Alle Funktionen im Ventil integriert

Ventile - Wirtschaftlichkeit und Bedienkomfort sind heute die entscheidenden Kriterien für Gabelstapler. Ein neuartiges Fluid-Prinzip wird diesem Anspruch gerecht: das All-In-One-Ventil.

10. Mai 2007

Eine wichtige Aufgabe 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.

Die spezielle Art des Senkens

Für das Senken der Last ist die Lastunabhängigkeit noch wichtiger als für das Heben. Eine EG-Richtlinie (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 überschritten wird. Auf der anderen Seite will man auch bei leerer Gabel möglichst diese Grenzgeschwindigkeit erreichen, um eine hohe Produktivität des Gerätes sicherzustellen. Außerdem soll der Stapler Lasten feinfühlig absetzen und zielgenau aufnehmen können. Weiterhin muss eine angehobene Last wiederum aus Sicherheitsüberlegungen über mehrere Stunden in Position bleiben. Dies erfordert leckölfreie Hydraulikventile. Auf den ersten Blick widersprüchliche Anforderungen - die aber heute gelöst werden können.

Für das Absenken der Last gibt es drei verschiedene Grundkonzepte (Bild 1). Beim Konzept a.) 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, sinkt die Last langsam ab (Positioniervorgang). Wird das zweite Sitzventil aktiviert, 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. Vor allem die kleine Geschwindigkeit zur Feinpositionierung ist immer ein Kompromiss - oft wäre eine höhere Geschwindigkeit wünschenswert, was aber zu Problemen führen würde, wenn einmal eine genaue Positionierung erforderlich ist. Auch ein sanftes Abbremsen der Last aus hoher Geschwindigkeit ist mit diesem Konzept nicht möglich. Eine Variante dieses Konzepts, die Mehrkomfort bietet und eine preisgünstige Alternative zu den weiter unten beschriebenen proportionalen Konzepten sein kann, ist die Verwendung weichschaltender Sitzventile.

Konzept b.) hingegen trifft man in heutigen Systemen häufig an. Es kommt ein 2/2- Wege-Sitzventil zum Einsatz, welches 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, können die Komfort- und Produktivitätsanforderungen im Wesentlichen befriedigt werden. Wird ein Drosselventil eingesetzt, ist in der Regel als zusätzliches Ventil ein fest eingestellter Flow Limiter erforderlich, weil Drosselventile bei hohen Lastdrücken meist den Volumenstrom nicht hinreichend beschränken. Beim Einsatz eines Stromregelventils ist oft die Geschwindigkeit bei leerer Gabel zu gering, da das Ventil im unteren Druckbereich eine Drosselfunktion aufweist. Die Regelung bzw. Geschwindigkeitsbegrenzung setzt erst bei höheren Drücken ein. Generell ist es heikel, dass zwei oder gar drei Ventile hintereinander geschaltet werden müssen. Jedes Ventil hat einen bestimmten Druckabfall, und diese Druckverluste addieren sich.

Komfort versus Kosten

Konzept c.) ist eine Variante von Konzept b.). Ein proportional verstellbares Sitzventil hält die Last leckölfrei und ermöglicht das Absenken der Last mit verschiedenen Geschwindigkeiten. Auf den ersten Blick ein bestechendes Konzept. In der Praxis wirken sich aber die Eigenschaften der heute verfügbaren Proportionalsitzventile ungünstig aus. Zum Beispiel der ungenügende feinfühlige Öffnungspunkt dieser Ventile, welcher sich in einem ruckartigen Anfahren niederschlägt. Diese Ventile weisen eine große Hysterese auf, welche dem Bediener am Joystick ein schwammiges und unpräzises Gefühl vermittelt. Hinzu kommt, dass diese Ventile eine ungenügende oder gar keine Lastkompensation aufweisen.

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

¦ 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), d. h. 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. Das Diagramm in Bild 2 zeigt das Volumenstrom-Druck-Verhalten des Ventils. Dabei entspricht der Druck der Belastung der Gabel, der Volumenstrom entspricht der Absenkgeschwindigkeit der Gabel. 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.

Kein Temperatureinfluss aufs Ventil

Das All-In-One-Ventil QSPPM33 ist für einen Nennvolumenstrom von 80 l/min ausgelegt. Die elektrische Ansteuerung erfolgt über eine marktübliche Proportionalelektronik mit PWM-Stromregelung. Die Stromregelung stellt dabei sicher, dass das Ventil temperaturunabhängig immer gleich funktioniert. Ebenfalls kann über die Einstellung des maximalen Magnetstroms der maximale Volumenstrom in einem weiten Bereich von etwa 25 l/min bis knapp 100 l/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. Das All-In-One-Ventil 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.

Dirk Linden, Wandfluh/ps

Erschienen in Ausgabe: 03/2007