Marginale Spalte

Näher ran!

März 2013

 

Bei der Entwicklung eines neuen Ventils setzte sich die schrägste Lösung durch. Die Entwickler Christophe Champouillon und Wolf Gerecke berichten, warum die Ventileinheit AV03 sowohl ganz nah am Aktuator als auch am Kunden ist.

 
 

Die Produkte am Markt gleichen sich inzwischen sehr stark, deshalb war unser Ziel, das neue Ventil vom Wettbewerb abzuheben. Innovationsspielraum sahen wir dabei vor allem auf zwei Gebieten: bei der Kompaktheit und der Integrationsfähigkeit. Uns war klar, dass dies keine ganz einfache Aufgabe sein würde.

Den Bauraum optimal ausnutzen

Schon in der Spezifikationsphase haben wir großen Wert darauf gelegt, dass das neue Ventil kompakter wird. Einige Anforderungen standen von Beginn an fest. Ein Kunde hatte uns ganz konkret eine Maximalhöhe von 53 Millimetern ins Lastenheft geschrieben. Denn die Ventileinheit sollte direkt in den bewegten Bohrkopf seiner Holzbearbeitungsmaschine integrierbar sein. Damit war die Geometrie der Gesamtventileinheit weitestgehend vorgegeben.

Gleichzeitig war klar, dass wir zur richtigen Positionierung des neuen Produkts in unserem Portfolio einen Durchfluss von mindestens 200 Litern pro Minute benötigen. Die grundsätzliche Herausforderung bestand also darin, zwei an sich widersprüchliche Ziele zu verfolgen: höheren Durchfluss und geringere Baugröße.

Der diagonale Aufbau des AV03 reduziert das Bauvolumen.

 

Je ein Entwicklerteam aus dem französischen Bonneville und dem deutschen Schwieberdingen arbeiteten an Ideen für die Konstruktion des Ventils. Zunächst präsentierten beide eher konventionelle Lösungen. Bei den gemeinsamen Besprechungen stellte sich heraus, dass wir mit der herkömmlichen Herangehensweise jedoch keine signifikanten Verbesserungen zu vorhandenen Produkten erzielen und die geforderte Maximalhöhe nicht würden einhalten können.

Die französischen Kollegen stellten dann die entscheidende Frage: „Können wir den verfügbaren Bauraum nicht besser ausnützen, wenn wir das Kernventil einfach diagonal platzieren?“ Anfangs überwog Skepsis, denn wir nahmen an, dass durch die Schrägstellung Schwierigkeiten etwa in der Fertigung oder in der Passung zueinander entstehen.

Nach eingehender Überprüfung stellten sich die Zweifel aber als unbegründet heraus. Somit hatten wir unseren Grundansatz. Zusätzlichen Bauraum sparten wir, indem wir hier erstmals in Schwieberdingen entwickelte, eigene Vorsteuerventile einsetzten, die so kompakt sind, dass sie sich direkt in die Ventile integrieren lassen.

Hochfester Kunststoff

Die Diagonalstellung des Kernventils war nur deshalb möglich, weil wir für unsere Ventile schon seit 30 Jahren Kunststoffe verwenden. Durch diese sind wir in der Formgebung sehr viel freier als beim Einsatz von Metall und Zerspanungstechnik. Die Weiterentwicklung der Kunststoffe hin zu höherer Festigkeit erlaubt es, komplexe, leichtbauende Komponenten herzustellen, wodurch Bauteile gleicher Funktion kompakter ausgeführt werden können, als es noch vor wenigen Jahren möglich gewesen wäre.

Stresssimulation am Ventilgehäuse (rot=starke Belastung, blau=schwache Belastung)

 

Ein gutes Beispiel hierfür ist die Grundplatte. Bisher wurde sie bei vergleichbaren Baureihen von zwei Zugankern zusammengehalten, um die Kräfte zu verteilen. Um Gewicht und Bauraum der Ventileinheit zu verringern, war unsere Idee, nur noch einen Anker zu verwenden. Wir mussten also ein Material finden, das bei der Kräfteverteilung mit nur einem Anker dennoch stabil und dicht bleibt.

Zusätzlich zur hohen Festigkeit sollte der Kunststoff wegen der komplexen Form aber gut zu verarbeiten sein. Nach verschiedenen Untersuchungen und Simulationen entschieden wir uns für ein hochfestes, glasfaserverstärktes Polyamid, das sich unter hohem Druck kaum verformt. So reduzieren wir schon durch den leichten Kunststoff Gewicht, haben aber auch einen geringeren Materialeinsatz, da das AV03 so gut wie kein Totvolumen hat. Im Vergleich zum Marktstandard spart das sowohl 45 Prozent Raumbedarf als auch 55 Prozent Gewicht.

Durch die leichte und kompakte Bauweise sowie die Ausführung in der Schutzklasse IP65 ist es möglich, das AV03 auch ohne Schaltschrank näher am Aktuator zu installieren. Dadurch vermeiden wir Leitungsverluste von bis zu 20 Prozent. Innerhalb des Schaltschranks nimmt unsere Ventileinheit ebenfalls weniger Platz ein und ermöglicht eine kompaktere Ausführung.

Maximierter Durchfluss

Schon während des Entwicklungsprozesses der Komponenten führten wir mit CAD Strömungsanalysen durch und konnten so zum Beispiel Kanaldurchmesser und Kantengeometrien optimieren. Es galt, den besten Kompromiss zwischen Durchfluss und Herstellbarkeit zu finden. Hier profitierten wir ebenfalls von der Schrägstellung des Kernventils: Es gelang uns, den Winkel hin zur Arbeitsleitung abzuflachen, um den Druckabfall zu minimieren. Wir verifizierten an Prototypen einen Durchfluss von 300 Litern pro Minute. Den Wirkungsgrad konnten wir mit sieben Litern Durchfluss pro Minute auf einen Kubikzentimeter umbauten Raum messen. Das sind 40 Prozent mehr als bei vergleichbaren Produkten.

Hohe Integrationsfähigkeit

Von einem Ventilsystem erwartet der Kunde heute, dass es einfach in seine Anlagen und vor allem in seine Feldbustopologie zu integrieren ist. Der Anwender kann das AV03 entsprechend seinen Konzepten nicht nur über Multipol- sondern auch über Feldbusanschlüsse mit integrierbaren E/A-Modulen anbinden. Durch die Möglichkeit, Sensoren direkt an die Ventilelektronik anzuschließen, müssen Inbetriebnehmer deutlich weniger Kabel in den Schaltschrank zurückführen. Unsere Laatzener Kollegen haben dazu die Baugröße der Feldbusmodule an die der Ventile angepasst.

Ein Ventilsystem bestehend aus AV03, Buskoppler und E/A-Modul.

 

Ganz im Sinne der angestrebten Modularität ermöglichen wir eine einfache, nachträgliche Ergänzung und Änderung der Ausstattung. Ab dem zweiten Ventil kann der Anwender in Einzelschritten die Zahl auf bis zu 40 monostabile oder 64 beidseitig betätigte Ventile steigern.

Eine weitere Neuentwicklung am AV03 betrifft die Kontroll-LEDs auf den E/A-Modulen. Sie zeigen an, welche Ein- und Ausgänge gerade beschaltet sind. Damit die LEDs wegen der hochkompakten Bauform der Module nicht von den Kabeln überdeckt werden, entschieden wir uns für eine andere Platzierung der LEDs: Wir legten Lichtleiter ringförmig um die Anschlussports, die aufgrund ihrer großen Abstrahlfläche gut sichtbar sind.

Mit dem AV03 haben wir ein Ventil entwickelt, das den Kunden eine kompakte und energieeffiziente Lösung bietet, die gleichzeitig komfortabel integrierbar ist.

 

Die Autoren


 

Wolf Gerecke,

Produktmanagement und Entwicklung Ventile,

Schwieberdingen, Deutschland,

Bosch Rexroth AG

Christophe Champoullion,

Entwicklung Ventile,

Bonneville, Frankreich,

Bosch Rexroth AG