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Entwicklung einer piezobetriebenen Vorsteuerstufe zum Aufbau hochdynamischer hydraulischer Stetigventile

Kontext

Das Zeitverhalten eines steifen hydraulischen Zylinderantriebs wird vorwiegend durch die Ventildynamik geprägt. Bei der Forderung nach großen Hubamplituden bei hohen Frequenzen stehen hydraulische Antriebe mit elektrischen Antrieben im Wettbewerb, da ein Hydraulikzylinder auch noch bei kleineren Hubamplituden hohe Kompressionsvolumenströme benötigt.

Zur Steigerung der Dynamik von hydraulischen Antrieben sind daher Ventile nötig, die einen möglichst großen Volumenstrom bei hohen Ansteuerfrequenzen dem Antrieb zur Verfügung stellen können. Stand der Technik bilden direktgesteuerte Ventile mit einer Grenzfrequenz von ca. 80 Hz und vorgesteuerte Ventile mit einer Grenzfrequenz von ca. 100 Hz im Großsignalbetrieb dar.

Als Anwendungsbeispiele solcher ventilgesteuerten Zylinderantriebe können Werkstoffprüfmaschinen, Spritzgießmaschinen, Fahr- und Flugsimulatoren, Stanzmaschinen, dynamische Ansteuerungen von Verstellpumpen sowie aktive Schwingungsdämpfungsmaßnahmen in Werkzeugmaschinen genannt werden.

Ziele

Das Ziel des Forschungsprojekts besteht in der Auslegung, Aufbau und Erprobung eines hochdynamischen Servoventils mit einer Grenzfrequenz, die die Dynamik herkömmlicher Servoventile deutlich übertrifft. Hierbei sollen Piezoaktoren aus der Automobilindustrie verwendet werden.

Vorgehensweise

Die Piezoaktoren zeichnen sich durch eine hervorragende Dynamik aus. Der Hub des Piezoaktors ist jedoch für eine direkte Betätigung des Ventilschiebers zu gering. Daher werden die Piezoaktoren in einer hydraulischen Vorsteuerung eingesetzt, die den Ventilhauptschieber indirekt antreibt.

Das Ventil besteht aus der hydraulischen Hauptstufe eines konventionellen 4/3-Servoventils und einem neuen Vorsteuersystem. Das Vorsteuersystem beinhaltet vier Vorsteuerventile. Jedes Vorsteuerventil wird als ein 2/2-Ventil ausgeführt, das durch einen Piezoaktor stetig verstellt werden kann. Die Verstellung eines Vorsteuerventils erfolgt unmittelbar durch einen Piezoaktor ohne jegliche mechanische oder hydraulische Wegvergrößerungssysteme. Dadurch wird eine hohe Steifigkeit des Vorsteuersystems erzielt.

Durch die Steuerung der Durchflüsse über die Vorsteuerventile werden die Drücke Pav und Pbv in den Vorsteuerkammern geändert, die den Hauptschieber antreiben. Der Hauptschieber steuert den Volumenstrom in den Arbeitsanschlüssen A und B und wird in einem Lageregelkreis betrieben.

Ventilkonzept
Bild 1: Ventilkonzept

Zur Identifizierung und Abschätzung der Einflussgrößen auf die Leistungscharakteristik des Ventils wird zunächst ein Simulationsmodell aufgestellt. Aus dem Simulationsmodel des Gesamtventils werden die Anforderungen an die Vorsteuerventile abgeleitet. Die Konstruktion des Vorsteuerventils wird durch die Strömungssimulationen (CFD) unterstützt. Hierbei wird eine strömungskraftoptimierte und statisch druckkompensierte Ventilgeometrie angestrebt. Nach der Fertigung und Vermessung der Vorsteuerventile werden die Vorstufenblöcke ausgelegt und in den Hauptstufenblock integriert. Das Projekt wird mit der Implementierung der Lageregelung des Hauptschiebers und mit den statischen sowie dynamischen Messungen des Gesamtventils abgeschlossen.

Vorgehensweise
Bild 2: Vorgehensweise

Neben einer präzisen Auslegung einzelner Bauteile sowie ihrer Schnittstellen kommt es der Systemsicht eine große Bedeutung zu. Nur mit einer optimalen Abstimmung aller Systemkomponenten lässt sich die Leistungsverstärkung der Vorsteuerung zwecks hoher Ventildynamik am besten ausnutzen.

Ergebnisse

Konstruktionsdaten des Ventils
Bild 3: Konstruktionsdaten des Ventils
CAD-Modell des Ventils und Ventilprototyp
Bild 4: CAD-Modell des Ventils und Ventilprototyp

Statische Charakteristik

Nennvolumenstrom: 32 l/min bei einem Druckabfall von 35 bar pro Steuerkante

Statische Charakteristik
Bild 5: Statische Charakteristik

Dynamische Charakteristik

Zur Erfassung dynamischer Ventilcharakteristik werden die Sprungantworten sowie die Frequenzgänge bei einem Sweep-Ansteuersignal von 5%, 40% und 90% vermessen. Bei allen Messungen werden die Arbeitsanschlüsse des Ventils geschlossen und der Versorgungsdruck der Hauptstufe beträgt 170 bar.

Sprungantworten und Grenzfrequenzen des Ventils
Bild 6: Sprungantworten und Grenzfrequenzen des Ventils

In folgenden Bildern werden das Amplitudenverhältnis und die Phasenlage der Hauptschieberposition bei unterschiedlichen Ansteuersignalen dargestellt.

Frequenzgang bei einem Ansteuersignal von 5%
Bild 7: Frequenzgang bei einem Ansteuersignal von 5%
Frequenzgang bei einem Ansteuersignal von 40%
Bild 8: Frequenzgang bei einem Ansteuersignal von 40%
Frequenzgang bei einem Ansteuersignal von 90%
Bild 9: Frequenzgang bei einem Ansteuersignal von 90%

Die erzielten Grenzfrequenzen entsprechen einer Dynamiksteigerung von 142% bei einem Ansteuersignal von 5%, 63% bei einem Ansteuersignal von 40% und 44% bei einem Ansteuersignal von 90% bzgl. der Grenzfrequenzen von einem High Response Sevoventil gleicher Baugröße.

Der Autor bedankt sich bei der Stiftung Industrieforschung, dem Forschungsfond des Fachverbandes Fluidtechnik im VDMA sowie bei den Mitgliedern des begleitenden Arbeitskreises für die finanzielle und fachliche Unterstützung des Projektes.

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