Will D., Gebhardt N. (Hrsg.) Hydraulik: Grundlagen, Komponenten, Schaltungen
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218 8 Ventile
a
VDr
Q
A
1
23
4
s
p
1
p
2
As
b
c
Abb. 8.9 Vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil. a Prinzip 1 Hauptkolben, 2 Feder,
3 Vorsteuerventil, 4 Drosselspalt b Symbol c vereinfachtes Symbol
Steigt der Druck p
1
und erreicht er den Sollwert, der am Vorsteuerventil durch
die Federvorspannung eingestellt ist, beginnt das Vorsteuerventil zu öffnen. Damit
fließt ein kleiner Steuerstrom durch die Funktionsdrossel VDr. Bei weiterer Er-
höhung von p
1
ergibt sich eine Druckdifferenz p
1
– p
2
, die auf den Hauptkolben 1
in Öffnungsrichtung wirkt. Überschreitet die Differenzkraft A
· (p
1
– p
2
) die
Federvorspannungskraft der Feder 2, beginnt der Hauptkolben 1 zu öffnen und der
Volumenstrom Q fließt gedrosselt durch den Drosselspalt 4 zum Behälter.
Durch die mögliche niedrige Federsteife der Feder 2 lässt sich eine günstige
stationäre Kennlinie des vorgesteuerten Ventils erreichen (s. Abb. 8.10).
b
Q
a
c
p
1
Abb. 8.10 Stationäres Verhalten von Druckbegrenzungsventilen p
1
= f(Q). a direkt-
gesteuertes Druckbegrenzungsventil b vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil c ideale
Kennlinie
Beim vorgesteuerten Ventil lässt sich das Vorsteuerventil getrennt vom Haupt-
ventil anordnen und mit einer Steuerleitung verbinden, so dass eine Fernein-
stellung des Druckes ermöglicht wird. Eine Funktionserweiterung wird mit
mehreren auf verschiedene Drücke eingestellten Vorsteuerventilen erreicht, die
8.1 Druckventile 219
z. B. mit einem Wegeventil nacheinander in einer Programmfolge in Funktion ge-
schaltet werden. Wird die Steuerleitung zwischen Haupt- und Vorsteuerventil
direkt zum Behälter geschaltet, dann öffnet das Hauptventil vollständig und der
Volumenstrom fließt praktisch drucklos zum Behälter.
Ventilvarianten und Anwendungsvarianten. Bei den Druckbegrenzungsventilen
ist zwischen Ventilvarianten und Anwendungsvarianten zu unterscheiden. Die
Ventilvarianten unterscheiden sich z. T. nur geringfügig im Ventilaufbau. Die
Anwendungsvarianten werden von den Ventilvarianten und der Hydraulikkreis-
laufstruktur beeinflusst. Folgende Ventilvarianten werden unterschieden:
direktgesteuert – vorgesteuert,
eigengesteuert – fremdgesteuert,
ablaufdruckentlastet – nicht ablaufdruckentlastet.
Das direktgesteuerte und das vorgesteuerte Druckbegrenzungsventil wurden oben
beschrieben. Diese Ventile sind eigengesteuert, weil deren eigener zu begrenzen-
der Druck dazu benutzt wird, die Regelfunktion des Ventils aufrechtzuerhalten. Im
Gegensatz dazu wird das fremdgesteuerte Ventil von einem fremden Druck be-
tätigt und besitzt eine gesonderte Steuerleitung. Die Symbole dazu sind in Abb.
8.11 a und b dargestellt. Beim fremdgesteuerten Ventil ist darauf hinzuweisen,
dass der fremde Steuerdruck nicht ein beliebiger Druck sein kann, sondern er
muss in einem indirekten Zusammenhang mit dem zu regelnden Druck stehen (s.
Anwendungsvarianten nach Abb. 8.12).
Wie in Abb. 8.2 a dargestellt, ist am Federraum des Ventils eine Leckleitung
angeschlossen. Eine solche Entlastungsleitung ist für die Funktion des Ventils
notwendig, da sonst das im Federraum sich ansammelnde Fluid die Bewegung des
Ventilkolbens behindert, ja sogar blockieren kann. Um eine gesonderte Leck-
leitung zum Behälter einzusparen, ist häufig innerhalb des Ventilgehäuses eine
Bohrungsverbindung zwischen Federraum und Ablaufleitung vorhanden. Das setzt
voraus, dass in der Ablaufleitung kein Druck durch einen Widerstand, ein nach-
geschaltetes Ventil oder einen nachgeschalteten Verbraucher entstehen kann.
Diese Ventilvariante ist in Bezug auf den Federraum nicht ablaufdruckentlastet
(Abb. 8.11 d), während die Ventilvariante mit einer gesonderten Leckölleitung als
ablaufdruckentlastet bezeichnet wird (Abb. 8.11 c). In der Praxis wird dieser
Unterschied nicht immer beachtet. Dadurch kann es bei der nicht ablaufdruckent-
lasteten Variante zu Fehlfunktionen führen. Wirkt z. B. bei der nicht ablaufdruck-
entlasteten Ventilvariante ein Druck p
2
durch einen Widerstand in der Ablauf-
leitung, dann öffnet das Ventil erst mit einem Druck p
1
= p
e
+ p
2
vor dem Ventil,
wobei p
e
der an der Feder eingestellte Druck ist. In einem solchen Falle arbeitet
das Ventil als Druckdifferenzventil mit p
e
= p
1
– p
2
(s. Abschn. 8.1.3).
220 8 Ventile
a
b
c
d
p
x
Abb. 8.11 Ventilvarianten des direktgesteuerten Druckbegrenzungsventils. a eigengesteuert
b fremdgesteuert (p
x
– Fremdsteuerdruck) c ablaufdruckentlastet d nicht ablaufdruckent-
lastet
Druckbegrenzungsventile können unter Beachtung der Ventilvarianten zu un-
terschiedlichen Anwendungsschaltungen, den Anwendungsvarianten, eingesetzt
werden.
Folgende Ventilanwendungsvarianten sind zu unterscheiden:
Sicherheitsventil,
Überströmventil,
Zuschaltventil und
Abschaltventil.
In Abb. 8.12 diese Ventilanwendungsvarianten innerhalb von Prinzipschaltungen
dargestellt.
Am häufigsten werden Druckbegrenzungsventile als Sicherheitsventile einge-
setzt (Abb. 8.12 a). Diese Ventile sind im Normalzustand geschlossen (Q
VD
= 0
und p < p
e
) und öffnen nur bei Überlastung des Systems, d. h., wenn der Druck im
System den eingestellten Wert p
e
überschreitet. Gerade dann soll ein solches Ven-
til sehr schnell reagieren und ohne große Druckspitze öffnen und gedämpft ein-
schwingen.
Wird das gleiche Ventil als Überströmventil in einer solchen Kreislaufstruktur
verwendet (Abb. 8.12 b), bei der der Zustrom Q
P
(z. B. durch Konstantpumpe)
ständig größer ist als der Abstrom Q
S
(z. B. durch Volumenstromdosierung mit ei-
nem Zwei-Wege-Stromregelventil), dann befindet sich das Ventil VD immer in
Regelstellung (Q
VD
> 0, p = p
e
) und hält den Druck p aufrecht. Eine solche Kreis-
laufstruktur bildet eine Druckquelle (s. Abschn. 5.1). Zu beachten ist, dass Druck-
quellen dieser Art eine Verlustleistung P
V
= p·(Q
P
– Q
S
) produzieren. Sie sind le-
diglich für kleine Leistungen und bei kurzer Einschaltdauer zu verwenden.
Das Druckbegrenzungsventil als Zuschaltventil (Abb. 8.12 c), auch als Folge-
schalt- oder Vorspannventil bezeichnet, hat z. B. die Aufgabe, einen zweiten Lei-
tungszweig dann mit Volumenstrom zu versorgen, wenn ein bestimmter Druck p
in der Hauptleitung erreicht und überschritten wird. Eine solche Bedingung wird
immer dann gefordert, wenn technologisch bedingt ein Vorgang (z. B. Spannvor-
gang mit einem Arbeitszylinder) abgeschlossen ist und eine Druckerhöhung die
Folge ist. In diesem Falle (mit p
e2
> p
e1
) öffnet das Druckbegrenzungsventil VD1
als Schaltventil. Dabei ist als Ventilvariante das ablaufdruckentlastete Ventil zu
8.1 Druckventile 221
verwenden. Wird das nicht beachtet, dann wird der Zulaufdruck um den Wert des
Verbraucherdruckes im zweiten Leitungszweig überhöht und die gewollte Funk-
tion nicht erreicht.
b
p
a
p
c
d
VD
p
e
Q
P
Q
S
VD
p
e
Q
VD
VD2
p
e2
VD1
p
e1
p
VD2
p
e2
VD1
p
e1
p
Abb. 8.12 Anwendungsvarianten von Druckbegrenzungsventilen. a VD Sicherheitsventil
b VD Überströmventil (Q
P
> Q
S
) c VD1 Zuschaltventil (ablaufdruckentlastet), VD2 Sicher-
heitsventil d VD1 Abschaltventil (fremdgesteuert), VD2 Sicherheitsventil
Das Druckbegrenzungsventil als Abschaltventil (Abb. 8.12 d) hat die Aufgabe,
z. B. bei einer Parallelschaltung von zwei Pumpen, eine Pumpe druckabhängig in
den drucklosen Umlauf zu schalten. Diese Forderung besteht, wenn eine Hoch-
druck- und eine Niederdruckpumpe gemeinsam in ein Leitungssystem fördern und
bei einem vorgegebenen Druck p
e1
am Ventil VD1 die Niederdruckpumpe über
das Abschaltventil VD1 drucklos in den Behälter fördern soll. Die Hochdruck-
pumpe fördert dann allein in das System. Sinkt der Druck p wieder unter den Ein-
stellwert des Abschaltventils, schließt das Abschaltventil und die Pumpe fördert
wieder zum System. Als Ventilvariante ist ein fremdgesteuertes Ventil in Ver-
bindung mit einem Rückschlagventil zu verwenden. Werden mehr als zwei
Pumpen parallel geschaltet, ist die Struktur mit der entsprechenden Anzahl von
Abschalt- und Rückschlagventilen auszurüsten, wobei die einzelnen Abschalt-
drücke gestuft einzustellen sind. In der Praxis wird insbesondere für die Aufla-
dung von Druckspeichern ein Abschaltventil mit ausgesprochener Schalthysteresis
benötigt. Das beschriebene Ventil besitzt keine Schalthysteresis. Die Schalthyste-
resis kann z. B. mit einem vorgesteuerten Druckbegrenzungsventil verwirklicht
werden, bei dem der drucklose Umlauf des Pumpenstromes im Hauptventil durch
ein elektromagnetisch betätigtes Wegeventil am Vorsteuerventil geschaltet wird.
Das Wegeventil wird durch einen elektrohydraulischen Druckschalter angesteuert.
222 8 Ventile
8.1.2 Druckreduzierventile
Druckreduzierventile, auch als Druckminderventile VM bezeichnet, haben die
Aufgabe, den Sekundärdruck p
2
in einem Leitungsbereich vermindert konstant zu
halten, unabhängig vom Volumenstrom Q und vom veränderlichen, aber höheren
Primärdruck p
1
. Der Einsatz von Druckreduzierventilen ist dann notwendig, wenn
in einem Hydrauliksystem, das von einer Pumpe versorgt wird, zwei Leitungs-
bereiche mit unterschiedlichen Drücken arbeiten müssen. Der reduzierte Druck
wird häufig für Nebenfunktionen oder für Steuerfunktionen benötigt. Druck-
reduzierventile werden als direktgesteuerte, vorgesteuerte oder Drei-Wege-Ventile
verwendet. Das direktgesteuerte Ventil besteht aus einem Kolbenschieberelement,
das durch eine Feder in seiner Ruhestellung die Verbindung zwischen Primär- und
Sekundärseite voll öffnet. Bei der direktgesteuerten Ventilvariante ist die der Fe-
derseite gegenüberliegende Kolbenseite mit einer Steuerleitung über eine Dämp-
fungsdrossel mit der Sekundärdruckleitung verbunden. Steigt der Primärdruck an,
der durch das zunächst geöffnete Ventil auch auf der Sekundärseite wirkt, und ü-
berschreitet die Kolbenkraft die Federvorspannungskraft, beginnt das Ventil sich
zu schließen. Es bildet dann in Regelstellung gerade einen solchen Drosselspalt,
der die Regelfunktion des Ventils aufrechterhält und den Sekundärdruck p
2
kon-
stant hält. Beim vorgesteuerten Druckreduzierventil ist in Analogie zum vor-
gesteuerten Druckbegrenzungsventil das Vorsteuerventil gleichfalls ein direkt-
gesteuertes Druckbegrenzungsventil. Durch Variation der Federvorspannung am
Vorsteuerventil wird der Sekundärdruck eingestellt. Symbole von Druckreduzier-
ventilen sind dargestellt in Abb. 8.13. Das Druckreduzierventil bildet für den
nachgeschalteten Kreislauf eine Druckquelle mit dem Druck p
2
.
T
a
P
A
p
1
p
2
c
P
A
p
1
p
2
d
P
A
p
1
p
2
b
P
A
p
1
p
2
Abb. 8.13 Druckreduzierventile. a direktgesteuert b Drei-Wege-Ventil c vorgesteuert
d vorgesteuert (vereinfachtes Symbol)
8.1 Druckventile 223
Das in Abb. 8.14 dargestellte Druckminderventil wird von P nach A von einem
Volumenstrom durchflossen. Die Drosselung des Fluids an der Drosselstelle 3
bewirkt, dass der Druck im Nebenkreis kleiner als der Druck im Hauptkreis ist.
Der Nebenkreisdruck erzeugt auf der rechten Seite des Regelkolbens 4 eine
Druckkraft, die der einstellbaren Federkraft entgegen wirkt. Die Leckagen des
Schieberventils müssen über den Anschluss T abgeführt werden.
A
P
T
3
4
1
2
Abb. 8.14 Druckreduzierventil. 1 Druckfeder, 2 Einstellschraube, 3 Drosselquerschnitt,
4 Regelkolben
Beim Einsatz von Druckreduzierventilen sind einige Besonderheiten zu beach-
ten:
Der Primärdruck muss immer größer sein als der Sekundärdruck (p
1
> p
2
).
Der Federraum bei den direktgesteuerten Ventilen muss druckentlastet sein und
er darf nicht mit der Sekundärdruckleitung verbunden sein.
Bei den direktgesteuerten Ventilen muss immer ein Mindestvolumenstrom von
der Primär- zur Sekundärdruckseite fließen. Kommt ein Stillstand des Verbrau-
chers z. B. bei einem Spannvorgang eines Arbeitszylinders zustande, ist keine
Druckreduzierung durch Drosselung möglich. In einem solchen Falle kann mit
einem kleinen Volumenstrom über einen Bypass die Druckreduzierung auf-
rechterhalten werden.
Beim vorgesteuerten Ventil wird durch den ständig fließenden Steuervolumen-
strom die Druckreduzierung aufrechterhalten.
Bei Erhöhung des Sekundärdruckes durch äußere Wirkung, z. B. durch äußere
Kraft bewirktes Einfahren des Kolbens eines Arbeitszylinders, besteht die Ge-
fahr einer unzulässigen Druckerhöhung im Sekundärzweig. Ist eine Druckerhö-
hung möglich, muss ein Drei-Wege-Druckreduzierventil (Symbol Abb. 8.13 b)
eingesetzt werden. Ein solches Ventil besitzt einen dritten Anschluss, der mit
dem Behälter verbunden ist. Bei Drucküberhöhung wird der Ventilkolben wei-
ter gegen die Feder verstellt und wirkt als Druckbegrenzungsventil für den Se-
kundärbereich.
224 8 Ventile
Durch die Druckreduzierung wird eine Verlustleistung P
V
= (p
1
- p
2
) · Q, er-
zeugt, die nur für kleine Leistungen und kurze Einschaltdauer akzeptabel ist.
Verhalten eines direktgesteuerten Druckreduzierventils in einem Kreislauf. In
Abb. 8.15 ist ein einfacher Kreislauf zur Ermittlung des dynamischen Verhaltens
eines direktgesteuerten Druckreduzierventils dargestellt. Die Regelgröße ist der
Druck p
2
der Sekundärseite.
p
1
= p
10
= konst.
A
s
s
vor
c
Drosselspalt mit
Leitwert G
Sp
Q
VR
p
2
Drosselventil mit
einstellbarem
Leitwert G
Dr
G
D
Q
gL
V
L
p
3
Q
Dr
Q
D
m
d
H
s
0
Abb. 8.15 Schema eines Kreislaufs zur Ermittlung des dynamischen Verhaltens eines
Druckbegrenzungsventils
Die Funktionen für die Energiespeicher des Systems, die Bilanzgleichungen der
Volumenströme und der Kräfte sowie die statischen Grundbeziehungen des Sys-
tems sind denen in Abschn. 8.11 analog und führen zu dem Blockschaltbild in
Abb. 8.16. In diesem System ist nicht mit Kavitation zu rechnen (s. Abschn. 4.9).
Die Regelungsstruktur ist erkennbar: Drosselventil und Leitungssystem sind die
Regelstrecke, das Druckreduzierventil ist der Druckregler mit den Eingangsgrößen
Druck p
2
und Federvorspannung s
vor
sowie der Ausgangsgröße Q
VR
- Q
D
.
Für die Simulation des Verhaltens werden im Wesentlichen die Parameter aus
Abschn. 8.11 übernommen, mit Ausnahme der Drosselspaltcharakteristik. Es ist
zu beachten, dass die Feder hier Drosselspalt öffnend wirkt, eine Strahlkraft aber
immer Spalt schließend. Die Strahlkraftänderungen sollten kleiner sein als die Fe-
derkraftänderungen in Abhängigkeit der Kolbenposition s. Erreicht wird dies in
diesem Beispiel, indem der Drosselspaltkegel mit dem sehr kleinen Kegelwinkel
versehen wird (
H
= 4°).
Der Anstieg
07,0sin
'
'
H
s
h
Sp
ist eine Größenordnung kleiner als in
Abschn. 8.11, der Beiwert der Strahlkraft aber nur wenig größer:
mmmmdK
St
441107,02cos2 |
S
H
S
D
.
8.1 Druckventile 225
A
1
m
dt
³
dt
³
A
k
F
RP
s
s
s
-
-
-
F
RC
F
B
F
F
K
Sp
h
Sp
S
12
p'
c
An
F
An
-
p
3
Q
D
1
G
D
'
p
23
-
Q
VR
F
St
G
Sp
S
s
c
s
vor
H
S
D
cos2 d
p
10
-
'
p
12
'
p
12
dt
³
1
V
L
ß
Q
gL
p
2
p
2
2
p
S
Q
Dr
G
Dr
p
2
-
-
Druckreduzierventil
Drosselventil und
Leitungssystem
-
s
0
Q
VR
Q
VR
Abb. 8.16 Blockschaltbild des Systems nach Abb. 8.15
Der Druck p
2
soll auf etwa p
2
= 160 bar = 16 N/mm
2
eingeregelt werden. Dafür
müssen analog Abschn. 8.11
mms 2
0
und mms
vor
4,8 sein.
Zur Simulation: Das System sei zunächst drucklos. Die Anfangswerte der Zu-
standsgrößen sind damit
p
2
(0) = 0,
0)0( |s ,
0)0( s
.
Nach 0,02 s wird der Druck p
10
= 250 bar zugeschaltet (das Ventil wurde in
Abb. 8.15 nicht dargestellt), nach 0,8 s wird er sprungförmig auf p
10
= 320 bar er-
höht.
Der Leitwert des Drosselventils betrage zuerst
bar
inml
Ns
mm
G
Dr
/
38,020000
4
und werde nach 0,4 s auf
bar
inml
Ns
mm
G
Dr
/
9,1100000
4
erhöht.
226 8 Ventile
Die Simulation zur Ermittlung des Verhaltens dieser Druckregelung wurde für
zwei Varianten durchgeführt (s. auch Abschn. 4.9):
Var. 1: V
L
= 0,5 l = 0,5 · 10
6
mm
3
,
Var. 2: V
L
= 2 l = 2 · 10
6
mm
3
,
Aus den Kurven in Abb. 8.17 geht hervor, dass die Regelung einen bleibenden
Regelfehler besitzt:
Je größer der Volumenstrom Q
Dr
im stationären Zustand ist, desto kleiner ist
der sich einstellende Druck p
2
. (Dieser Fehler ist umso größer, je größer der
Strahlkraftbeiwert ist.)
Je größer der Druck auf der Primärseite p
1
ist, desto größer ist der sich statio-
när einstellende Druck p
2
.
a
b
Abb. 8.17 Simulationsergebnisse für zwei Varianten, Var. 1: V
L
= 0,5 dm
3
, Var. 2:
V
L
= 2 dm
3
. a Druckverläufe p
2
b Volumenstrom-Verläufe Q
VR
Beim Zuschalten des Druckes p
10
nach 0,02 s entsteht ein großer Volumen-
stromimpuls, da sich der Druck p
2
erst aufbauen muss.
8.1 Druckventile 227
Ein markantes Anwendungsbeispiel ist der in Abb. 8.18 dargestellte Brems-
kraftminderer, der oft im Hinterachsbremskreis von Kfz verbaut wird.
Abb. 8.18 Bremskraftminderer. 1 Druckfeder, 2 Anschluss HBZ, 3 Ringraum 1, 4 Boh-
rung, 5 Anschluss RBZ, 6 Ringraum 2, 7 Ventil, 8 Gehäuse, 9 Stufenkolben [8.46]
Beim Bremsvorgang wird die Bremsflüssigkeit vom Hauptbremszylinder
(HBZ) zum Anschluss 2 gefördert. Sie fließt über den Ringraum durch die Boh-
rung im Kolben zum Anschluss für die Radbremszylinder (RBZ) der Hinterachse.
Durch die damit verbundene Bewegung der Kolben der RBZ wird durch Anlegen
der Bremsbacken an die Bremstrommel bzw. Bremsscheibe ein Druck aufgebaut.
Der Druck liegt nunmehr im gesamten Bremskreis vor. Wird das Bremspedal wei-
ter betätigt, steigt auch der Druck im Bremskreislauf weiter an. Dieser sich daraus
einstellende Druck wirkt an den Flächen der Ringräume 2 und 4. Da die Fläche 2
größer ist, wird der Kolben sich im Bild nach rechts verschieben. Damit ist zu-
nächst eine Absperrung des RBZ-Kreises verbunden. Wird die Bremspedalkraft
weiter erhöht, so steigt der Druck im HBZ-Kreis und der Kolben verschiebt sich
bis das Ventil 7 öffnet. Durch den nun stattfindenden Druckausgleich bewegt der
Kolben sich nach links und der Bremsdruck im RBZ-Kreis steigt wieder an. Damit
setzt der Kolben sich wieder in Bewegung. Die Druckverminderung zwischen den
beiden Bremskreisen ergibt sich aus dem Verhältnis der Ringflächen der Ring-
räume 2 und 5. Wird die Pedalkraft vermindert, wirkt die Kraft, die sich aus dem
Druck im RBZ-Kreis und der Wirkfläche des Kolbens ergibt, auf den Kolben 9,
der sich auf der Druckfeder 1 abstützt. Die Bewegung des Kolbens und Öffnung
des Ventils führen dazu, dass die Bremsflüssigkeit aus den RBZ zurückfließen
kann und damit der Druck im Bremskreislauf abgebaut wird.