher die Dynamik eines solchen Ventils jedoch werden soll, desto höher muss die Federkraft – also auch der Kraftverlust – sein. Das bedeutet: eine geringere Druckdifferenz zwischen den Steuerkanten und damit weniger Ölvolumenstrom.

Obwohl heutzutage eine Reihe von hervorragenden Regelventilen am Markt angeboten werden, bleiben manche Wünsche offen. Der Grund dafür liegt in den steigenden technischen Anforderungen bei reduzierten Kosten. Das zeigt sich unter anderem darin, dass Anwender einerseits bei hochdynmischen Prozessen aus Kostengründen von der Servotechnik abgehen wollen. Andererseits forcieren sie bei Standardanwendungen stärker als in der Vergangenheit den Einsatz geregelter Systeme.

Aus diesem Grund richten die Ventilhersteller den Blick auf die Piezotechnik. Sie stellt ihre Vorteile in Bezug auf Dynamik und Regelbarkeit seit Jahren in den Einspritzsystemen von Fahrzeug-Dieselmotoren unter Beweis. Piezo-Antriebe sind gewissermaßen die Krönung, wenn es um Dynamik geht. Mit Frequenzen von 1000 bis 5000 Hz liefern sie auch deutlich mehr Systemsteifigkeit als jeder Hydrauliker in der Regel braucht. Das ist einer der Gründe dafür, dass eine Reihe von renommiertem Ventilherstellern solche Lösungen entwickeln – und auch Forschungsinstitute wie das Institut für Fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS) der RWTH Aachen mit Piezo-Antrieben experimentieren.

Piezotechnik liefert Dynamik bei zu kleiner Auslenkung

Allerdings lassen sich die Anwendungsgrenzen von hydraulischen Piezoventilen deutlich erkennen. Aufgrund des Funktionsprinzips, dass solche Elemente beim Anlegen von Spannung eine Längenänderung erfahren, sind die damit in der Praxis erreichbaren Wegstrecken äußerst gering. Das ist auch dann der Fall, wenn die Piezos zu so genannten Stapeln kumuliert werden. Diese Anwendungsgrenzen scheinen im Grunde genommen für den industriellen Ventileinsatz technisch unüberwindbar zu sein, weil in Stetigventilen nach dem Schieberprinzip eine Auslenkung von etwa ±1 bis 2 mm die zu erreichende Zielmarke in der industriellen Praxis darstellt und moderne Piezo-Stapellösungen jenseits von 0,3 mm nichts mehr zu bieten haben.

Eine Lösung könnte darin bestehen, dass mit Hilfe von Hebelübersetzungen gearbeitet wird. So kann bei dem derzeitigen Entwicklungsstand ein Übersetzungsverhältnis von etwa 1 zu 10 als durchaus realistisch betrachtet werden. Das bedeutet allerdings auch, dass bei einem solchen Übersetzungsverhältnis die Dynamik auf Frequenzwerte von 100 bis 500 Hz zurückgeht und dadurch wieder im Bereich von Servo- und Proportionalventilen liegt. Aus dieser Tatsache kann gefolgert werden, dass Piezo-Ventile lediglich zur Vorsteuerung mit kleinen Volumenströmen geeignet sind.

Tauchspulensystem bewegt Schieber

Jedoch wird das Gros der Stetigventile in der industriellen Praxis direkt angesteuert – mit entsprechend großen Volumenströmen. Dabei dominiert mit großem Abstand die Baugröße NG6. Vor diesem Hintergrund hat Parker Hannifin ein Jahrzehnte altes Prinzip mit neuem Glanz versehen und darauf aufbauend das neue Regelventil DF plus entwickelt (Bild 2). Die Bewegung des Ventilschiebers führt ein so genanntes Tauchspulensystem aus. Dieses System besteht aus einer beweglichen Spule mit wenig Eigengewicht. Die Spule umschließt einen am Gehäuse fest montierten Magneten, wie in Bild 3 ersichtlich ist. Dieses Prinzip kennt jeder aus der Akustik, denn ein Lautsprecher ist in ähnlicher Weise aufgebaut.

Mit einem Blick auf die heimische Stereoanlage erkennt selbst der Nicht-Techniker, dass damit ohne weiteres hohe Töne (Frequenzen) bis zu 20 000 Hz erzeugt werden können. Aus Sicht der Hydrauliker sind einem solchen Antrieb also keine Grenzen gesetzt. Genau dieser Aspekt ist für die Anwendung in Industrieventilen von hoher Wichtigkeit: Denn bislang war es nicht möglich, die für Industrieventile notwendige Kraft aufzubringen, um bei einem vertretbaren Druckabfall an den Steuerkanten entsprechende Volumenstromwerte zu erzielen. Aber eben nur bisher (Bild 4).

Mit der Verwendung von Magneten aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) kann die magnetische Feldstärke im Vergleich zu den Hartferrit-Magneten bis um das Sechsfache gesteigert werden. Damit kommt eine in der industriellen Praxis längst vergessene Technik wieder zu Ehren: Parker Hannifin hat das Regelventil DF plus gewissermaßen auf einer patentierten Tauchspule – dem so genannten Voice Coil Drive (VCD) – aufgebaut. Die Tauchspule arbeitet wie ein Lautsprecherantrieb. Auf einfache Weise erreicht das Ventil eine Frequenz von 350 Hz, was weit über bisher üblichen Regelventilen liegt und manche Servoventile in den Schatten stellt.

Gegenüber Hubmagneten ist Kraft unabhängig vom Hub

Ein ebenso wichtiger Aspekt wie die Dynamik – die Sprungantwort des NG6 liegt bei 3,5 ms – und die Kraftentwicklung – rund 100 N – stellt die Bewegungscharakteristik dieser Lösung dar. Denn im Gegensatz zum bekannten Hubmagneten ist bei der Tauchspule die Kraft unabhängig vom Hub. Darüber hinaus bleibt die Kraftentwicklung in jeder Kolbenposition gleich. Ein solch konstantes Verhalten kann aus praktischen Überlegungen zwar nicht beliebig fortgesetzt werden. Das ist allerdings in dem interessanten Regelbereich von ±1,2 mm am Ventilschieber – und darüber hinaus – kein Problem.

Damit stellt sich nur noch die Frage nach der Steifigkeit eines solchen Systems. Weil die Kraftübertragung von der Tauschspule direkt auf den Ventilschieber erfolgt, gibt es hinsichtlich der Systemsteifigkeit keine negativen Einflüsse (Bild 5). Lediglich die extrem hohen Beschleunigungen des Gesamtsystems auf jedes kleinste elektrische Signal in den Spulenwicklungen müssen mit Hilfe der Regelelektronik „gebändigt“ werden. Das hat Parker Hannifin über den Weg gelöst, dass zwischen dem Spulenkörper und Ventilschieber ein induktiv arbeitendes Wegmessystem sitzt, das bis auf 0,5 µm genau misst.

Dieser Wert entspricht – bezüglich der eigentlichen Regelstrecke im Ventil von ±1,2 mm – insgesamt also 2400 µm oder einer Auflösung von 0,021%. Diese Zahl macht für Hydrauliker deutlich, dass mit dem Regelventil DF plus nicht nur eine exakte Positionssteuerung durchgeführt werden kann. Mit diesem Ventil ist außerdem eine Druckregelung möglich. Wer beispielsweise eine präzise ablösende Regelung – Druckregelung nach Erreichen einer bestimmten Sollwertposition – braucht, ist mit diesem Regelventil als günstige Alternative gut beraten. Eine präzise ablösende Regelung ist zum Beispiel in der Kunststoff- und Gießereibranche erforderlich.

Leitungsführung muss höchsten Ansprüchen genügen

Patentrechtlich geschützt ist darüber hinaus die Leitungsführung, die bei diesem Ventil höchsten Ansprüchen genügen muss. Der Grund für diese hohen Qualitätsanforderungen liegt darin, dass die Leitungen für die Tauchspule sowie für das Wegmesssystem jede Bewegung mitgehen müssen (Bild 6). Dadurch ist eine hohe Robustheit, Zuverlässigkeit und Materialbeständigkeit über die gesamte Ventillebensdauer hinweg erforderlich. Weil die gesamte Aktorik im Öl läuft, findet natürlich auch ein gewisser Dämpfungseffekt statt.

Aus dem Druckraum werden die Kabel über eine gemeinsame Platine geführt, die sich mit Hilfe von Standard-O-Ringen leicht abdichten lässt. Auch bei der Kabelführung hat Parker Hannifin darauf geachtet, dass die Lösung einfach, kostengünstig und zuverlässig bleibt. So zeigten Dauertests, dass einige Ventile über 1 Mrd. Schaltungen mit einer Frequenz von 100 Hertz ohne jegliche Störung überstanden haben. Das ist High-End und damit der Lohn für die Entwicklungsarbeit.MM

Dr. Gerd Scheffel ist Mitglied der Geschäftsleitung bei der Parker Hannifin GmbH & Co. KG, Karst. Weitere Informationen: Parker Hannifin GmbH & Co. KG, 41564 Kaarst, Tel. (0 21 31) 5 13-0, veshcd@parker.com

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