Bauarten
Kräfte am Längsschieber
Betätigung
Sperrventile
Wegeventile
Druckventile
Stromventile
Längsschieberventil
Drehschieber
Sitzventil
Ein Längsschieberventil ist die grundlegende Komponente im widerstandsgesteuerten System. Es besteht aus dem Gehäuse und dem Steuerschieber
Ein Steuerschieber regelt durch Schieberposition und Steuerkante den Druck bzw. den Volumenstrom.
Der Durchfluss ist Q=αDA√2Δpρ mit αD≈0,6 als Durchflussbeiwert für Ventilströmung und A=Dπx
Die Überdeckung \( y_0 \) gibt an um wieviel die Steuerkante in Mittelstellung des Schiebers über das Gehäuse hinausragt
Die Steuerkante kann verschiedene Geometrien aufweisen. Es können statt Stuerkante auch Steuerkerben oder auch Steuerfenster zum EInsatz kommen.
Kegelsitz
Kugelsitz
Tellersitz
Auf den Steuerschieber wirken verschiebene Kräfte:
Zur Gehäusewand hin wirken die Reibkräfte \( F_{Reib,fest} \) und \( F_{Reib, Fl} \).
Extern wirken \( F_{Aktor} \) und die resultierende \( F_{Strömung} \).
Auf die Stirnflächen den Schiebers wirken \( F_{p1} \) und \( F_{p2} \).
Durch hohe Strömungsgeschw. an der Steuerkante entsteht ein lokal hoher dynamischer aber lokal niedriger statischer Druck. Nach Bernoulli gilt \( p_{statisch}+\underbrace{\rho\frac{v^2}{2}}_{p_{dyn}}=p_{total}=const. \)
Mit dem Impulssatz erhält man \( \vec F_{ext} = \frac{\partial}{\partial t} \int_{KV} \vec v \rho\, dV + \int_{KF} \vec v \rho (\vec v \vec n)\, dA \), wobei die Geschwindigkeiten um den Einström- bzw. Ausströmwinkel \( \varepsilon \) gedreht sind.
Betrachtet man nur die axiale Richtung erhält man \( F_{Str}=\rho\frac{\partial}{\partial t} ((\vec v)_x V_{KV}) + (\vec v_1)_x \rho (\vec v_1 \vec n_1)A_1 + (\vec v_2)_x \rho (\vec v_2 \vec n_2) A_2 \)
\( =-\rho l \frac{\partial Q}{\partial t}+(-v_{1,x})\rho (-v_{1,r}) A_1 + (-v_{2,x}) \rho (v_{2,r}) A_2 \).
Ersetzt man noch die Geschwindigkeit durch den Volumenstrom erhält man für den stationären Fall \( F_{str,stat}=\frac{\cos\varepsilon_1}{\sin\varepsilon_1 A_1} \rho Q^2 - \frac{\cos\varepsilon_2}{\sin\varepsilon_2 A_2} \rho Q^2 \)
Konstruktionsrichtlinie:
\( \varepsilon \uparrow \rightarrow F_{Str} \downarrow \)
\( A \uparrow_{Q=konst.}\rightarrow F_{str} \downarrow \)
Der Volumenstrom wächst linear mit der Schieberposition während der Druck exponentiell abfällt.
Außerdem nimmt die Strömungskraft bei konstantem Druck linear mit der Schieberposition zu bzw. nimmt bei konstantem Volumenstrom exponentiell ab.
Die Strömungskraft kann durch eine angepasste Geometrie reduziert werden.
Die Strömungskraft in einem Konstant-Druck-System beträgt für kleine Schieberöffnungen \( F_{str_{EK}} = \rho v Q \cos \varepsilon \)
mit \( v=\frac QA =\alpha_D \sqrt{\frac{2\Delta p}{\rho}} \) und \( A =\pi x d \),
also \( F_{Str}=2\alpha_D^2 \pi x d \Delta p \cos \varepsilon \)
\( \Rightarrow F_{Str} \propto x \)
Die Strömungskraft in einem Konstant-Volumenstrom-System beträgt für große Schieberöffnungen \( F_{Str_{EK}}=\rho \frac{Q^2}{A}\cos\varepsilon = \rho Q^2 \frac{\cos \varepsilon}{\pi x d} \)
\( \Rightarrow F_{Str} \propto \frac 1x \)
Entlastung
Radial durch Symmetrische Bohrungen oder Umfangskerben.
Axial durch 3- oder 5-Kammer-Ventile.
Mechanische Betätigung
Elektrische Betätigung
Fluidische Betätigung
Arten
Allgemein, Taster, Hebel, Feder, Pedal, Tastrolle
Arten
Elektromagnet, Elektromotor, Piezo
Arten
Direkte Druckbeaufschlagung,
indirekte Druckbeaufschlagung durch Vorsteuerventil
Elektromechanische Wandler
Schaltmagnet,
Proportialnalmagnet,
Tauchspule,
Linearmotor,
Torquemotor,
piezoelektrischer Wandler
Mechanisch-Hydraulische Wandler
Steuerschieber,
Düsen-Prallplatte,
Strahlrohr
Sperrventile zum Einschrauben
Bauarten als Kugel- oder Tellersitz
Entsperrbares Rückschlagventil mit Leckölanschluss
Entsperrbares Zwillingsrückschlagventil oder Sperrblock
Liegt Druck auf der einen Seite an wird die andere für den Rücklauf entsperrt
Wegeventile werden bezeichnet nach der Anzahl ihrer Anschlüsse und Stellungen.
Bspw. Hat ein 4/3-Wegeventil 4 Anschlüsse (A, B, P, T) und 3 Stellungen.
Der Druckverlust eines Kolbenschieberventils nimmt exponentiell mit der Durchflussmenge zu.
2-Wege-Einbauventile gibt es in der Sitz- und der Schieberbauart jeweils als Schließer und Öffner (durch Ansteuerung).
Sie können über eine Eigen- oder Fremdversorgung gesteuert werden.
Einbauventile, auch Cartridge-Bauweise, bestehen aus einem Einbauventil, das mit der Abdeckplatte in einen Ventilblock mit einer genormten Bohrung eingesetzt wird. Es entfallen Verbindungsschläuche / Rohrleitungen und ein eigenes Gehäuse
Eine Unterart der 2-Wege-Einbauventile sind Druckbegrenzungsventile und 3/2-Wegeventile.
Das DBV lässt bei überschreiten eines Drucks den Durchfluss zum Tank zu.
Das 3/2-Wegeventil verbindet A und B und schließt bei Überdruck oder Ansteuerung A und verbindet B mit T.
Steuerungen können auch mit 2-Wege-Einbauventilen in der Hauptstufe realisiert werden, um z.B. einen Kolben zu steuern.
Hierbei werden äußere Steuersignale, also Sollwerte, in die Vorsteuerstufe eingespeist, zusammen mit rückgeführten hydraulischen und mechanischen Größen, die direkt am Kolben gemesssen wurden.
Ein Servoventil hat eine wesentlichen höhere Durchflussmenge als ein Proportionalventil. Es gilt \( \frac{A_{Prop}}{A_{Servo}}= \sqrt{\frac{70}{10}} \)
Es gibt Druckbegrenzungsventile und Druckminderventile.
Druckbegrenzungsventile haben die Steuerleitung vorgeschaltet und öffnen das Ventil, so dass mehr Fluid zum Tank entweichen kann damit ein konstanter Druck am Eingang vorliegt.
Bei Druckminderventilen ist die Steuerleitung nachgeschaltet und schließt das Ventil, so dass der Druck am Ausgang konstant gehalten wird.
Durch die sich stauchende Feder bei Druckbegrenzungsfedern nimmt für höhere Volumenstrom der Druck leicht zu.
Durch eine Strömungsumlenkung kann dies gemindert werden.
Die Druckverteilung bei einem Ventilkegel nimmt für hohe Volumenströme an den Rändern bis auf nahe Null ab, steigt dafür aber im planen Teil des Ventils über das Niveau des anliegenden Drucks.
Direktgesteuertes DBV mit Leitung
Linearisierte Durchflussfunktion \( Q_V=f(p,x)\approx B_p p+B_x x \)
Systemgleichungen
\( p=\frac{E_{Fl}'}{V_0} \int [ Q_p-Q_L-B_p p-B_x x]\,dt \)
\( x=\int\left[\frac GA p-\frac{G}{A^2}F_0\right] dt \)
\( \omega_0=\sqrt{\frac{B \sqrt{p_r} G E_{Fl}'}{V_0 A}} \)
\( D=\frac 14 \sqrt{\frac{B\sqrt{x_R}AE_{Fl}'}{\sqrt{p_B}^3V_0 G}} \)
mit G als Leitwert des laminaren Spaltwiderstandes am Dämpferkolben
Die Öffnung x des DBV hängt dem Druck zeitlich hinterher, daher können Schwingungen auftreten. Diese können durch einen Dämpferkolben reduziert werden.
2-Wege-Stromregelventile gibt es mit vor- und mit nachgeschalteter Druckwaage
Die vorgeschaltete Druckwaage besteht besteht aus einer verstellbaren Blende - dem Stellglied - und der Übersetzung zum Druckfühler.
Der Druckfühler ist ein mit einer Feder vorgespannter Kolben, dessen zwei Zuleitungen zu Vor- und Rückseite einer einstellbaren Messblende als Sollwertvorgabe verbunden sind.
Der Druckfühler lenkt bei steigendem Druckunterschied an der Messblende und damit höherem Volumenstrom das Stellglied der Druckwaage in geschlossene Position.
Ein Stromventil hält ab einem gewissen Mindestdruck bis zu einem Maximaldruck den Volumenstrom recht konstant.
Um Anregungen der Druckwaage zu vermeiden sollte die Messblende immer auf der Seite der Druckwaage sein bei der der stärker schwankende Druck zu erwarten ist.
Ein 3-Wege-Stromregler lässt in Grundstellung allen Volumenstrom zu. Wird der Differenzdruck über die nachgeschaltete, einstellbare Messblende zu groß wird ein Schieber geöffnet, der den überflüssigen Volumenstrom zum Tank leitet.
Ein Stromteilerventil teilt die Zuleitung auf zwei Seiten eines Steuerschiebers auf.
Rotatorische Bewegung des Schiebers
Allgemeines
Ventile regeln je nach Bauart den sie durchfließenden Volumenstrom, Druck oder die Richtung.
Ventile werden als Blenden (im Idealfall scharfkantig) betrachtet
Ventile können klassifiziert werden nach:
Art, Verstellung, Betätigung, Anzahl der Stufen, Anschlüsse und Schaltpositionen, Bauart, (Rückstellung in Nullstelung, Art der Nullstellung)
Ventile können auf zwei Weisen verstellt werden:
Schaltventile haben ein diskretes Verhalten (offen/geschl.)
Proportionalventile bieten ein kontinuierlichen Übergang
Mit einer Vorsteuerstufe kann die nötige Verstellkraft reduziert werden. Sie leitet ein Steuervolumen / -druck zur Verstellung der Hauptstufe. Da der benötigte Volumenstrom zur Verstellung der Hauptstufe nur gering ist müssen auch nur geringe Kräfte des Vorsteuerventils aufgebracht werden.
Durch die hohen Hauptsteuerkräfte und die geringe bewegte Masse des Schiebers ergibt sich eine gute Dynamik.
Bewegung des Schiebers relativ zum Gehäuse erzeugt eine Steuergeometrie
Unterbrechung des Volumenstroms durch einen Absperrkörper
Als Lastdruck \( p_L \) fasst man die Differenz der Drücke aller Arbeitsanschlüsse auf. (DIN 24311)
Last = Eingang - Ausgang