Ventile Das All-In-One-Ventil: Die Lösung für feinfühlige und schnelle Lastabsenkung

Wirtschaftlichkeit und Bedienkomfort sind heute die entscheidenden Kriterien für Gabelstapler. Ein neuartiges Prinzip wird dem gerecht: Das All-In-One-Ventil, es ist die Lösung für alle Anwendungen, wo es auf das feinfühlige und schnelle Absenken von Lasten und gleichzeitig auf das leckfreie Halten der Last ankommt.

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Eine wichtige Kernaufgabe der Hydraulik ist das Heben und Senken von Lasten. Nicht nur bei Gabelstaplern, sondern auch bei Hubarbeitsbühnen, Kranen, Aufzügen, Winden usw.. Konzentrieren wir uns auf den Gabelstapler. Bei modernen Konzepten auf kleinen und mittleren Flurförderzeugen wird die Hebegeschwindigkeit in der Regel direkt über die Pumpendrehzahl gesteuert. Hiermit wird eine weitgehende Lastunabhängigkeit erreicht. Egal ob leere oder volle Gabel - die erreichte Geschwindigkeit bleibt näherungsweise gleich.

Für das Senken der Last ist die Lastunabhängigkeit noch wichtiger als für das Heben.

Eine EG-Richtlinien (EN 1726-1) begrenzt aufgrund von Sicherheitsüberlegungen die maximal zulässige Sinkgeschwindigkeit der Gabel auf 0.6m/s. Der Hersteller des Gabelstaplers muss sicherstellen, dass diese Geschwindigkeit unter keinen Umständen (also auch nicht bei maximaler Zuladung) überschritten wird.

Auf der anderen Seite will man auch bei leerer Gabel möglichst diese Grenzgeschwindigkeit erreichen, um eine hohe Produktivität des Gerätes sicherzustellen. Eine weitere Anforderung ist eine gute Auflösung im Bereich kleiner Geschwindigkeiten. Diese ist erforderlich, um Lasten feinfühlig abzusetzen und zielgenau aufzunehmen.

Weiterhin muss eine angehobene Last wiederum aus Sicherheitsüberlegungen über mehrere Stunden in Position bleiben (die EG-Richtlinien lassen maximal 100mm in den ersten 10min zu; die internen Anforderungen der meisten Gabelstaplerhersteller sind aber deutlich höher) - dies erfordert leckölfreie Hydraulikventile. Auf den ersten Blick völlig widersprüchliche Anforderungen - die aber heute gelöst werden können.

Für das Absenken der Last gibt es heute drei verschiedene Grundkonzepte,

... welche im Bild 1 vereinfacht dargestellt sind. Da wäre zunächst Konzept a.: ein einfaches Konzept, welches heute nicht mehr weit verbreitet ist. Dabei kommen zwei fix eingestellte Mengenregelventile (auch Flow Limiter genannt) und zwei 2/2-Wege-Sitzventile zum Einsatz. Von den Mengenreglern wird einer auf einen kleinen, der andere auf einen großen Durchfluss eingestellt. Wird über die Sitzventile die Leitung zum ersten Mengenregler geöffnet, so sinkt die Last langsam ab (Positioniervorgang). Wird das zweite Sitzventil aktiviert, so sinkt die Last schnell ab. Da nur zwei feste Geschwindigkeiten aktivierbar sind, ist diese Lösung nicht sonderlich komfortabel, und auch die Produktivität ist nicht optimal.

Das Konzept b. hingegen trifft man in heutigen Systemen häufig an. Es kommt ein 2/2-Wege-Sitzventil zum Einsatz, welches ausschließlich die Aufgabe hat, die Last leckölfrei zu halten. Das eigentliche Absenken der Last erfolgt über ein per Elektromagnet proportional verstelltes Drossel- oder 2-Wege-Stromregelventil. Wenn das Drossel- oder Stromregelventil einen guten Feinsteuerbereich aufweist, eine geringe Hysterese und einen kleinen Druckabfall hat, so können die Komfort- und Produktivitätsanforderungen im Wesentlichen befriedigt werden.

Das Konzept c. ist im Grunde genommen eine Variante von Konzept b.). Hier kommt ein proportional verstellbares Sitzventil zum Einsatz, um die Last leckölfrei zu halten und das Absenken der Last mit verschiedenen Geschwindigkeiten zu ermöglichen. Auf den ersten Blick ein bestechendes Konzept. In der Praxis wirken sich aber die Eigenschaften der heute verfügbaren Proportionalsitzventile ungünstig aus.

Da wäre zum einen der ungenügende feinfühlige Öffnungspunkt dieser Ventile, welcher sich in einem ruckartigen Anfahren niederschlägt. Zum anderen weisen diese Ventile eine große Hysterese auf, welche dem Bediener am Joystick ein schwammiges und unpräzises Gefühl vermittelt. Bild 2 zeigt die Problematik anhand einer Volumenstrom-Druck-Kennlinie eines marktüblichen Proportionalsitzventils: mit steigender Last wird auch die Geschwindigkeit der Gabel immer größer.

Will man dennoch die erlaubte Geschwindigkeit von 0.6m/s für einen möglichst großen Lastbereich ausnutzen, so benötigt man einen zusätzlichen Flow Limiter, um bei großer Last die zulässige Geschwindigkeit nicht zu überschreiten. Da der Flow Limiter bei großer Last schon bei einem kleinen Ansteuersignal aktiv wird, wird der Feinsteuerbereich des Ventils noch weiter verkleinert - die genaue Positionierung bei grosser Last wird mithin recht schwierig.

Unter dem Strich bietet Konzept c.) gegenüber Konzept b.) den wirtschaftlichen Vorteil, dass ein Magnet eingespart wird - der Bedienerkomfort hingegen ist bei Konzept b.) besser.

Die Lösung: wenige Ventile, um Druckverluste, Bauraum und Kosten gering zu halten

Die Wandfluh-Ingenieure stellten sich die Frage, wie man die Vorteile der verschiedenen Konzepte miteinander vereinigen könnte. Die Ziele des Entwicklungsprojekts waren:

-möglichst wenige Ventile, um Druckverluste, Aufwand für Blockfertigung, Bauraum und Kosten gering zu halten

>möglichst nur ein Magnet, um die Kosten gering und die elektrische Ansteuerung einfach zu halten

>hohe Absenkgeschwindigkeit bei kleinen Lasten (d.h. leerer Gabel), was bedeutet geringer Druckabfall

>hoher Bedienerkomfort, d.h. gute Feinsteuerbarkeit

>Begrenzung der maximalen Senkgeschwindigkeit durch integrierte Lastkompensation

Das Ergebnis liegt heute vor. Es handelt sich um ein lastkompensiertes, sitzdichtes 2-Wege-Proportionalstromregelventil in Patronenbauform (Senkung ISO M33). Die Typenbezeichnung lautet QSPPM33 - oder einfach: das All-In-One-Ventil. Bild 1 zeigt, wie sich das Ventil in das Hydrauliksystem eines Gabelstaplers integrieren lässt. Mit nur einem einzigen Ventil wird der gesamte Absenkvorgang mit hohem Bedienkomfort gesteuert. Durch die hochintegrierte Patronenbauform ist es sogar möglich, dieses Ventil direkt in den Pumpenflansch eines Mini-Powerpacks zu integrieren (Bild 3).

Das Diagramm in Bild 2 stellt das Volumenstrom-Druck-Verhalten des Ventils dar. Wie man erkennt, wird schon bei geringer Belastung (entspricht in der Regel dem Eigengewicht der Gabel) die maximale Geschwindigkeit erreicht - bei steigender Last steigt diese Geschwindigkeit jedoch nicht weiter an, sondern wird auf das gegebene Niveau begrenzt. Aus der Abbildung geht auch eindrucksvoll der Vorteil im Vergleich zur üblichen Lösung hervor.

Bild 4 zeigt die Volumenstrom-Signal-Kennlinie des Ventils. Das Signal entspricht dabei der Aussteuerung des Joysticks, der Volumenstrom entspricht der Sinkgeschwindigkeit der Gabel. Gepaart mit der typischerweise sehr kleinen Signalhysterese des Ventils (<8%) ergibt sich ein sehr feinfühliges Ansprechverhalten und ein fast linearer Zusammenhang zwischen Aussteuerung des Joysticks und Sinkgeschwindigkeit der Gabel. Bedingt durch die Sitzkonstruktion ist das Ventil praktisch leckagefrei. Die Anforderungen der EN 1726-1 können bei weitem übertroffen werden.

Wie sieht nun das Design aus, mit dem diese Eigenschaften erreicht werden?

Das All-In-One-Ventil QSPPM33 (Bild 5) ist für einen Nennvolumenstrom von 80l/min ausgelegt. Die elektrische Ansteuerung erfolgt über eine marktübliche Proportionalelektronik mit PWM-Stromregelung. Die Stromregelung stellt dabei sicher, dass Ventil unabhängig von der Temperatur immer gleich funktioniert.

Ebenfalls kann über die Einstellung des maximalen Magnetstroms der maximale Volumenstrom in einem weiten Bereich von etwa 25l/min bis knapp 100l/min eingestellt werden. Wandfluh hat über 30 Jahre Erfahrung mit der Produktion von Ventilelektronik und bietet eine breite Palette von analogen und digitalen Ansteuerelektroniken an.

Die Innenteile dieses Ventils bilden ein komplexes, genau aufeinander abgestimmtes System. Hervorragende Fertigungstechnik und absolute Prozessbeherrschung sind die entscheidenden Vorraussetzung für ein solches Ventil.

Unter dem Strich ist das Ventil für den Anwender jedoch so simpel wie jedes andere Cartridgeventil: einschrauben und vergessen! Darüber hinaus jedoch wird das gesamte System massiv vereinfacht, der Steuerblock wird kompakter und fertigungsfreundlicher, die hydraulischen Verluste sinken, und dennoch werden alle Anforderungen erfüllt: wirtschaftlich, kompakt, produktiv, bedienerfreundlich. (hö)

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