Funktionsweise und Ausbau von Lasthalteventilen

Um zu verstehen, wie Lasthalteventile einzusetzen sind, muss der Konstrukteur zunächst ihre Funktionsweise verstehen. Die Abbildung unten enthält eine Darstellung eines sehr einfachen Hydraulikkreislaufs, in dem ein Wegeventil einen einfachen Hydraulikkreislauf bildet. Hier wird ein Wegeventil verwendet, um eine Ladung vertikal zu heben und zu senken. Zwischen den Leitungen vom Wegeventil zur Stangenseite des Zylinders wurde ein Standardlasthalteventil angebracht. Obwohl es viele Bezeichnungen für Standardlasthalteventile gibt, kann es als vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil mit freiem Umgehungs-Rückschlagventil bezeichnet werden.

Wenn der Anwender eine Ladung anhebt, leitet er den Durchfluss zur Stangenseite des Zylinders. In der Aufwärtsbewegung wird direkt gegen die Schwerkraft gearbeitet, weshalb die Ladung nicht vorauseilen wird. Der Durchfluss aus dem Ventil läuft durch den Umgehungs-Rückschlagventilabschnitt des Lasthalteventils und hebt die Ladung durch Einfahren des Zylinders an. Das Absenken der Ladung stellt eine größere Herausforderung dar, weil der Anwender dabei versucht, die Ladung kontrolliert in Zugrichtung der Schwerkraft zu bewegen. Durch die zusätzliche Beschleunigung und Schwerkraft neigt die Ladung dazu, der Steuerung und der Pumpe vorauszueilen. Ohne Lasthalteventil könnte der Anwender die Kontrolle über die Ladung verlieren oder der Ausleger instabil werden. Ein Lasthalteventil sorgt für die benötigte Kontrolle, indem es den Durchfluss von der Stangenseite des Zylinders entlastet. Wenn der Anwender die Ladung ruhig halten will und die Richtungssteuerung auf neutral stellt, verhindert das Rückschlagventil, dass Flüssigkeit von der Stangenseite des Zylinders zum Tank fließt – die Ladung wird in Position gehalten.

So, wie der Anwender die Ladung absenkt und den Durchfluss zur Bodenseite des Zylinders lenkt, wird durch die Vorsteuerleitung Druck auf das Laststeuerungsventil ausgeübt. Das Lasthalteventil wird durch den kombinierten Druck vom Piloten auf den Zylinderboden und den Lastdruck von der Stangenseite des Zylinders geöffnet, was den Durchfluss vom Zylinder zum Tank und das Absenken des Zylinders ermöglicht. Wenn der Druck beginnt, sich zu senken und zu beschleunigen, nimmt der Vorsteuerleitungsdruck ab und das Lasthalteventil beginnt sich zu schließen. Dadurch wird ein Vorauseilen der Last verhindert. Mit geschlossenem Ventil steigt der Vorsteuerdruck und das Lasthalteventil öffnet sich wieder, wodurch die Ladung kontrolliert abgesenkt werden kann. Ingenieure können mit Standardlasthalteventilen die Anforderungen in einer großen Bandbreite an Lasthalteanwendungen erfüllen. Auf dem Markt sind Standardlasthalteventile in zwei sehr unterschiedlichen Ausführungen, der so genannten direktwirkenden Ausführung und der Differenzialflächenausführung, erhältlich.

Bei beiden Ausführungen hat das Ventil nur einen Ventilkegel, um den Durchfluss vom Zylinder zum Wegeventil zu dosieren. Der Lastdruck wirkt gegen diesen Ventilkegel. Der Unterschied zwischen beiden Konstruktionsformen, der entscheidend für die Stabilität des Auslegers ist, besteht in der zum Schließen des Ventils benötigten Federkraft. Direktwirkende Ventile haben eine große Ventilkegelfläche, gegen die der Lastdruck wirkt. Weil die Ventilkegelfläche groß ist, wird auch eine größere Federkraft benötigt, um den Ventilkegel wieder zu schließen. Diese direkt wirkende Ausführung wird in Millionen von Lasthalteventil-/Senkbremsventiltypen in Standardhydraulikkreisläufen verwendet.

Im Gegensatz dazu wird bei einem Differenzialflächenlasthalteventil Gegendruck auf den Ventilkegel ausgeübt, der den Lastdruck ausgleicht. Daher wird weniger Federkraft benötigt, um den Ventilkegel wieder zu schließen.

Die Höhe der Federkraft ist wichtig, weil sie direkten Einfluss auf die Stabilität des Ventils hat. Eine höhere Federrate ist bei vielen Anwendungen von Vorteil, wenn bei instabilen Lasten variable induzierte Belastungen auftreten. Die höhere Federrate verhindert, dass das Ventil zu schnell reagiert und sich zu weit öffnet, was ein Ruckeln des Auslegers oder eine hörbare Instabilität zur Folge haben könnte. Differenzialventile mit niedriger Federrate tendieren dazu, sich schneller zu öffnen. Obwohl dies bei einigen Anwendungen mit höherem Durchfluss von Vorteil sein kann, führt das schnelle Öffnen häufig zu Instabilität in Form eines Springens des Auslegers oder eines hohen Quietschtons. Der Maschinenkonstrukteur kann bei extrem instabilen Lasten verschiedene Möglichkeiten nutzen: Entweder drosselt er den Durchfluss oder er verwendet ein zweistufiges Lasthalteventil, das die anfängliche Drosselung aufhebt, sobald die Bewegung stabil ist.

Ein gedrosseltes Ventil funktioniert, indem es die Öffnung so einschränkt, dass das Öl über eine Blende geleitet wird. Das ist ineffizient, weil dadurch Verlustwärme erzeugt wird. Das zweistufige Ventil erzeugt eine Anfangsdrosselung, die aufgehoben wird, sobald sich das Ventil stabilisiert und der Vorsteuerdruck zunimmt. Weil diese Ventile extrem wichtig sind, um die Betriebssicherheit eines Systems zu gewährleisten, müssen sie unbedingt korrekt und im richtigen Teil der Maschine eingebaut werden. Außerdem müssen sie fest in ihrer Einschraubbohrung sitzen, um zu verhindern, dass sie oder ihre Schrauben sich lösen. Es kommen häufig branchenübliche Einschraubbohrungen mit großen Auflageflächen zum Einsatz, die das Drehmoment zwischen Lasthalteventil und dem Steuerblock übertragen. Durch die Verwendung einer größeren Sitzfläche in den Einbaubohrungen reduzieren sich die Anzugsmomente der Baugruppe. Ein höheres Drehmoment kann zur Steuerblockverformung führen, was wiederum eine Verunreinigung verursachen oder die Sicherheit der Baugruppe reduzieren kann.