Kapitel 9: Stromregelventile

Die Drosselstelle

Eine Drosselstelle ist eine relativ kleine Öffnung in einem Fluidstrompfad. Der Durchfluss durch eine Drosselstelle wird von mehreren Faktoren beeinflusst; die drei wichtigsten sind:

1. Öffnunggröße
2. Druckdifferenz über die Drosselstelle
3. Flüssigkeitstemperatur

Auswirkung der Drosselstellen-Größe auf den Durchfluss

Die Größe der Drosselstelle steuert den Durchfluss durch sie hindurch. Ein alltägliches Beispiel hierfür ist die Düse eines Gartenschlauchs: Ist die Öffnung der Düse klein, tritt das Wasser als feiner Nebel oder Sprühstrahl aus. Ist die Öffnung größer, entsteht ein Strahl. In beiden Fällen begrenzt die Düse des Gartenschlauchs – also die Drosselstelle – die Richtung des Wasserstroms; der Durchfluss durch die Drosselstelle wird durch die Größe der Öffnung bestimmt.

Abbildung 9-1: Durchflussregelventil in einer Schaltung. Das Ventil drosselt den Durchfluss zum Zylinder. Der überschüssige Pumpendurchfluss wird über das Sicherheitsventil abgeleitet. Der eingeschränkte Durchfluss wandelt sich an der Drosselstelle in potenzielle Energie (Geschwindigkeit) um.

Festdrossel

Eine feste Drosselstelle weist eine Öffnungsgröße auf, die nicht eingestellt werden kann. Die gebräuchlichsten Beispiele in der Hydrauliktechnik sind das Bohrloch in einem Rohrstopfen oder Rückschlagventil bzw. das werkseitig voreingestellte Durchflussregelventil.

Variable Drosselstelle

Meistens wird anstelle einer festen Drosselstelle eine variable benötigt, da sie flexibler einsetzbar ist. Absperrklappen, Kugelhähne und Nadelventile sind allesamt Beispiele für variable Drosselstellen.

Absperrschieber

Ein Absperrklappenventil weist einen geradlinigen Strömungsdurchgang auf. Die Größe der Drosselstelle wird durch Drehen des Handgriffs verändert, um die Klappenscheibe im Strömungsweg zu öffnen oder zu schließen. Obwohl Absperrklappenventile nicht für die Durchflussregelung konzipiert sind, können sie in einigen groben Durchflussmesssystemen als Strömungsbegrenzungseinrichtungen eingesetzt werden.

BALLENVALV

Die Strömungsdurchgänge eines Kugelhahns verlaufen nicht gerade, sondern bilden eine 90°-Wendung. Die Drosselstelle besteht aus dem Sitz sowie dem kegelförmigen oder kugelförmigen Verschlusskörper im drehbaren Durchgang. Die Öffnungsgröße der Drosselstelle wird durch Verändern der Position des kugelförmigen Verschlusskörpers eingestellt.

Nadelventil

Der Durchfluss durch Nadelventile macht ebenfalls eine 90°-Wendung und tritt dann durch eine Drosselöffnung. Diese Drosselöffnung besteht aus dem Spalt zwischen dem konisch zulaufenden Ventilstab und dem Ventilsitz. Die Größe der Drosselöffnung wird durch Verstellen der Position der kegelförmigen Spitze relativ zum Ventilsitz verändert. Da die Justierschraubgewinde am Ventilstab feinsteigend sind und die Spitze konisch ausgeführt ist, ändert sich die Größe dieser Drosselöffnung schrittweise. In hydraulischen Systemen ist das Nadelventil das am häufigsten verwendete stufenlos verstellbare Drosselorgan.

Abbildung 9-2: Arten stufenlos verstellbarer Drosselöffnungen. Das Nadelventil (unten) ist in der Hydraulik am gebräuchlichsten – seine konische Spitze und die feinsteigenden Gewinde ermöglichen eine sehr präzise, schrittweise Durchflussregelung.

Anwendung eines Nadelventils in einer Schaltung

Die Beispiel-Schaltung enthält eine Hubpumpe mit einem Förderstrom von 5 gpm (18,95 L/min), ein Sicherheitsventil, ein Wegeventil, eine stufenlos verstellbare Drosselöffnung (Nadelventil) sowie einen Hydraulikzylinder mit einer Kolbenfläche von 3 in² (19,35 cm²). Ist das Sicherheitsventil auf 500 psi (34,48 bar) eingestellt und liefert die Pumpe 5 gpm:

Bei einer Drosselung des Durchflusses durch das Nadelventil auf nur 2 gpm (7,58 l/min) beträgt die Stangengeschwindigkeit = 2 × 19,25 / 3 = 13 ft/min (3,96 m/min). Das Sicherheitsventil begrenzt den Systemdruck auf 500 psi (34,48 bar), indem es den verbleibenden Durchfluss von 3 gpm (11,37 l/min) in den Tank ableitet.

Öffnen der Nadelventil-Öffnung

Das Herausdrehen des Nadelventils vergrößert die Öffnung – mehr Durchfluss gelangt zum Zylinder, bis die Druckbegrenzung des Sicherheitsventils erreicht ist. Die Stangengeschwindigkeit steigt.

Schließen der Nadelventil-Öffnung

Das Hereindrehen des Nadelventils verkleinert die Öffnung. Weniger Durchfluss gelangt in den Zylinder, wodurch die Stangengeschwindigkeit sinkt.

Einfluss der Druckdifferenz auf den Durchfluss

Der Durchfluss durch eine Drosselöffnung wird durch die Druckdifferenz beeinflusst. Da Druck in einem hydraulischen System potentielle Energie darstellt, führt eine größere Druckdifferenz über einer Drosselöffnung zu einem höheren Durchfluss.

Alltagsbeispiel – Luftmatratze

Nach einem Tag am Strand oder am Campingplatz ziehen Sie den Stopfen aus einer aufgeblasenen Luftmatratze und lassen die Luft frei entweichen. Da die Druckdifferenz zwischen Innen- und Außendruck gering ist, entleert sich die Matratze langsam. Drücken Sie die Matratze kräftig zusammen – der Innendruck steigt relativ zum atmosphärischen Druck, die Druckdifferenz vergrößert sich, und die Luft strömt schneller ab.

Drücken Sie vorsichtig eine Tube Zahnpasta zusammen – es kommt eine kleine Menge heraus. Drücken Sie kräftig zu – mehr Zahnpasta wird herausgedrückt und landet möglicherweise auf dem Boden. Wird die Zahnpastatube zertreten, so ist die Druckdifferenz vom Innendruck zum atmosphärischen Druck größer als beim manuellen Zusammendrücken, wodurch mehr Zahnpasta schneller austritt.

Einfluss der Druckdifferenz auf den Durchfluss durch ein Nadelventil in einem Kreislauf

In der dargestellten Schaltung begrenzt das Nadelventil den Pumpenstrom von 5 gpm (18,95 L/min) auf 3 gpm (11,37 L/min). Einstellung des Sicherheitsventils: 500 psi (34,48 bar). Lastwiderstand: 200 psi (14 bar). Der Eintrittsdruck am Nadelventil entspricht der Einstellung des Sicherheitsventils: 500 psi (34,48 bar). Davon überwindet 200 psi (14 bar) den Lastwiderstand; die verbleibende Druckdifferenz von 300 psi (21 bar) treibt 3 gpm (11,3 L/min) durch das Nadelventil und erzeugt eine Kolbenstangengeschwindigkeit von 19,25 ft/min (5,87 m/min). Die restlichen 2 gpm (7,58 L/min) fließen über das Sicherheitsventil zum Tank.

Erhöhung der Einstellung des Sicherheitsventils

Bei unverändertem Lastdruck und unveränderter Einstellung des Nadelventils wird die Einstellung des Sicherheitsventils auf 600 psi (41,38 bar) erhöht: Der Eintrittsdruck am Nadelventil beträgt nun 600 psi (41,38 bar). Davon überwindet 200 psi (14 bar) die Last; die nun vorliegende Druckdifferenz von 400 psi (28 bar) treibt 4 gpm (15 L/min) durch das Nadelventil. Die Kolbenstangengeschwindigkeit steigt auf 26 ft/min (7,92 m/min).

Der Lastdruck steigt

Stellen Sie das Entlastungsventil mit unverändertem Nadelventil wieder auf 500 psi (34,48 bar) zurück. Bei steigender Last erhöht sich der Lastdruck auf 400 psi (28 bar). Der Eingangsdruck am Nadelventil beträgt weiterhin 500 psi (34,48 bar), jedoch treibt nun nur noch eine Druckdifferenz von 100 psi (6,9 bar) den Durchfluss durch das Nadelventil – lediglich 1 gpm (3,79 lpm). Die Kolbenstangengeschwindigkeit sinkt auf 6 ft/min (30 mm/s). Der verbleibende Durchfluss von 4 gpm (15 lpm) strömt über das Entlastungsventil.

Dies zeigt, dass der Durchfluss durch ein Nadelventil bei jeder Druckänderung auf der einen oder anderen Seite der Drosselstelle variiert. Um den Durchfluss durch ein Nadelventil präzise zu dosieren, müssen diese Druckänderungen ausgeglichen oder kompensiert werden.

Geschwindigkeitsregelventil (druckkompensiertes Durchflussregelventil)

Wie aus den obigen Beispielen hervorgeht, beeinflusst jede Druckänderung auf der einen oder anderen Seite der Drosselstelle den Durchfluss durch das Nadelventil und verändert dadurch die Geschwindigkeit des Stellzylinders. Um den Durchfluss durch eine Drosselstelle unabhängig von Druckschwankungen präzise zu dosieren, müssen diese Druckschwankungen ausgeglichen werden. Ein Nadelventil ist ein nicht kompensiertes Durchflussregelventil – es eignet sich gut zur Durchflussmessung, solange die Druckdifferenz konstant bleibt und die Nadel gut zentriert ist. Für eine genauere Durchflussregelung sollte ein druckkompensiertes Durchflussregelventil (Geschwindigkeitsregelventil) verwendet werden. Dabei handelt es sich um einen Durchflussregler, der Druckänderungen stromaufwärts und stromabwärts der Drosselstelle ausgleicht.

Geschwindigkeitsregelventile (druckkompensierte Durchflussregelventile) lassen sich in Einspeise- und Bypass-Typen unterteilen.

Aufbau eines Einspeise-Geschwindigkeitsregelventils

Das druckkompensierte Einspeise-Durchflussregelventil besteht aus einem Ventilkörper mit Einlass- und Auslassanschlüssen, einem Nadelventil, einem Kompensationsspülkolben und einer Vorspannfeder.

Funktionsweise des Einspeise-Typs

Um das Funktionsprinzip des Zulauf-Typs zu verstehen, analysieren wir seinen Betrieb schrittweise. Wenn die Kompensationspistole vollständig zur Seite A verschoben ist, gelangt das gesamte einströmende Drucköl zur Drosselbohrung des Nadelventils. Sobald die Kompensationspistole sich geringfügig in Richtung Seite B bewegt, wird das einströmende Drucköl gedrosselt. Um die Strömungsöffnung offen zu halten, ist die Kompensationspistole durch eine Feder in Richtung Seite A vorgespannt. Der Eingangsdruck am Nadelventil wird über einen internen Steuerkanal an das A-Ende der Kompensationspistole geleitet – steigt der Druck über die Federkraft hinaus, verschiebt sich die Pistole in Richtung Seite B.

Wenn die Düsennadelöffnung so eingestellt wird, dass weniger als der volle Pumpendurchsatz durch sie hindurchtritt, steigt der Eingangsdruck an der Düsennadel auf den Druckwert des Sicherheitsventils. Sobald der Eingangsdruck an der Düsennadel den Federkraftwert des Kompensationskolbens übersteigt, verschiebt sich der Kompensationskolben in Richtung B und drosselt den zuströmenden Durchsatz. Wenn der Durchsatz durch die Öffnung des Kompensationskolbens dem Pumpenausgangsdurchsatz entspricht, stabilisiert sich der Eingangsdruck an der Düsennadel auf dem Federdruckwert. Zum Beispiel bei einem Federdruckwert von 100 psi (6,89 bar) und einer Sicherheitsventileinstellung von 500 psi (34,48 bar): Der Eingangsdruck beträgt 500 psi (34,48 bar); während Öl durch die Öffnung des Kompensationskolbens strömt, wandeln sich 400 psi (28 bar) in Wärme um, wodurch der Eingangsdruck an der Düsennadel auf 100 psi (6,89 bar) absinkt. Das bedeutet, dass unabhängig vom Eingangsdruck des Durchflussregelventils der Eingangsdruck an der Düsennadel durch die Wirkung des Kompensationskolbens konstant bei 100 psi (6,89 bar) gehalten wird.

Abbildung 9-5: Geschwindigkeitsregelventil mit Zulaufsteuerung (druckkompensiert). Der Kompensationskolben hält den Druckabfall über das Nadelventil konstant, unabhängig von Änderungen des Eintritts- oder Austrittsdrucks – und gewährleistet so einen präzisen, konstanten Durchfluss.

Bei der früheren Schaltung mit Nadelventil ist die Druckdifferenz über die Nadelventilöffnung nur die halbe Geschichte – der Druck stromabwärts des Nadelventils muss ebenfalls kompensiert werden. Mit anderen Worten muss eine konstante Druckdifferenz aufrechterhalten werden. Um dies zu erreichen, wird der stromabwärts liegende Druck des Nadelventils ebenfalls über einen Steuerkanal in die Federkammer des Kompensationskolbens geleitet. Auf die Seite A des Kompensationskolbens wirken nun zwei Kräfte ein: die Federkraft und der stromabwärts liegende Öldruck.

Wenn die Federkraft = 100 psi (6,89 bar) beträgt, ist die Druckdifferenz an dem Nadelventil auf einen Wert begrenzt, der um 100 psi (6,89 bar) höher als der Druck stromabwärts liegt. Solange das Sicherheitsventil ausreichend hoch eingestellt ist, entspricht die Druckdifferenz am Nadelventilöffnung stets dem Federdruckwert. Dadurch bleibt die Druckdifferenz, die den Durchfluss durch das Nadelventil antreibt, konstant – sie wird weder durch Druckschwankungen stromaufwärts noch stromabwärts beeinflusst.

Drosselventil für Geschwindigkeitsregelung im Zulauf in einer Schaltung

Im Kreislauf ist das Einlass-Drosselventil für die Geschwindigkeitsregelung auf 3 gpm (11,37 L/min) eingestellt. Das Sicherheitsventil ist auf 500 psi (34,48 bar) eingestellt, der Lastdruck beträgt 200 psi (13,79 bar). Die Feder des Kompensationskolbens hat eine Vorspannung von 100 psi (6,89 bar). Die Pumpe versucht, den gesamten Förderstrom von 5 gpm (18,95 L/min) durch das Nadelventil zu fördern, wodurch der Einlassdruck am Nadelventil ansteigt. Bei 300 psi (21 bar) verschiebt sich der Kompensationskolben und drosselt den Durchfluss, wodurch der Einlassdruck am Strömungsregler auf den Einstellwert des Sicherheitsventils von 500 psi (34,48 bar) ansteigt. Von diesen 500 psi (34,48 bar) werden 200 psi (13,79 bar) zur Überwindung der Last benötigt; 100 psi (6,89 bar) treiben den Durchfluss durch das Nadelventil; die verbleibenden 200 psi (13,79 bar) der insgesamt 500 psi wandeln sich in Wärme um, während der Durchfluss durch die Drosselbohrung des Kompensationskolbens strömt. Der Durchfluss beträgt hier 3 gpm (11,37 L/min) und die Kolbenstangengeschwindigkeit = 19 ft/min (97,83 mm/s).

Erhöhung des Lastdrucks und des Einstellwerts des Sicherheitsventils

Wenn der Lastdruck auf 400 psi (27,58 bar) ansteigt oder die Druckbegrenzung auf 600 psi (41,38 bar) zurückgesetzt wird, verbleibt dennoch ein Antriebsstrom von 100 psi (6,89 bar) durch das Nadelventil. Solange die Druckbegrenzung hoch genug eingestellt ist, um den Kompensationskolben zu bewegen, bleibt der Ausgangsstrom zum Zylinder konstant bei 3 gpm (11,37 L/min).

Drosselventil mit Umgehungsart (Bypass-Typ)

Das Drosselventil mit Umgehungsart besteht aus einem Ventilgehäuse mit Einlass-, Auslass- und Rücklaufanschlüssen, einem Nadelventil, einem Kompensationskolben und einer Vorspannfeder.

Funktionsweise des Umgehungs-Typs (Bypass-Typs)

Der Kompensationskolben dieses Ventils öffnet und schließt einen Umgehungsstutzen zum Tankrücklauf. Der Kompensationskolben ist federbelastet und in geschlossener Stellung (untere Position) gehalten. Hat die Feder eine Kraft von 100 psi (6,89 bar), so ist der Einlassdruck am Nadelventil auf 100 psi (6,89 bar) begrenzt. Im Anfangszustand wird der gesamte Strom durch das Ventil vollständig zum Öltank geleitet. Im Normalbetrieb befindet sich der Kompensationskolben federbelastet in der geschlossenen Position.

Der Eingangsdruck des Nadelventils wird über einen internen Steuerkanal an der Oberseite des Kompensationskolbens erfasst. Wenn der Druck die Feder-Vorspannkraft überschreitet, wirkt der Kompensationskolben wie ein Sicherheitsventil – er öffnet den Bypass-Kanal und begrenzt den Eingangsdruck des Nadelventils auf 100 psi (6,89 bar). Der feste Eingangsdruck des Nadelventils gewährleistet keinen konstanten Durchfluss – ändert sich der Druck stromabwärts, so ändert sich auch die Druckdifferenz am Nadel-Drosselquerschnitt und damit der Durchfluss.

Um dies auszugleichen, wird der stromabwärtige Druck des Nadelventils über einen Steuerkanal in die Feder-Vorspannkammer des Kompensationskolbens geleitet. Nun wirken auf die A-Seite des Kompensationskolbens zwei Vorspannkräfte: die Federkraft und der stromabwärtige Öldruck. Ist die Federkraft auf 100 psi (6,89 bar) eingestellt, wird der Eingangsdruck des Nadelventils auf 100 psi (6,89 bar) über dem stromabwärtigen Druck begrenzt. Solange das Sicherheitsventil ausreichend hoch eingestellt ist, entspricht die Druckdifferenz am Nadel-Drosselquerschnitt konstant 100 psi (6,89 bar).

Drosselventil mit Bypass-Funktion in einer Schaltung

Drosselventil mit Bypass-Funktion, eingestellt auf 3 gpm (11,37 L/min). Begrenzungsdruck: 500 psi (34,48 bar), Lastdruck: 200 psi (13,79 bar), Federdruck: 100 psi (6,89 bar). Die Pumpe versucht, den gesamten Förderstrom von 5 gpm (18,95 L/min) durch das Nadelventil zu fördern. Der Kompensationskolben öffnet den Bypass-Kanal und begrenzt so den Eingangsdruck am Nadelventil auf 300 psi (20,68 bar). Von diesen 300 psi überwindet 200 psi (13,79 bar) die Last, während 100 psi (6,89 bar) einen Durchfluss von 3 gpm (11,37 L/min) durch das Nadelventil erzeugen. Der verbleibende Strom von 2 gpm (7,58 L/min) wird über die Öffnung des Kompensationskolbens direkt in den Tank abgeleitet.

Abbildung 9-8: Geschwindigkeitsregelkreis mit Bypass-Funktion. Der Kompensationskolben leitet den überschüssigen Pumpenstrom direkt in den Tank ab, statt ihn über das Sicherheitsventil zu führen. Dies ist energieeffizienter als die Variante mit Drosselung im Zulauf, da der überschüssige Strom nicht unter dem vollen Systemdruck durch das gesamte System fließt.

Erhöhung des Lastdrucks und des Einstellwerts des Sicherheitsventils

Wenn der Lastdruck auf 400 psi (27,58 bar) ansteigt oder die Druckbegrenzung auf 600 psi (41,38 bar) zurückgesetzt wird, wirkt weiterhin ein Druck von 100 psi (6,89 bar), der den Durchfluss durch das Nadelventil treibt. Solange die Druckbegrenzung hoch genug eingestellt ist, um den Kompensationskolben zu öffnen, beträgt der Ausgangsstrom zum Zylinder konstant 3 gpm (11,37 L/min).

Temperaturauswirkung auf den Strömungsquerschnitt

Wie am Anfang dieses Kapitels erwähnt, sind die drei Hauptfaktoren, die den Durchfluss durch eine Drosselstelle beeinflussen, die Größe der Drosselstelle, die Druckdifferenz und die Öltemperatur. Wenn sich die Öltemperatur ändert, ändert sich auch dessen Viskosität – und wenn sich die Ölviskosität ändert, ändert sich ebenfalls der Durchfluss durch die Drosselstelle. Bei festen Drosselstellen oder Nadelventilen sind temperaturbedingte Durchflussänderungen in der Regel nicht signifikant, da die Größe der Drosselstelle und die Druckdifferenz im Allgemeinen groß im Vergleich zu den Auswirkungen der Viskosität sind. Für Anwendungen, bei denen eine sehr präzise Durchflussregelung erforderlich ist, müssen jedoch Temperaturauswirkungen berücksichtigt werden. Sowohl Einlauf- als auch Bypass-Drehzahlregelventile sind im Allgemeinen für typische industrielle hydraulische Anwendungen ausreichend.

Für Anwendungen, bei denen unabhängig von Temperaturschwankungen ein extrem präziser Durchfluss benötigt wird, kann ein temperaturkompensiertes Durchflussregelventil eingesetzt werden. Dieser Ventiltyp kompensiert ebenfalls Temperaturauswirkungen.

Wichtige Formeln – Kapitel 9