Die Hydraulikventile von Thomas werden in der Entwicklung sowie in der Serie mit HLPD32 oder HLPD46 der Firma Texaco Rando getestet und validiert. Die Öltemperatur liegt im Betrieb bei 50°C (Viskosität bei 50°C zwischen 22cSt – 28cSt). 

Die hydraulischen Eigenschaften der Ventile werden überwiegend unter diesen genannten Randbedingungen getestet und im Lastenheft angegeben. Grundsätzlich sind auch andere Hydrauliköle verwendbar. Die Eigenschaften spezieller Öle können jedoch die technischen Eigenschaften des Ventils geringfügig beeinflussen, deren Einsatz sollte daher im Einzelfall erfragt werden.
 

Nach allgemeiner Erkenntnis sind mehr als 50% aller Probleme in einem Hydrauliksystem auf die Verschmutzung im verwendeten Medium zurück zu führen. Man unterscheidet hierbei drei unterschiedliche Arten von Verunreinigung: feste, gasförmige und flüssige Verunreinigungen. Bezugnehmend auf die Verunreinigung durch feste Partikel im Öl liegt die erforderliche Ölreinheit für den Einsatz der Thomas Ventile laut Lastenheft produktübergreifend bei mindestens 20/18/15 (nach ISO 4406) oder besser.
 

Das temperaturabhängigste Bauteil in einem Hydraulikventil ist die verbaute Spule. Durch Ihre kompakte Form und der hohen Leistungsdichte kann bei intensivem Betrieb und hohen Umgebungstemperaturen die höchste Temperatur erreicht werden. Auf ein Ventil wirken unterschiedliche Temperatureinflüsse. Diese einzelnen Einflüsse sind gesondert zu betrachten bei der Definition von Grenzwerten von zulässigen Temperaturen:

1. Die Außen-/Lufttemperatur (Lufttemperatur ggf. mit diversen äußeren Einflussquellen wie z.B.: Abgasstrang etc.) zulässige Lufttemperatur: -30°C bis +80°C
2. Die Blocktemperatur (Der Block/Cavity in dem das Ventil eingebaut ist hat eine bestimmte Betriebstemperatur) zulässige Blocktemperatur: max. 80°C an der Ventilflanschfläche bei 100% Einschaltdauer mit Imax
3. Die Öltemperatur (das Hydrauliköl fließt durch das Ventil bzw. in den Ankerraum) zulässige Öltemperatur: -30°C bis +105°C

Im Betrieb erreicht das Ventil unter Einfluss dieser drei Temperaturquellen in maximaler Höhe (80°C, 80°C, 105°C) und bei maximaler Bestromung eine Beharrungstemperatur von 175°C.

Die Spulen der Thomas Ventile sind so konzipiert, dass selbst unter anspruchsvollsten Bedingungen (Dauerbetrieb des Ventils sowie höchsten Temperaturen) eine Beschädigung der Spule fast nicht möglich ist. Die ansteigenden Temperaturen können jedoch im Extremfall die technischen Eigenschaften des Ventils einschränken. Durch die ansteigende Temperatur erhöht sich der Spulenwiderstand, sodass eine höhere Treiberspannung nötig ist. Bei sehr hohen Temperaturen (>180°C) in der Spule, kann dann der maximale Strom oft nicht mehr durch die Spule erzeugt werden (besonders bei relativ niedrigen Versorgungsspannungen) und das Ventil kann den maximalen Arbeitsdruck nicht mehr aufbauen.

Mit steigender Temperatur der Spule steigt auch der Widerstand der Spule (siehe auch Frage: Bis zu welcher Temperatur können die Ventile eingesetzt werden (Min. Spannung)?). Hierdurch ist eine höhere Treiberspannung von Nöten um den Maximalstrom aufzubringen. Es ist kundenseitig dringend erforderlich in Erfahrung zu bringen, welche Spannungsversorgung im worst-case auftreten kann und welche maximalen Betriebstemperaturen zur gleichen Zeit vorherrschen können, um sicher zu stellen, dass der maximal benötigte Betriebsdruck des Ventils noch getrieben werden kann. 
Gerne hilft die Entwicklungsabteilung des Geschäftsbereich Off Highway Solutions bei Ihren Fragen zur Berechnung/Auslegung des Systems.

Ja, ein PDMV-Ventil kann man auch als ON/OFF-Ventil verwenden. Das Ventil wird in diesem Fall zum Schalten direkt mit dem Maximalstrom beaufschlagt. Auch ohne Verwendung einer Stromregelung (Spannungsversorgung wird 1:1 auf das Ventil gegeben) kann das Ventil unter normalen Umgebungsbedingungen dabei nicht thermisch beschädigt werden.
Nachteil bei dieser Art der Verwendung kann allerdings der recht hohe Druckverlust über das Ventil sein (bis zu 6bar bei 4l/min). 

Für reine Schaltanwendungen empfiehlt es sich ein DCSD04 oder DCSD06 Schaltventil von Thomas zu verwenden. Diese Ventile haben die identische Einbaubohrung zu den Serien PDMV’s, haben jedoch einen optimierten Öffnungsquerschnitt für geringen Druckabfall und besitzen höhere Schaltleistungsgrenzen. 

MTTF ist Englisch und bedeutet „Mean time to failure“, übersetzt: „durchschnittliche Dauer bis zum Funktionsausfall“. Die Ventile (PPCP04 und PPCP06) wurden gemäß den grundlegenden und bewährten Sicherheitsprinzipien nach ISO 13849-2:2003 Tabellen C.1 und C.2 konstruiert. Hiernach liegt der MTTF-Wert bei 150 Jahren. Zur Erreichung des MTTF d -Wertes sind die Betriebsbedingungen dieser Spezifikation einzuhalten und die oben beschriebenen Sicherheitsprinzipien (ISO 13849-2:2003 Tabellen C.1 und C.2) für die Implementierung und den Betrieb zu berücksichtigen. 

Die (maximale) hydraulische Hysterese beschreibt bei den Thomas Ventilen die höchste gemessene Druckdifferenz zwischen aufsteigendem und absteigendem Druckverlauf, bei einer bestimmten Höhe der Bestromung. Das heißt das Ventil wird mit einer bestimmten Stromanstiegsgeschwindigkeit von 0 bis zum Maximalstrom hydraulisch ausgefahren und von dort umgekehrt identisch wieder vom Maximal- bis zum Nullstrom hydraulisch betätigt. Dabei wird der Druck über dem Strom in einem so genannten PI-Diagramm aufgezeichnet. 

Durch Reibung der beweglichen Teile im Ventil, die magnetische Remanenz und andere Effekte liegen der auf- und absteigende Kennlinienast nicht genau übereinander, sondern parallel verschoben neben einander. Um die hydraulische Hysterese des Ventils und damit auch die Effekte im Kundensystem so gering wie möglich zu halten, probiert man durch eine geeignete elektrische Ansteuerung die Hysterese zu verringern. Hierbei wird versucht, durch eine Modulation des Stromsignals (Dither) den Elektromagneten und damit auch den Ventilschieber in Schwingung zu versetzen. Liegt die verwendete Schwingungsfrequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz (des Gesamtsystems) so ist die Amplitude der Mikro-Schwingung der mechanischen Bauteile recht hoch und die effektive Reibung relativ niedrig, was zu einer Verminderung der Hysterese führt. Eine übliche Ansteuerung um die Hysterese zu reduzieren, ist das PWM-Signal (Pulsweitenmodulation) das auch gerne im Hochfrequenzbereich durch ein so genanntes Dithersignal überlagert wird.

Thomas Ventile arbeiten je nach Ausführung standardmäßig mit einem hydraulischen Pumpendruck von mindestens 35 bar, maximal jedoch 50 bar. Druckspitzen oder –schwankungen im Pumpendruck spielen innerhalb dieser Grenzen keine Rolle für die Ventilperformance und den eingestellten Arbeitsdruck des Ventils. Oberhalb von 50 bar können Beschädigungen an den O-Ringen der Ventilhülse stattfinden und zu interner Leckage führen. Für Sonderanwendungen mit max. 350 bar statischem Pumpendruck wurde ein Hochdruck-PDMV entwickelt. Durch die Wahl eines anderen O-Ringmaterials sowie durch zusätzlich Stützringe auf der Ventilhülse kann das Ventil mit dem höheren Druck beaufschlagt werden. 

Entgegen dem Pumpendruck spielt der Tankdruck hinter dem Ventil eine entscheidende Rolle für die Ventilfunktion. Der Tankdruck addiert sich eins zu eins auf den eingestellten Arbeitsdruck. Das heißt wenn bei einem Ventil ein Druck im Tankanschluss vorliegt beginnt die Kennlinie bei minimaler Bestromung nicht bei 0 bar, sondern bei dem jeweiligen Tankdruck. Von hier aus steigt der Druck bei weiter steigender Bestromung im gleichen Verhältnis wie sonst ohne Tankdruck. Der anliegende Tankdruck bedeutet also einen Offset der Kennlinienlage und ggf. einen Druckanstieg des Arbeitsanschlusses bis in die Sättigung (Arbeitsdruck ≈ Pumpendruck). 
Als Sicherheitsfunktion im Fehlerfall wurde ein weiteres Ventil entwickelt, dass einen höheren Tankdruck (210 bar statisch, 50 bar dynamisch) aushält. Hierbei kann jedoch keine Ventilfunktion stattfinden, es dient lediglich dazu dem Vertauschen von Tank und Pumpenanschluss kurzzeitig zu widerstehen.

Alle Ventile von Thomas für den Off Highway Markt sind nach DIN 40 050 Teil 9 getestet und entsprechen unabhängig von verbautem Stecker mindestens der Schutzklasse IP6K6 / IPX9K. Je nach Güte des Gegensteckers ist in den meisten Fällen auch IP67 möglich. Für Sonderanwendungen wurde aufgrund von Kundenanfragen zudem ein mediendichtes Ventil entwickelt, das die Schutzklasse IP6K8 sicher erfüllt. 

Alle Ventile sind standardmäßig mit einer Oberflächenbeschichtung ausgestattet, die einen Rostschutz garantiert. Eine Dickschichtpassivierung auf Zink/Nickel Basis schützt vor Korrosion und ist gleichzeitig lange beständig. Die Beschichtung garantiert eine Haltbarkeit von 192 Stunden im Salzsprühnebeltest ohne Rotrost.

Durch diverse Kundenanforderungen ist Thomas bestrebt höchste Sauberkeit und Qualität zu liefern. Für einige unserer Kunden werden Sauberkeitsanforderungen von größter harter Partikel ≤600µm erreicht. Hierfür wurde die komplette Wertschöpfungskette: Lieferantenfertigung, eigene Fertigung, Lagerung, Bauteilhandling sowie Verpackung und Versand hinsichtlich Schmutzeintrag analysiert und optimiert. Im Detail wurden sogar Einzelteile durch die Konstruktion so verändert, dass weniger Schmutzeintrag durch die spätere Fertigung entsteht.

Die Produktsauberkeit wird im Thomas internen Sauberkeitslabor verifiziert und überwacht. Durch Lichtmikroskope und ein REM (Rasterelektronenmikroskop) werden Partikelanzahl und –material für Fertigungslose von gelieferten Einzelteilen sowie für die inhouse gefertigten Komplettgeräte bestimmt. Eine Auswertung über Wochen und Monate gibt Aufschluss über die langfristige Qualität und Probleme in einigen Prozessen.

Es gibt diverse Ansteuerungsarten für die Ventile von Thomas (Gleichstrom, PWM, PWM+Dither). Die Ansteuerung kann einen erheblichen Einfluss auf die Performance des Ventils haben und auch auf die des Kundensystems. Beispielsweise wird die Hysterese und die Regelgüte des Ventils besser, wenn das Ventil anstatt mit Gleichstrom mit einem PWM-Signal (Pulsweitenmodulation) oder einem überlagerten Dither-Signal angesteuert wird. Die meisten Kunden versuchen durch eine spezielle elektrische Ansteuerung des Ventils u.a. ihr Kundensystem zu optimieren.

Exkurs: Proportionaldruckminderventile werden überwiegend als Vorsteuerventile für Hauptdruckstufen verwendet. Hierbei sollen die Ventile durch Aufbau des Arbeitsdruckes im Kundensystem den Hauptschieber möglichst schnell auf eine gewünschte Position bewegen. Um eine hohe Dynamik und kurze Reaktionszeit des Schiebers im Kundensystem zu erreichen, wird versucht die Haftreibung des Schiebers in der Hauptstufe zu eliminieren, indem man den Schieber zu jedem Zeitpunkt in der Einbaubohrung mikrofrequent oszillieren lässt. Diese Mikro-Schwingungen des Hauptschiebers werden mittels des Drucksignals der Proportionalventile erzeugt, die wiederum abhängig von dem anliegenden Stromsignal sind. Es ist somit möglich ein oszillierendes Stromsignal auf die Ventile zu geben, damit der Arbeitsdruck in gleicher Form pulsiert und das Kundensystem somit anregt.

Die üblichste Ansteuerung der Ventile ist ein PWM-Signal (pulse with modulation) im Kiloherzbereich das meist überlagert wird mit einem Dither-Signal zwischen 90Hz und 125Hz und einer Amplitude von 100 – 200mA (peak-to-peak). 

Jeder Kunde entwickelt je nach Anwendungsfall, Möglichkeiten seines Steuergerätes und Beschaffenheit (Qualität) der Mechanik, seine eigene elektrische Ansteuerung. 

Das Ventil kann kurzzeitig mit bis zu 10% des angegebenen max. Stroms überbestromt werden, ohne dass es Schaden nimmt oder die Funktion beeinträchtigt wird. Allerdings steigt hierdurch die Temperatur des Ventils stärker an, sodass bei vermehrtem Überbestromen eine höhere Treiberspannung benötig wird, da der Widerstand des Ventils steigt. (siehe auch Thema „Einsetzbarkeit bis zu welcher Temperatur“)

Wenn dauerhaft ein höherer Arbeitsdruck im Kundensystem durch das PDMV benötig wird, muss ggf. auf die nächste Druckstufe der PDMV’s zurückgegriffen werden. Diese gibt es neben einigen Sonderventilen grundsätzlich in 20, 25 oder 32 bar Arbeitsdruck.

Die Induktivität der Spulen wird über die Phasenverschiebung ermittelt, die sich bei Beaufschlagung der Spule mit einer def. Wechselspannung bei einer def. Frequenz einstellt.

Es wurden Messungen mit 100mV Wechselspannung (peak-to-peak) in unterschiedlichen Frequenzen gemacht.

Durch den modularen Ventilbaukasten gibt es bereits eine hohe Vielzahl von unterschiedlichen Ventilvarianten die bereits in Serie produziert werden.  Unterschiedliche Arbeitsdruckstufen, Spannungsvarianten, Steckervarianten, Ventilhülsengeometrien, Dichtelemente, Durchfluss- und Leckageeigenschaften in unterschiedlichsten Ausführungen.

Ja, es gibt bereits Ventilvarianten (PPCD04) die lose Kabelenden mit angelöteten Steckerpins besitzen. Thomas bietet an, je nach Anforderung, auch verzinnte Kabelenden sowie einen Deutsch- oder AMP-Stecker an das Ende des Kabels zu konfektionieren.

Derzeit gibt es keine Ventile mit Handnotfunktion im Deutsch-Stecker. Die Summe der Anfragen beschränkt sich bisher auf die AMP-Stecker mit Handnot. Grundsätzlich ist eine Version mit Deutschstecker möglich, bedeutet jedoch erhöhten Kostenaufwand und eine aufwendige längere Validierung. Oftmals rechnet es sich für geringe Stückzahlen eher einen Adapterstecker (Gegenstecker-Deutsch auf AMP Junior Timer) an den Kabelbaum zu stecken, den man bei diversen Zulieferern erwerben kann. 

Grundsätzlich ist eine Diode im Ventil nötig, wenn das Steuergerät des Kunden keine Freilaufdiode beinhaltet (nur selten der Fall). Dabei besteht die Gefahr, dass die Steuerung Schaden nehmen kann, wenn von den Ventilen beim Abschalten durch Ihre Induktivität eine gewisse Energie (0,3 Joule in ca. 6ms) zurück zur Steuerung fließt. Es werden zurzeit schon Ventile mit Diode gefertigt. Diese werden jedoch nur als On/Off-Ventil verwendet und in sehr geringen Stückzahlen produziert. Die verwendete Diode ist die UF54004 mit bis zu 100V Rückwärts-Spitzensperrspannung.

Es werden in den Ventilen je nach Anforderungen unterschiedliche O-Ringe verbaut. Je nach Temperaturbereich, Medienbeständigkeit und anstehendem Druck werden in den Ventilen O-Ringe aus NBR, HNBR oder FKM-Material verbaut. Auch die Härte variiert je nach Einsatzbereich bei den Materialien zwischen 70 und 90 IRHD (≙ Shore-A). 

Je nach Auslegung können die O-Ringe in einem Temperaturbereich von -30°C bis +180°C eingesetzt werden. Es können mittels Unterstützung durch „Stützringen“ Drücke von bis zu 350 bar im Pumpenanschluss abgedichtet werden. 

Die meisten Ventile bei Thomas sind in ihrer Standardvariante mit einem Filterelement im Pumpenanschluss ausgestattet (Optional kann dieser auch weggelassen werden). In erster Linie möchte man hiermit den Eintrag von Schmutzpartikeln von außen in das Ventil und auch in das Gesamtsystem verhindern. Die Maschendrahtweite eines Filters kann ggf. Auswirkungen auf die Ventilfunktion haben. Sie kann einen ungewollten Druckabfall bewirken oder sogar den maximalen Volumenstrom begrenzen. Es kann zusätzlich zur Pulsation durch das Filtergewebe vor dem Druckanschluss kommen. Die Filterelemente haben je nach nominellem Durchfluss eine Maschenweite von 128µm für PPCD04, 140µm für PPCD06 und 320µm für PPCP09 Ventile.

In den Anfängen des Geschäftsbereiches Off Highway Solutions wurden zur besseren Unterscheidung der Ventilvarianten unterschiedliche Farbe für den Spulenkunststoff gewählt, um 12V und 24V-Spulen visuell direkt unterscheiden zu können. 12V Spulen sind Moos-grau, 24V Spulen sind schwarz.

Es gibt zurzeit 9 verschiedene Einbaubohrungen (auch Cavity genannt). Auf den jeweiligen Maßblattzeichnungen der Ventile findet man auch die exakte, tolerierte Einbaubohrung die zur Montage vorhanden sein muss. Die Cavities werden im Kundensystem durch einen Formbohrer erstellt (nachdem ggf. ein Loch vorgebohrt wurde).

Die Ventile werden in standardisierten Verpackungen an alle Kunden versandt.

• PPCD04: 35 Stk mit Schutzkappe über Ventilhülse im Karton mit Gefache
• PPCD06/DCSD06: 20 Stk im Karton, stehend im Kunststofftray
• PPCP09: 30 Stk im Karton, stehend im Kunststofftray

Alle Ventile bekommen während dem Fertigungsprozess standardmäßig eine Kennzeichnung durch einen „Nadelpräger“. Hierbei werden auf das Gehäuse die benötigten Informationen wie Artikelnummer, Herstellungsdatum sowie Spannungsvariante und/oder Druckstufe geprägt. Je nach Kundenwunsch können unterschiedliche Informationen bis hin zu Logos oder QR-Codes mit Produktionsinformationen auf das Ventil geprägt werden. Da die Prägung die Oberflächenbeschichtung nicht beschädigt, sondern nur das Material des Gehäuses deformiert, bleibt der ausgewiesene Rostschutz gewährleistet. Diese Art der Produktkennzeichnung ist für die Nachverfolgbarkeit des Ventils bei einer Reklamation notwendig. Die Ventile werden oftmals von Kunden überlackiert und müssen dennoch im Schadenfall nach entfernen/abkratzen der Farbe eindeutig identifizierbar sein, dies wird durch die Prägung gewährleistet. Etiketten oder leichte Laserbeschriftungen bieten hierbei oftmals nicht die gewünschte Robustheit der Gehäuseoberfläche, nachdem die Farbe des Kunden entfernt wurde.

• Vibrations und Mechanical Shock test
• Salzsprühnebeltest
• Körperschluss
• TWT
• Temperatur Shock Test
• Dauerlauf (in der Regel 10 Mio Schaltungen)
• Humidity Cycling Test
• Burst Pressure Test
• Druckpulsationstest

Eine CE-Kennzeichnung ist für die Thomas Ventile nicht erforderlich, da sie keine „aktive Elektronik“ besitzen. Lediglich die elektrohydraulischen Produkte wie die UPC, EHA oder das I-Valve müssen eine CE-Kennzeichnung erhalten und besitzen damit auch eine CE-Konformitätserklärung.

Seit Ende 2013 gibt es nahezu alle Hydraulikventile auch als ATEX-zertifizierte Gerätevarianten. Zusätzlich wurden die Ventile hierbei auch nach den internationalen Normen IECEx für Geräte zur Verwendung in explosionsgefährdeter Umgebung vom TÜV zertifiziert. Weiterhin sind Zertifizierungen nach MSHA geplant.

Die ATEX/IECEx zertifizierten Geräte von Thomas können nach Stand der Zertifizierung in Zone 1 oder 2 sowie 21 oder 22 eingesetzt werden. Weitere Erläuterungen bzgl. der Schutzklasse und dem Einsatzgebiet laut Prägung:

Ex I : countries related to directive 94/9/EC.

Ex II 2G Ex mb (= incapsulation with high protection level for use in Zone 1 or 2) IIC (=explosion group referred to different groups of gases) T4 (=max surface temperature = 135°C) Gb (= additional information Equipment Protection Level EPL for use in Zone 1 or 2 – G=gas area).
This information is related only to usage in gas areas.

Ex II 2D Ex mb (= incapsulation with high protection level for use in Zone 21 or 22) IIIC (=explosion group referred to different groups of dusts)  T130 °C (=max surface temperature)   Db (=additional information Equipment Protection Level EPL for use in Zone 1 or 2 – D=dust area)
This information is related only to usage in dust areas.

Thomas unterstützt die Ziele aus den REACH- und RoHS-Gesetzgebungen und legt Wert darauf, keine Konfliktmineralien in den Produkten einzusetzen. Die daraus resultierenden Anforderungen werden bereits vor Auftragsvergabe an die Lieferanten weitergegeben und die Informationen werden dementsprechend geprüft. Nachweise zur Verwendung der einzelnen Stoffe/Materialien können damit von Thomas erstellt und an die Kunden weitergegeben werden. 

EMV / EMC Test:

EMV steht für elektromagnetische Verträglichkeit, EMC als englische Übersetzung für electromagnetic comptability. Unter diesem Fachbegriff bezeichnet man die Resistenz einer „aktiven“ Elektronik gegen das Einwirken von äußeren elektromagnetischen Feldern. Bei dem EMV-Test werden die zu testenden Produkte in einem Versuch diversen elektromagnetischen Feldern mit unterschiedlichsten Frequenzen, Amplituden und Feldstärken ausgesetzt. Dabei wird Ihre Funktion bzw. der Zustand der Elektronik an geeigneten Messpunkten überwacht, um ungewollte elektrische Impulse zu erkennen.
Als Versuchsgrundlage gelten hier die folgenden Normen: EN ISO 14982/2, DIN ISO 61000-4-2, ISO 7637 1-3,  2000/2/EC und CISPR 25  

Die reinen Thomas Ventile sind nicht mit einer aktiven Elektronik ausgestattet und müssen daher keine EMV Tests durchlaufen. Dies obliegt überwiegend dem Kunden mit seinen Komplettsystemen. Die Produkte mit Elektronik (EHA, EMA & UHC, „Elektrohydraulischer Aktuator“, „Elektromechanischer Aktuator“ und „Univeral hydraulic controller“) werden nahe den genannten Normen getestet.