Physikbasiertes Modell und Identifikation von Reibungsparametern eines proportionalen Spulenventils

Warum ein winziges Gleitteil wichtig ist

Moderne Maschinen von Baggern bis zu Industrierobotern verlassen sich auf Hydraulikventile, um schwere Lasten mit sanfter, präziser Bewegung zu bewegen. Im Zentrum vieler dieser Ventile steht ein kleines Gleitteil, die Spule, das schnell und vorhersehbar auf elektrische Befehle reagieren muss. Dieses Papier untersucht, wie das Verhalten eines solchen Ventils im Detail modelliert werden kann, mit besonderem Fokus auf die Reibung im Ventil, damit Ingenieure sicherere und effizientere Hydrauliksysteme entwerfen können.

Der bewegte Kern eines Hydraulikstellglieds

Die Studie betrachtet eine verbreitete industrielle Komponente, das sogenannte proportionale Spulenventil. Dieses Bauteil lenkt unter Druck stehendes Öl zu einem Hydraulikzylinder oder -motor und kann den Durchfluss kontinuierlich variieren, statt ihn nur ein- oder auszuschalten. Die Autoren analysieren ein kommerzielles Ventil, das drei Hauptkomponenten kombiniert: ein graugussgehäuse mit fein spielender Spule, einen linearen Elektromotor, der die Spule hin- und herschiebt, und integrierte Elektronik zur Stell- und Positionsmessung. Zwei gegenläufige Federn zentrieren die Spule, wenn die Versorgung abgeschaltet ist, während ein induktiver Sensor ihre genaue Lage an eine Steuereinheit meldet.

Ein Modell aus realen Kräften aufbauen

Anstatt das Ventil als einfache Blackbox mit Ein- und Ausgang zu behandeln, konstruieren die Forschenden ein physikbasiertes Modell, das die einzelnen auf die Spule wirkenden Kräfte verfolgt. Dazu zählen der Schub des Linearmotors, die Rückstellkraft der Federn, die Trägheit der bewegten Teile, Kräfte durch das strömende Öl und die Reibung zwischen Spule und Gehäuse. Jeder Beitrag wird aus gezielten Messungen bestimmt: statische Tests der Motorkräfte bei verschiedenen Strömen und Positionen, Kompressionstests der Federn, Wiegen der bewegten Baugruppe und frühere Studien zu Strömungskräften. All dies wird zu einer Bewegungsgleichung zusammengeführt, die beschreibt, wie die Spule in Reaktion auf ein Steuersignal beschleunigt, abbremst und zur Ruhe kommt.

Das Geheimnis der inneren Reibung knacken

Die Reibung erweist sich als der schwer fassbare Einfluss, da sie während des Betriebs nicht direkt messbar ist. Das Team verwendet daher eine indirekte Strategie. Sie betreiben das Ventil auf einem speziellen hydraulischen Prüfstand und zeichnen auf, wie die Spule auf plötzliche Sprungänderungen und auf sinusförmige Signale über einen Frequenzbereich reagiert. Mit vorhandenem, zunächst aber nicht strömendem Öl stimmen sie die Parameter einer fortgeschrittenen Reibungsbeschreibung, bekannt als LuGre-Modell, so lange ab, bis die Simulationen mit der gemessenen Bewegung übereinstimmen. Dieses Modell erfasst, wie die Haftreibung überwunden werden muss, um die Bewegung zu starten, wie die Reibung bei niedrigen Geschwindigkeiten abfällt und wie mit der Geschwindigkeit ein viskoser Anteil zunimmt. Anschließend wiederholen sie das Verfahren bei strömendem Öl unter verschiedenen Drücken und mit bzw. ohne Positionsrückführung und zeigen, dass sich die Reibungswerte ändern, wenn Strömung und Druck den Kontakt zwischen Spule und Gehäuse beeinflussen.

Das Modell an der Realität testen

Nach der Kalibrierung wird das physikbasierte Modell verwendet, um das Verhalten des Ventils in verschiedenen Situationen vorherzusagen. Die Autoren vergleichen simulierte und gemessene Sprungantworten und betrachten Überschwingen, Anstiegszeit und Einschwingzeit für unterschiedliche Befehlsstufen, sowohl mit als auch ohne Regelkreis. Sie vergleichen auch Frequenzantworten bis 100 Hertz und untersuchen, wie sich Amplitude und Phasenlage der Spulenbewegung mit der Anregungsfrequenz ändern. Über den größten Teil des getesteten Bereichs folgt das Modell dem realen Ventil eng, einschließlich subtiler Resonanzen und der verlangsamenden Wirkung höherer Zulaufdrücke. Wo Abweichungen auftreten — vor allem bei hohen Stellgrößen und starkem Durchfluss — deuten sie auf zusätzliche nichtlineare Effekte und hydrodynamische Details hin, die noch nicht vollständig erfasst sind.

Warum dieses detaillierte Bild nützlich ist

Um den praktischen Nutzen ihres Ansatzes zu zeigen, stellen die Autoren ihr physikbasiertes Modell einem einfacheren linearen Modell gegenüber, das häufig in der Regelungstechnik verwendet wird. Während die einfachere Version unter festen Bedingungen einige Messungen nachbilden kann, muss sie bei veränderten Betriebsbedingungen stets neu abgestimmt werden. Dagegen erlaubt das neue Modell Ingenieuren, physikalische Parameter wie Federsteifigkeit, bewegte Masse oder Reibungseinstellungen direkt anzupassen und dennoch realistische Vorhersagen zu erhalten. Für Maschinenhersteller bedeutet dies eine verlässlichere Methode, Regelstrategien und Ventildesigns am Rechner zu testen, bevor Hardware gebaut wird, sowie ein klareres Verständnis dafür, wie innere Reibung und Fluidkräfte die Gleichmäßigkeit und Geschwindigkeit hydraulischer Bewegungen prägen.

Zitation: Ledvoň, M., Hružík, L., Bureček, A. et al. Physics-based modeling and friction parameter identification of a proportional spool valve. Sci Rep 16, 15238 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46361-9

Schlüsselwörter: proportionales Spulenventil, hydraulische Regelung, Reibungsmodellierung, dynamische Reaktion, physikbasierte Simulation