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Die
Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung, die einen Hauptzylinder
mit einem Hauptkolben und einen Federzylinder mit einem Federkolben
aufweist, wobei der Hauptkolben in seine beiden Bewegungsrichtungen
mit Druck beaufschlagbar ist und der Federkolben in eine Richtung
durch den Druck einer Feder und in entgegengesetzter Richtung durch
einen Betriebsdruck beaufschlagbar ist, wobei ein Druckraum des
Federzylinders mit einer ersten Druckkammer des Hauptzylinders verbindbar
ist und eine zweite Druckkammer des Hauptzylinders mit einer Versorgungsleitung
verbunden ist.
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Derartige
Stellvorrichtungen werden z.B. für die
Betätigung
von Ventilklappen eingesetzt. Sie weisen in der Regel einen hydraulisch
wirkenden Zylinder auf, der in einem Gehäuse untergebracht ist, wobei
die Kolbenstange durch eine Öffnung
in einem Ende des Gehäuses
austritt.
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Bei
linear bewegten Ventilklappen wird die lineare Bewegung der Kolbenstange
meist direkt übertragen.
Bei schwenkbaren Ventilklappen muß die lineare Bewegung des
Kolbens erst in eine Rotation umgewandelt werden. Dies geschieht
z.B. mit Hilfe eines Steilgewindes zwischen Kolbenstange und Gehäuse, das
zu einer Rotation der Zylinderstange führt. Eine andere Möglichkeit
stellt die Verwendung einer Zahnstange mit einem entsprechenden
Ritzel dar, wobei die Umwandlung der linearen Bewegung in eine rotatorische
Bewegung dann typischerweise außerhalb
des Gehäuses
erfolgt.
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Es
wird zwischen doppelt wirkenden und einfach wirkenden Stellvorrichtungen
unterschieden. Doppelt wirkende Stellvorrichtungen werden über zwei
Druckleitungen gesteuert, wobei durch Anlegen eines Steuerdrucks
an eine erste Druckleitung ein Öffnen
und durch Anlegen des Steuerdrucks an eine zweite Druckleitung ein
Schließen
der Ventilklappe erfolgt. Doppelt wirkende Stellvorrichtungen werden normalerweise
nach dem Drehmoment und dem Drehwinkel bzw. nach der Hubkraft und
der Hublänge dimensioniert,
was für
ein zuverlässiges
Betätigen der
Ventilklappe erforderlich ist.
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Einfach
wirkende Stellvorrichtungen kommen dagegen mit einer einzigen Steuerdruckleitung aus.
Dabei wird der Kolben durch den Steuerdruck entgegen der Kraft einer
Feder bewegt, die bei Verringerung des Steuerdrucks für die Rückstellbewegung
des Kolbens sorgt. Das hat den Vorteil, daß auch bei einer Störung, beispielsweise
einem Druckverlust in der Steuerleitung, eine Rückstellbewegung des Kolbens
erfolgen kann. Bei Ventilklappen erfolgt häufig das Öffnen der Klappen durch das
Anlegen eines Steuerdrucks, während
das Schließen
durch die Federkraft erfolgt. Dadurch wird sichergestellt, daß das Ventil
auch bei einer Störung
des Systems geschlossen wird. Das Ventil kann aber auch andersherum
gesteuert werden, so daß es
sich beim Anlegen eines Steuerdrucks schließt.
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Die
Dimensionierung der Feder erfolgt anhand der erforderlichen Schließkraft,
wobei sowohl Verluste in den Federn als auch das Nachlassen der Federkraft
bei abnehmender Federspannung berücksichtigt werden. Als Federn
werden z.B. Teller- oder Schraubfedern verwendet, die zwischen einer
der Kolbenseiten und dem entsprechenden Ende des Gehäuses verspannt
werden. Auch der Einsatz verschiedener Arten von Gasfedern ist bekannt.
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Ein
Nachteil derartig ausgebildeter einfach wirkender Stellvorrichtungen
besteht darin, daß der Kolben
ständig
der Federkraft ausgesetzt ist. Neben der Stellkraft zum Betätigen der
Ventilklappe muß also
auch noch eine Kraft aufgebracht werden, die die Federkraft ausgleicht.
Diese Kraft könnte
durch eine Erhöhung
des Steuerdrucks aufgebracht werden, was allerdings häufig nur
aufwendig realisierbar ist. Deshalb wird in der Regel die wirksame
Kolbenfläche
vergrößert. Durch
den größeren Querschnitt steigt
bei gleichem Steuerdruck auch die gesamte Spannung im Gehäuse, so
daß die
Gehäuse
entsprechend kräftiger
ausgelegt werden müssen.
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Das
führt dazu,
daß einfach
wirkende Stellvorrichtungen mehr Bauraum benötigen als doppelt wirkende
Stellvorrichtungen bei gleichem Drehmoment bzw. gleicher Hubkraft.
Dadurch entstehen höhere
Fertigungs- und Trans portkosten. Darüber hinaus wirkt sich die größere Bauweise
gerade beim Einsatz der Stellvorrichtungen an Bord von Schiffen negativ
aus, da das Mehrgewicht eine vibrationssichere Montage erschwert.
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Die
Erfindung geht aus von einer Verstellvorrichtung, wie sie aus
DE 195 43 237 A1 bekannt
ist. Dort ist eine hydraulische Stellvorrichtung offenbart, die
einen Hauptzylinder und einen davon getrennt angeordneten Federzylinder
aufweist. Durch die getrennte Anordnung erfolgt das Spannen der
Feder nicht über
den Hauptkolben, so daß der
Hauptzylinder kleiner dimensioniert werden kann, als bei üblichen
einfach wirkenden Stellvorrichtungen.
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Der
Hauptkolben wird in Öffnungsstellung bewegt,
indem eine erste Druckkammer des Hauptzylinders mit dem Steuerdruck
beaufschlagt wird. Dabei wird gleichzeitig ein Druckraum des Federzylinders
mit dem Steuerdruck beaufschlagt, so daß die Feder komprimiert wird.
Eine Verringerung des Betriebsdrucks, ob durch eine Störung oder
einen absichtlichen Eingriff, führt
zu einer Entspannung der Feder. Dadurch wird Druckmittel aus dem
Druckraum des Federzylinders in eine zweite Druckkammer des Hauptzylinders
gedrückt.
Da die erste Druckkammer des Hauptzylinders zumindest einen verringerten Druck
aufweist, wird der Hauptkolben in Schließstellung bewegt. Die Federkraft
wird also bei Druckabfall hydraulisch auf den Hauptkolben übertragen.
Dabei kann eine Übersetzung
der Federkraft erfolgen, wodurch z.B. eine kürzere Federlänge verwendet
werden kann, was zu einer kompakteren Bauform führt. Durch die hydraulische Übertragung
wird auch die Schwingungsneigung der Stellvor richtung vermindert,
da die Hydraulikflüssigkeit
als Dämpfung
dient.
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Aus
EP 0 902 195 A1 ist
eine Stellvorrichtung bekannt, bei der ein Federzylinder außerhalb
des Hauptzylinders angeordnet ist. Der Federzylinder wird durch
den Steuerdruck vorgespannt, der auch zur Betätigung des Hauptzylinders dient.
Bei Druckabfall wird die Federkraft mechanisch auf den Hauptkolben übertragen,
wobei dabei keine Übersetzung der
Federkraft vorgesehen ist.
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Bei
den bekannten Stellvorrichtungen nimmt die Stellkraft, die durch
die Feder erzeugt wird und den Hauptkolben zurück in die Schließstellung
bewegen soll, mit zunehmender Entspannung der Feder ab.
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Wird
durch den Hauptkolben eine Ventilklappe bewegt, soll diese in der
Regel in der Schließstellung
einrasten, um einen zuverlässigen
Sitz der geschlossenen Ventilklappe zu gewährleisten. Dafür ist am
Ende der Schließbewegung
eine zusätzliche Kraft
erforderlich. Die Feder wird nach der Kraft bemessen, die für ein sicheres
Schließen
der Ventilklappe erforderlich ist, was am Ende der Stellbewegung
erfolgt. Das führt
dazu, daß die
Feder über
einen großen
Bereich überdimensioniert
ist, da die Federkraft mit zunehmender Entspannung der Feder abnimmt.
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Am
Anfang der Rückstellbewegung
ist häufig eine ähnlich große Kraft
erforderlich, wie zum sicheren Halten am Ende der Bewegung, da zuerst
die statische Reibung der stillstehenden Ventilklappe überwunden
werden muß.
Während
des größten Teils
der Schließbewegung
ist dagegen nur eine geringere Kraft erforderlich. Die bekannten
Stellvorrichtungen sind also in einem großen Bewegungsbereich überdimensioniert,
was ein Mehrgewicht verursacht und außerdem grundsätzlich die
Gefahr erhöht,
die Kolbenstange oder eine Spindel der Ventilklappe zu überlasten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach wirkende Stellvorrichtung
effektiver zu gestalten.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Stellvorrichtung der eingangs genannten Art
dadurch gelöst,
daß die wirksame
Federkolbenfläche
veränderlich
ist.
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Da
der Schließdruck,
der durch den Federkolben aufgebracht werden kann, dem Verhältnis der Federkraft
zur wirksamen Federkolbenfläche
entspricht, kann durch eine Verringerung der wirksamen Federkolbenfläche das
Nachlassen der Federkraft aufgrund der zunehmenden Ausdehnung der
Feder kompensiert werden. Dabei ist es möglich, am Anfang und am Ende
der Rückstellbewegung
gleiche Drücke
an der Schließseite
des Hauptkolbens zu erzeugen, während
im mittleren Teil der Schließbewegung
geringere Drücke
herrschen.
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Durch
die veränderliche
wirksame Federkolbenfläche
kann der Federzylinder nach der für die Durchführung der
Schließbewegung
notwendigen Volumenänderung
dimensioniert werden, wobei sich der Kraftbedarf am Ende der Schließbewegung hauptsächlich auf
das Verhältnis
der wirksamen Federkolbenflächen
auswirkt. Da der Hauptkolben nicht zur Spannung der Feder beitragen
muß und
der am Ende der Schließbewegung
vorhandene Schließdruck
auf den Hauptkolben bei entsprechender Auslegung des Federzylinders ähnlich dem
Betriebsdruck wirkt, kann der Hauptkolben nach den gleichen Kriterien
dimensioniert werden, wie sie doppelt wirkenden Stellvorrichtungen
zugrunde gelegt werden. Die Stellvorrichtung wird damit kleiner
als bekannte einfach wirkende Stellvorrichtungen. Dabei ist denkbar,
das Federgehäuse
auch räumlich
getrennt vom Hauptgehäuse
anzuordnen. Die Größe der wirksamen
Federkolbenfläche
kann beispielsweise von der Position des Hauptkolbens oder von dem
Druck in einzelnen Druckkammern und Druckleitungen abhängig sein.
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Vorzugsweise
ist die wirksame Federkolbenfläche
von der Position des Federkolbens abhängig. Dadurch ergibt sich ein
einfacher Aufbau, da der Federkolben als mechanisches Betätigungselement beispielsweise
für Ventilvorrichtungen
dienen kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist der Federzylinder mindestens zwei voneinander getrennte Druckräume auf,
die an der gleichen Seite des Federkolbens angeordnet sind, wobei
die Anzahl der wirksamen Druckräume
veränderbar
ist. Mit Hilfe einer veränderbaren
Anzahl von Druckräumen
läßt sich
auf einfache Art und Weise die wirksame Federkolbenfläche beeinflussen.
Am Anfang und während des
größten Teils
der Schließbewegung
stehen beispielsweise zwei Druckräume unter Druck, während am
Ende der Bewegung nur noch ein Druckraum unter Druck steht. Dadurch
wird die wirksame Federkolbenfläche
am Ende der Schließbewegung
kleiner als am Anfang der Schließbewegung, so daß ein höherer Druck
erzeugt werden kann. Eine Erhöhung
der Anzahl der entgegen der Federkraft wirkenden Druckräume bei
entsprechender Ausle gung dieser Druckräume kann prinzipiell zur Erzeugung
beliebiger Kraft- bzw. Drehmomentcharakteristiken genutzt werden.
Die Anzahl der wirksamen Druckräume
kann beispielsweise in Abhängigkeit
von der Position des Hauptkolbens gesteuert werden.
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Dabei
ist besonders bevorzugt, daß die
Anzahl der wirksamen Druckräume
des Federzylinders von der Position des Federkolbens abhängig ist.
Dadurch kann gewährleistet
werden, daß an
jeder Position des Federkolbens auch die vorbestimmte Anzahl an
Druckräumen
wirksam ist. Gleichzeitig kann der Federkolben als Stellglied beispielsweise
für Ventilelemente
verwendet werden. Derartige Ventile können z.B. dafür eingesetzt
werden, einzelne Druckräume zu
einem Tank zu entlasten.
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Vorzugsweise
weist die Stellvorrichtung ein Steuerventil auf, das die Druckräume des
Federzylinders mit der Versorgungsleitung verbindet, wobei in einer
ersten Stellung ein Druckausgleich von den Druckräumen des
Federzylinders zur Versorgungsleitung verhindert und in einer zweiten
Stellung freigegeben wird. Dieses Steuerventil sorgt also dafür, daß durch
den Steuerdruck ein Druck in den Druckräumen des Federzylinders erzeugt
werden kann, so daß der
Federkolben entgegen der Federkraft ausgelenkt wird. Wird bei verringertem
Steuerdruck das Ventil in die zweite Stellung bewegt, wird mindestens ein
Druckraum des Federzylinders zur Versorgungsleitung entlastet, wodurch
sich die wirksame Federkolbenfläche
verringert. Das Steuerventil kann dabei beispielsweise durch ein
mechanisches Element, was mit dem Federkolben im Eingriff steht,
entgegen der Kraft einer Feder in die zweite Stellung bewegt werden.
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Vorteilhafterweise
ist in der Verbindung zwischen dem Druckraum des Federzylinders
und der ersten Druckkammer des Hauptzylinders ein Ventil angeordnet.
Durch dieses Ventil wird sichergestellt, daß beim Anliegen eines Steuerdrucks
an der zweiten Druckkammer des Hauptzylinders dieser Druck nicht
auch über
den Druckraum des Federzylinders in die erste Druckkammer des Hauptzylinders
gelangt und damit einer Bewegung des Hauptkolbens entgegensteht.
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Bevorzugterweise
ist die Stellung des Ventils vom Druck in der Versorgungsleitung
abhängig,
wobei bei Anliegen eines Mindestdrucks die erste Druckkammer des
Hauptzylinders entlastet wird und bei zu geringem Druck zumindest
einer der Druckräume
des Federzylinders mit der ersten Druckkammer des Hauptzylinders
verbunden ist. Durch die Entlastung der ersten Druckkammer wird
sichergestellt, daß der
Hauptkolben durch den Steuerdruck bewegt werden kann. Dabei erfolgt
die Entlastung in der Regel zu einem Tank. Da das Ventil vom Druck
der Versorgungsleitung abhängig
ist, erfolgt automatisch eine Verbindung des Druckraums des Federzylinders zur
ersten Druckkammer des Hauptzylinders, sobald in der Versorgungsleitung
ein Druckabfall auftritt. Dadurch wird der Kolben automatisch zurück bewegt, ohne
daß eine
externe Einflußnahme
benötigt
wird. Dadurch ist ein sicheres Schließen auch im Havariefall gewährleistet.
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Vorteilhafterweise
ist die zweite Druckkammer des Hauptzylinders direkt zum Tank entlastbar. Dadurch
kann verhindert werden, daß der
Hauptkolben beispielsweise in einer Zwischenstellung verharrt, wenn
nur ein verringerter Steuerdruck zur Verfügung steht. Durch die Entlastung
der zweiten Druckkammer wird vielmehr dafür gesorgt, daß der Hauptkolben
durch den Federzylinder zurück
in seine Ausgangsstellung bewegt wird.
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Es
ist besonders bevorzugt, daß die
Druckleitungen in Wänden
der Zylinder angeordnet sind. Eine derartige Ausführung ergibt
eine kompakte, störunanfällige Stellvorrichtung,
da keine externen Leitungen zwischen Federzylinder und Hauptzylinder verlegt
werden müssen.
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Vorzugsweise
weist der Federzylinder mindestens ein Rückschlagventil auf, das zwischen
den Druckräumen
des Federzylinders angeordnet ist. Durch ein solches Ventil wird
ein Druckausgleich zwischen den Druckräumen des Federzylinders verhindert,
wenn einer dieser Druckräume
entlastet wird, um die wirksame Federkolbenfläche zu verringern. Wird ein
Steuerdruck angelegt, wird durch diesen das Rückschlagventil geöffnet, so
daß alle
Druckräume des
Federzylinders mit Druck beaufschlagt werden können.
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Vorzugsweise
ist der Federkolben zweistufig ausgeführt. Durch eine zweistufige
Ausführung
des Federkolbens können
auf einfache Art und Weise zwei getrennte Druckräume realisiert werden. Die Abdichtung
zwischen diesen Druckräumen
erfolgt dann über
den Federkolben.
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Bevorzugterweise
weist der Federkolben mehrere Federkolbenflächen auf, die sich in Bewegungsrichtung
zumindest teilweise überlappen.
Dabei kann es sich z.B. um mehrere, aneinandergereihte, zusammengesetzte
Kolben handeln. Die Kraftübertragung
zwischen den einzelnen Teilkolben kann dabei sowohl mechanisch als
auch hydraulisch erfolgen.
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Vorzugsweise
weist der Hauptzylinder ein Übertragungselement
auf, das aufgrund der Bewegung des Hauptkolbens rotiert. Dafür wird das Übertragungselement
bei rotierendem Hauptkolben mit diesem drehfest und axial beweglich
verbunden. Führt
der Hauptkolben nur eine translatorische Bewegung durch, kann das Übertragungselement
z.B. durch ein zwischen ihm und dem Hauptkolben angeordnetes Gewinde
zum Rotieren gezwungen werden. An ein derartiges Übertragungselement
kann eine schwenkbare Ventilklappe z.B. direkt angekoppelt werden.
Dadurch kann auf ein zusätzliches Übersetzungsgetriebe
verzichtet werden.
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Dabei
ist besonders bevorzugt, daß das Übertragungselement
eine Aufnahme aufweist, die eine formschlüssige Verbindung zu einem Abtriebselement
ermöglicht.
Durch die Integration einer Aufnahme in das Übertragungselement kann eine
Spindel der Ventilklappe mit dem Übertragungselement leicht verbunden
werden. Durch eine Normierung dieser Aufnahme ist dabei auch ein
einfacher Austausch der Ventilklappen oder der Stellvorrichtungen untereinander
möglich.
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Vorzugsweise
weist die Stellvorrichtung eine Welle auf, die sich durch die gesamte
Stellvorrichtung erstreckt. Die Welle kann als einzelnes Bauteil oder
als Teil des Übertragungselements
ausgebildet sein. Sie dreht sich mit dem Übertragungselement bzw. dem
Hauptkolben und kann zur Positionsanzeige und zur Steuerung von
Ventilen der Stellvorrichtung dienen. Es ist ebenfalls denk bar,
in Abhängigkeit der
Stellung der Welle die Anzahl der wirksamen Druckräume zu steuern.
In die Welle können
auch Druckleitungen integriert sein, so daß auf zusätzliche Leitungen verzichtet
werden kann.
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Dabei
ist besonders bevorzugt, daß die
Welle mehrteilig ausgeführt
ist. Eine mehrteilige Ausführung
der Welle erleichtert die Montage bzw. Demontage des Federzylinders,
da dieser wegen der notwendigen Federvorspannung nur unter Zuhilfenahme
von schweren Maschinen zerlegt werden kann. Dabei ist eine Teilung
der Welle in axialer Richtung besonders günstig, obwohl eine konzentrische
Teilung ebenfalls möglich
ist.
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Vorzugsweise
weist die Feder in jeder Position des Federkolbens eine Vorspannung
auf. Dadurch wird sichergestellt, daß die Feder auch in der Schließposition,
also bei maximal möglicher
Ausdehnung, eine Kraft aufbringen kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Hauptzylinder und der Federzylinder auf einer gemeinsamen
Achse angeordnet. Dadurch kann einerseits Material eingespart und
andererseits eine Ventilanordnung günstig zwischen den beiden Zylindern angeordnet
werden, da an dieser Stelle mechanische Signale, die die Positionen
beider Kolben und der Ventilklappe wiedergeben, besonders leicht
zugänglich
gemacht werden können.
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Vorzugsweise
weist mindestens einer der Federdruckräume einen Drucksensor auf.
Durch einen solchen Sensor läßt sich
ein Signal erzeugen, das beispielsweise an eine übergeordnete Sicherheitseinrichtung
weitergeleitet werden kann, sobald ein ungewollter Druckabfall auftritt.
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Vorzugsweise
weist die Stellvorrichtung mindestens ein mechanisches Element auf,
das zwischen Hauptkolben und Federkolben angeordnet ist, wobei über das
mindestens eine mechanische Element bei bis zum Anschlag entspannter
Feder axiale Kräfte
und bei bis zum Anschlag gespannter Feder keine axialen Kräfte zwischen
Hauptkolben und Federkolben übertragbar
sind. Ein solches mechanisches Element kann dabei unabhängig von
der Ausführungsform
des Federzylinders eingesetzt werden, d.h. auch bei Federzylindern,
bei denen die wirksame Federkolbenfläche nicht veränderbar
ist. Durch diese mechanischen Elemente kann die Kraft, die die Feder
auf den Federkolben ausübt,
auch dann auf den Hauptkolben übertragen
werden, wenn die Verbindungsleitung zwischen einem Druckraum des
Federzylinders und der ersten Druckkammer des Hauptzylinders undicht
ist, wodurch die Feder entspannt. Das Schließen oder zumindest das Nichtöffnen der
Ventilklappe wird also auch im Falle von Undichtigkeiten innerhalb
der Stellvorrichtung gewährleistet.
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Vorzugsweise
ist die Länge
des mindestens einen mechanischen Elements geringer als der ordnungsgemäße Abstand
zwischen Hauptkolben und Federkolben. Während bei ordnungsgemäßem Betrieb
keine Kraftübertragung
durch das mechanische Element vom Federkolben auf den Hauptkolben möglich ist,
verringert sich bei einer Undichtigkeit der Abstand zwischen Hauptkolben
und Federkolben und es erfolgt eine mechanische Kraftübertragung vom
Federkolben auf den Hauptkolben mit Hilfe der me chanischen Elemente.
Wird die Bewegung des Federkolbens auf den Hauptkolben im Normalfall durch
ein flüssiges
Druckmittel übertragen,
führt der Gebrauch
der mechanischen Elemente zu einem plötzlichen Druckabfall innerhalb
der Druckräume des
Federzylinders. Durch die mechanischen Elemente wird also die Sicherheit,
daß eine
Rückstellbewegung
erfolgt, erhöht.
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Vorzugsweise
ist das mechanische Element druckdicht und axial verschiebbar in Öffnungen
in einer Wand zwischen Hauptzylinder und Federzylinder gelagert.
Dadurch ist ein besonders einfacher Aufbau der Stellvorrichtung
möglich,
wenn der Hauptzylinder und der Federzylinder auf einer gemeinsamen
Achse angeordnet sind. Dabei dient die Wand zum einen zur Führung des
mechanischen Elementes, zum anderen zur Trennung des Druckraums
des Federzylinders und der ersten Druckkammer des Hauptzylinders.
Durch die druckfeste Lagerung wird dabei ein Druckausgleich zwischen
dem Druckraum des Federzylinders und der ersten Druckkammer des Hauptzylinders
verhindert.
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Vorzugsweise
ist das mechanische Element schwimmend gelagert. Dabei wird es während der Öffnungsbewegung
durch den Hauptkolben bewegt, der deshalb mit einer geringfügig größeren Kraft
beaufschlagt werden muß.
In entgegengesetzter Richtung wird das mechanische Element dann
durch den Federkolben bewegt. Auf eine Befestigung des mechanischen
Elements an einem der beiden Kolben kann so verzichtet werden, so
daß die
Anzahl der notwendigen Bauelemente gering gehalten wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das mechanische Element fest mit dem Federkolben verbunden.
Dadurch ist es nicht nötig,
daß der
Hauptkolben während
der Öffnungsbewegung
eine zusätzliche
Kraft aufbringen muß.
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Bevorzugterweise
ist das mechanische Element exzentrisch gegenüber dem Federkolben angeordnet.
Dadurch dient es gleichzeitig als Verdrehsicherung für den Federkolben.
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Vorzugsweise
ist das mechanische Element als zylindrische Stange ausgebildet.
Ein solches Element läßt sich
einfach herstellen. Gleichzeitig können zur Abdichtung des mechanischen
Elements in der Wand zwischen Hauptzylinder und Federzylinder einfache
Dichtringe verwendet werden. Die Herstellung bleibt damit kostengünstig.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform,
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2 eine
Ventilanordnung, wie sie zwischen Hauptzylinder und Federzylinder
angeordnet werden kann,
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3 ein
Ausführungsbeispiel
für ein
Steuerventil,
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4 ein
hydraulisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform mit den Druckzuständen während des Öffnens,
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5 das
hydraulische Schaltbild mit den Druckzuständen am Anfang der Schließbewegung,
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6 das
hydraulische Schaltbild mit den Druckzuständen zum Ende der Schließbewegung,
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7 eine
alternative Steuerung des Ventils und
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8 ein
hydraulisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform mit einem mehrstöckigen Federkolben.
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In 1 ist
eine als Drehantrieb ausgelegte Stellvorrichtung 1 dargestellt.
Dabei sind ein Hauptzylinder 2 und ein Federzylinder 3 auf
einer gemeinsamen Achse angeordnet und an einer Stirnseite miteinander
verbunden. Der Hauptzylinder 2 weist an seiner anderen
Stirnseite einen Montageflansch 4 auf. Innerhalb des Hauptzylinders 2 ist
ein Hauptkolben 5 angeordnet, der über ein nicht selbsthemmendes
Gewinde 6 geführt
wird. Aufgrund dieses Gewindes 6 rotiert der Hauptkolben 5 bei
einer axialen Verschiebung. Diese Rotation wird durch Formschluß auf ein Übertragungselement 7 übertragen,
wobei das Übertragungselement 7 in
Axialrichtung festgelegt ist und somit axial keine Bewegung ausführen kann.
Dafür wird
es in axialer Richtung durch einen Ring 8 fixiert, der
in den Hauptzylinder 2 eingeschraubt ist.
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Das Übertragungselement 7 weist
einen inneren Hohlraum 9 auf, der derart ausgebildet ist,
daß er
ein weiteres Übertragungselement,
beispielsweise eine Spindel, formschlüssig aufnehmen kann. Eine solche
Aufnahme kann z.B. als Dreikant, Vierkant oder Sechskant ausgebildet
sein.
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Auf
der Rotationsachse des Hauptzylinders 2 ist eine Welle 10 angeordnet,
die sich auch durch den Federzylinder 3 hindurch erstreckt
und fest mit dem Übertragungselement 7 verbunden
ist. Die Welle 10 führt
also eine Rotation in Abhängigkeit
der Bewegung des Hauptkolbens 5 aus und kann dadurch als
Positionsanzeiger oder als Steuerung von Ventilen der Stellvorrichtung 1 genutzt
werden.
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Die
gezeigte Ausführungsform
weist einen alternativen Positionsanzeiger 11 auf. Dieser
wird durch eine Feder gegen eine exzentrische Fläche am Übertragungselement 7 gedrückt und
verändert
somit seine radiale Position in Abhängigkeit der Rotation des Übertragungselements 7.
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Der
Hauptzylinder 2 weist eine erste Druckkammer 19 und
eine zweite Druckkammer 12 auf. Zur Druckkammer 12 gehören zwei
zwischen Hauptkolben 5 und Übertragungselement 7 gebildete
ringförmige
Hohlräume.
Der Hauptzylinder 2 wird über einen nicht dargestellten
Zulaufanschluß mit
einem Steuerdruck beaufschlagt, wobei der Zulaufanschluß mit der
zweiten Druckkammer 12 des Hauptzylinders 2 in
Verbindung steht. Der gleiche Steuerdruck beaufschlagt auch einen
ersten Druckraum 13 und einen zweiten Druckraum 14 des
Federzylinders 3, die durch die stufenförmige Ausgestaltung des Federkolbens 15 gebildet
werden. Die beiden Druckräume 13, 14 des
Federzylinders 3 sind druckdicht voneinander getrennt. Über ein
in 1 nicht dargestelltes Rückschlagventil 16 kann
ein Druckausgleich vom ersten Druckraum 13 zum zweiten
Druckraum 14 des Federzylinders 3 erfolgen. Der
Federkolben 15 wird auf der den beiden Druckräumen 13, 14 entgegenliegenden
Seite durch die Kraft einer Feder 17 beaufschlagt, die
als Zusammenschaltung von Tellerfedern ausgeführt ist. Die Feder 17 wird
unter Spannung eingebaut, so daß auf
den Federkolben 15 in jeder Position eine gewisse Mindestkraft
ausgeübt
wird. Dabei wird die Feder 17 über einen Teil ihrer Länge auf der
Innenseite durch den Federkolben 15 geführt. Zur Führung des anderen Teils ist
ein Führungsrohr 18 vorgesehen,
das die Außenseite
der Feder 17 führt.
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Die
erste Druckkammer 19 des Hauptzylinders 2 ist
durch eine deckelförmige
Wand 20 verschlossen. Diese Wand 20 begrenzt die
Bewegung des Hauptkolbens 5 und die erste Druckkammer 19 des
Hauptzylinders 2. Die Wand 20 ist mit einem Außengewinde 26 versehen,
das mit einem entsprechenden Innengewinde 27 des Hauptzylinders 2 im Eingriff
steht. Dadurch wird die Wand 20 im Hauptzylinder 2 erhalten.
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Die
Wand 20 weist drei Öffnungen 21, 22, 23 auf,
durch die die Welle 10 und zwei rotationssymmetrische mechanische
Elemente 24, 25 geführt sind. Dabei sind Dichtungen
vorgesehen, die einen Druckverlust durch die Wand 20 verhindern.
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Die
mechanischen Elemente 24, 25 sind mit dem Federkolben 15 fest
verbunden und so angeordnet, daß sie
bei einem Druckverlust im zweiten Druckraum 14 des Federzylinders 3 vom
Federkolben 15 gegen den Hauptkolben 5 gedrückt werden, wobei
letzterer dann ausreichend beeinflußt wird, um eine Ventilklappe,
die über
eine Spindel mit dem Übertragungselement 7 verbunden
sein kann, zumindest in der derzeitigen Stellung festzuhalten oder vollständig zurückzubewegen.
Somit wird verhindert, daß sich
die Ventilklappe im Falle einer Undichtigkeit im Inneren der Stellvorrichtung 1 in
eine undefinierte Position bewegt. In der gezeigten Ausführung werden
die mechanischen Elemente 24, 25 im normalen Betrieb
keine Kräfte
zwischen den Kolben 5, 15 übertragen, weil die Kolben 5, 15 so
gesteuert werden, daß der
Mindestabstand zwischen ihnen größer ist als
die Länge
der mechanischen Elemente 24, 25. Es sind aber
andere Ausführungen
denkbar, worin die mechanischen Elemente 24, 25 z.B.
am Ende der normalen Schließbewegung
zur Kraftübertragung zwischen
den Kolben 5, 15 genutzt werden.
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In
der gezeigten Ausführungsform
sind die mechanischen Elemente 24, 25 durch Federringe 28, 29 mit
dem Federkolben 15 fest verbunden. Sie können jedoch
auch schwimmend gelagert werden, wobei sie dann allerdings während des Öffnens statt vom
Federkolben 15 vom Hauptkolben 5 bewegt werden
müssen,
wodurch die Belastung des Hauptkolbens 5 etwas ansteigt.
In beiden Fällen
sind Abdichtungen zwischen dem zweiten Druckraum 14 des
Federzylinders 3 und der ersten Druckkammer 19 des Hauptzylinders 2 erforderlich.
Ist mehr als ein mechanisches Element 24, 25 vorgesehen,
oder das einzige mechanische Element 24, 25 exzentrisch
zur Federkolbenachse angeordnet, dann wird der Federkolben 15 gleich zeitig
am Drehen gehindert. In diesem Falle kann auch die Rotation der
Welle 10 relativ zum Federkolben 15 zur Steuerung
einer Ventilvorrichtung genutzt werden.
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In
der gezeigten Ausführung
fällt der
Druck im ersten Druckraum 14 des Federzylinders 3 aufgrund
der relativen Inkompressibilität
des Druckmittels schnell ab, wenn die mechanischen Elemente 24, 25 auf
dem Hauptkolben 5 anliegen. Da der erste Druckraum 14 des
Federzylinders 3 in allen anderen Situationen unter Druck
steht, kann ein einfacher Druckgeber oder Druckschalter dazu genutzt
werden, eine evtl. Leckage anzuzeigen. Dies kann sowohl optisch,
mechanisch oder elektrisch erfolgen.
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In 2 ist
eine Ventilanordnung dargestellt, wie sie zwischen Hauptzylinder 2 und
Federzylinder 3 angeordnet werden kann. Ein Ventil 30 der
Ventilanordnung weist einen Ventilschieber 31 auf, der
in Schließrichtung
durch den Druck in der zweiten Druckkammer 12 des Hauptzylinders 2 belastet
wird und in Öffnungsrichtung
durch eine nicht dargestellte Feder. In der dargestellten Offen-Stellung
ist der zweite Druckraum 14 des Federzylinders 3 mit
der ersten Druckkammer 19 des Hauptzylinders 2 verbunden,
so daß Druckmedium
vom Druckraum 14 in die Druckkammer 19 strömen kann,
wodurch der Hauptkolben 5 bewegt wird.
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Ein
Rückschlagventil 32,
welches zwischen einem Niederdruckanschluß 33 und der ersten Druckkammer 19 des
Hauptzylinders 2 angeordnet ist, wird durch den Druck in
der ersten Druckkammer 19 in Schließrichtung beaufschlagt. Das
Rückschlagventil 32 wird
durch den Ventil schieber 31 geöffnet, wenn sich dieser in
der Schließstellung
befindet.
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Desweiteren
ist ein Rückschlagventil 16 vorgesehen,
das den ersten Druckraum 13 des Federzylinders 3 und
den zweiten Druckraum 14 des Federzylinders 3 miteinander
verbindet. Das Rückschlagventil 16 stellt
sicher, daß ein
Druckausgleich nur vom ersten Druckraum 13 zum zweiten
Druckraum 14 des Federzylinders 3 erfolgen kann,
und nicht in entgegengesetzter Richtung.
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In 3 ist
ein Steuerventil 34 dargestellt, über das eine Versorgungsleitung 35 mit
dem ersten Druckraum 13 des Federzylinders 3 verbunden
wird. Dabei wird das Steuerventil 34 durch den Druck in der
Versorgungsleitung 35 und einen Stößel 36 in Öffnungsrichtung
und durch den Druck im ersten Druckraum 13 und einer Feder
in Schließrichtung
mit Druck beaufschlagt. Der Stößel 36 wird
durch ein eigens dafür
angebrachtes, federbelastetes Element 39, das mit dem Federkolben 15 in
Verbindung steht, in Öffnungsrichtung
bewegt, sobald der Federkolben 15 eine entsprechende Position
erreicht hat. Dadurch wird der erste Druckraum 13 des Federzylinders 3 zur
Versorgungsleitung 35 entlastet, so daß die wirksame Federkolbenfläche verkleinert
wird. Möglich
ist auch, daß die
Welle 10 entsprechend ausgebildet ist, beispielsweise in
Form einer Nockenwelle, und so den Stößel 36 betätigt oder
daß die
Betätigung
durch eines der mechanischen Elemente 24, 25 oder
irgendein anderes internes oder externes mechanisches Signal erfolgt.
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In 4 ist
das hydraulische Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform
dargestellt, wobei der Zustand während
des Öffnens
gezeigt ist. Zum Öffnen
wird der Zuführanschluß 11 der
Stellvorrichtung 1 z.B. mit Hilfe einer Pumpe mit einem
Steuerdruck über
die Versorgungsleitung 35 beaufschlagt. Der Steuerdruck
liegt dann in der zweiten Druckkammer 12 des Hauptzylinders 2 an.
Dadurch verschiebt sich der Hauptkolben 5 in 1 und
in 4 nach rechts.
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Das
Ventil 30 wird durch den Steuerdruck in die in 4 gezeigte
Position bewegt, in der es die erste Druckkammer 19 des
Hauptzylinders 2 zum Tank 37 entlastet. Dabei
ist das Ventil 30 mit unterschiedlich großen Betätigungsklappen
ausgebildet, damit es auch dann sicher durch den Steuerdruck bewegt
werden kann, wenn im zweiten Druckraum 14 des Federzylinders 3 noch
der Schließdruck herrscht.
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Der
Steuerdruck liegt über
das Steuerventil 34 auch im ersten Druckraum 13 des
Federzylinders 3 und weiter über das Ventil 16 im
zweiten Druckraum 14 des Federzylinders 3 an.
Dadurch wird der Federkolben 15 in der Zeichnung nach oben
bewegt und spannt dabei die Feder 17. Die Verbindung des zweiten
Druckraums 14 des Federzylinders 3 zur ersten
Druckkammer 19 des Hauptzylinders 2 ist dabei über das
Ventil 30 gesperrt.
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Fällt nun
der Steuerdruck ab, entweder um einen Schließvorgang einzuleiten oder aufgrund
einer Störung,
herrschen die in 5 dargestellten Verhältnisse.
Die Versorgungsleitung 35 ist drucklos, so daß die zweite
Druckkammer 12 des Hauptzylinders 2 entlastet
ist. Das Ventil 30 wird durch den Druck im zweiten Druckraum 14 des
Federzylinders 3 in die gezeigte Position bewegt, da der
Gegendruck aus der Versorgungsleitung 35 fehlt. Dadurch
wird der zweite Druckraum 14 des Federzylinders 3,
der mit dem ersten Druckraum 13 über das Ventil 16 verbunden
ist, mit der ersten Druckkammer 19 des Hauptzylinders 2 verbunden.
Da der erste Druckraum 13 und der zweite Druckraum 14 des
Federzylinders 3 durch die Feder 17 unter Druck
gesetzt werden, findet von dort ein Druckausgleich zur ersten Druckkammer 19 des
Hauptzylinders 2 statt und der Hauptkolben 5 bewegt
sich in der Zeichnung nach links.
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Erreicht
der Federkolben 15 eine vordefinierte Stelle, wird das
Ventil 34 in die in 6 dargestellte
Position bewegt. Dies geschieht z.B. durch eines der mechanischen
Elemente 24, 25. Dadurch wird der erste Druckraum 13 des
Federzylinders 3 zur drucklosen Versorgungsleitung 35 entlastet.
Dann ist nur noch eine kleinere Federkolbenfläche gegen die Feder 17 wirksam,
wodurch ein höherer
Druck auf den Hauptkolben 5 übertragen werden kann. Das Rückschlagventil 16 verhindert
einen Druckausgleich vom zweiten Druckraum 14 des Federzylinders 3 zum
ersten Druckraum 13 des Federzylinders 3, die über das
Steuerventil 34 zur Versorgungsleitung 35 entlastet
ist.
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In 7 ist
eine vereinfachte Ansteuerung des Ventils 30 dargestellt.
Dabei wird das Ventil 30 durch den Druck in der Versorgungsleitung 35 gegen eine
Feder 38 in die Position bewegt, in der es die erste Druckkammer 19 des
Hauptzylinders 2 zum Tank 37 entlastet. Sinkt
der Druck in der Versorgungsleitung 35, wird das Ventil 30 durch
die Feder 38 in die Position bewegt, in der es den zweiten Druckraum 14 des
Federzylinders 3 mit der ersten Druckkammer 19 des
Hauptzylinders 2 verbindet. Das Ventil 30 verbindet
bei dieser Ausführungsform in
seiner Ausgangsstellung den zweiten Druckraum 14 des Federzylinders 3 mit
der ersten Druckkammer 19 des Hauptzylinders 2.
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In 8 ist
der Federkolben 15 als mehrstöckiger Kolben ausgebildet,
d.h., daß sich
die beiden Federkolbenflächen
in Bewegungsrichtung teilweise überlappen.
Dadurch werden ebenfalls zwei Druckräume 13, 14 gebildet,
wobei der erste Druckraum 13 ab einer gewissen Position
des Federkolbens 15 über
das Ventil 34 zur Ansteuerleitung 35 entlastet wird.
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In
den gezeigten Ausführungsformen
wird überschüssiges Druckmittel
aus der zweiten Druckkammer 12 des Hauptzylinders 2 und
aus dem ersten Druckraum 13 des Federzylinders 3 beim
Schließen in
die Versorgungsleitung 35 der Stellvorrichtung 1 zurückgeführt. Falls
dabei noch ein Restdruck in der Versorgungsleitung 35 der
Stellvorrichtung 1 vorhanden ist, kann dieser Druck unter
Umständen
der Bewegung des Hauptkolbens 5 entgegenwirken, so daß dieser
und damit auch die Ventilklappe in einer Zwischenposition stehenbleiben.
Da für
die Oberwindung der statischen Friktion meist eine erhöhte Kraft erforderlich
ist, und da der Federzylinder 3 entsprechend der Erfindung
in Zwischenpositionen weniger Kraft überträgt als in den Endpositionen,
kann es bei weiterem Druckabfall in dieser Situation vorkommen, daß die Rückstellbewegung
des Hauptkolbens 5 nicht mehr vollständig ausgeführt wird. Falls es erforderlich
ist, auch in diesem Fall ein zuverlässiges Schließen zu gewährleisten,
kann die Ventilanordnung so geändert
werden, daß überschüssiges Druckmittel
aus der zweiten Druckkammer 12 des Hauptzylinders 2 und
aus dem ersten Druckraum 13 des Federzylinders 3 beim
Schließen
statt in die Versorgungsleitung 35 der Stellvorrichtung 1 über eine drucklose
Rückleitung
in einen Tank 33 geführt
wird.
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Aus
den gleichen Gründen
kann die Ventilklappe in einer halb offenen Stellung stehenbleiben, falls
der Steuerdruck während
des Öffnens
absinkt. Dies kann verhindert werden, indem die Ventilanordnung
so geändert
wird, daß die
zweite Druckkammer 12 des Hauptzylinders 2 erst
dann mit Druckmittel beaufschlagt wird, wenn der Federkolben 15 den
Federstapel 17 vollständig
gespannt hat.