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Die
Erfindung betrifft eine ventilgesteuerte Hydromaschine gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Derartige
ventilgesteuerte Hydromaschinen sind beispielsweise aus der
EP 1 537 333 B1 bekannt.
Diese Druckschrift zeigt eine Hydromaschine in Axial- oder Radialkolbenbauweise,
die im Prinzip als Motor oder als Pumpe betrieben werden kann, wobei
das Förder- bzw. Schluckvolumen über die Ventilsteuerung
stufenlos verstellbar ist. Bei einem beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist die Hydromaschine als Axialkolbenmaschine ausgeführt,
wobei eine Vielzahl von in einem Zylinder angeordneten Kolben an
einer drehbar gelagerten Taumelscheibe abgestützt ist.
Jeder Kolben begrenzt mit dem zugeordneten Zylinderraum einen Arbeitsraum,
der über ein Zulaufventil und ein Ablaufventil mit einem
Druckmittelzulauf bzw. einem Druckmittelablauf verbindbar ist.
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Bei
der bekannten Lösung sind die beiden Ventile als elektrisch
entsperrbare bzw. sperrbare Rückschlagventile ausgeführt,
die über die Pumpensteuerung ansteuerbar sind und um den
jeweiligen Arbeitsraum im „full mode", im „partial
mode" oder im „idle mode" zu betreiben. Beim „full
mode" wird im Wesentlichen das gesamte Schluck- oder Fördervolumen
ausgenützt, im „partial mode" entsprechend nur
ein Teil des Volumens. Im „idle mode" ist das Förder-/Schluckvolumen
des jeweiligen Arbeitsraumes gleich 0 – die Maschine arbeitet
im Leerlauf.
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Über
eine Steuereinheit wird die Hydromaschine nach einem Regelalgorithmus
betrieben, um einen möglichst pulsationsarmen Summen-Fördervolumenstrom
(Pumpe) oder Summen-Schluckvolumenstrom (Motor) zu erzielen. Die
Volumenstromverstellung erfolgt dabei häufig nach einer
Phasenanschnittsteuerung, sie kann jedoch auch nach einer Phasenabschnitts-
oder Phasenausschnittssteuerung durchgeführt werden.
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Bei
der beschriebenen Lösung ist das im Zulauf zu jedem Arbeitsraum
angeordnete Zulaufventil im unbestromten Zustand mittels Federkraft
geschlossen. Das im Ablauf angeordnete Rückschlagventil
ist im unbestromten Zustand durch die Federkraft in Öffnungsrichtung
vorgespannt.
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Falls
die Hydromaschine als Motor betrieben werden soll, wird zum Antreiben
einer mit der Taumelscheibe verbundenen Welle das Ablaufventil durch
Bestromen eines Betätigungsmagneten geschlossen und gleichzeitig
das Zulaufventil geöffnet. Dadurch kann Druckmittel in
den Arbeitsraum einströmen, so dass die hydraulische Energie
des Druckmittels durch die Axialverschiebung des jeweiligen Kolbens
und die entsprechende Drehbewegung der Taumelscheibe in eine Drehbewegung
der Welle und somit in mechanische Energie umgewandelt wird. Kurz
vor dem inneren Totpunkt, in dem der jeweilige Kolben die volle
Schluckbewegung ausgeführt hat, wird das Zulaufventil geschlossen,
so dass durch den verbleibenden Resthub des Kolbens bis zum Totpunkt
der Arbeitsraum druckentlastet wird. Durch diese Druckentlastung
kann das Ablaufventil druckentlastet öffnen und der Kolben
kann in seiner nachfolgenden Förderbewegung sein Schluckvolumen
zum Tank ausschieben. Kurz vor dem äußeren Totpunkt
wird dann das Ablaufventil durch Bestromen des entsprechenden Betätigungsmagneten
geschlossen. Der verbleibende Hub des Kolbens bis äußeren
Totpunkt wird dann zum Komprimieren des im Arbeitsraum eingeschlossenen
Druckmittels benutzt, so dass das Zulaufventil bei Erreichen des äußeren
Totpunkts druckentlastet öffnen kann. Durch diesen Ablauf
ist gewährleistet, dass die Rückschlagventile
im weitgehend druckausgeglichenen Zustand durch relativ geringe
Betätigungsmagnetkräfte geschaltet werden können.
Diese Ansteuerung ist aufgrund der geforderten Schaltdynamik notwendig.
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Voraussetzung
für diese Art der Steuerung (DDP-Prinzip (digital displacement
pump)) ist, dass die niederdruck- und hochdruckseitigen Ventile
mit hoher Dynamik geschaltet werden können, so dass die
vorbeschriebenen Druckmittelströmungspfade sehr schnell
abgesperrt oder zum Durchströmen frei gegeben werden können.
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In
der
US 7,077,378 B2 ist
eine Ventilanordnung für eine derartige Hydromaschine gezeigt,
bei der eine ringförmige Durchströmungsöffnung
durch ein tassenförmiges Ventilelement verschlossen werden
kann. Diese ringförmige Durchströmungsöffnung ist
von einem inneren und einem äußeren Dichtsitz begrenzt,
so dass die spezifische Flächenpressung an der Dichtkante
gegenüber einem Ventilkegel vergleichsweise gering ist.
Nachteilig bei dieser bekannten Lösung ist, dass aufgrund
des komplexen Aufbaus des tassenförmigen Ventilelementes
und dessen Führung und des mit einer ringförmigen
Durchströmungsöffnung ausgeführten Ventilgehäuses
der vorrichtungstechnische Aufwand zur Realisierung der Ventilanordnung
erheblich ist.
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Ein
weiterer Nachteil der bekannten Lösung besteht darin, dass
der Strömungswiderstand beim Durchströmen der
ringförmigen Durchströmöffnung und der
Umströmung des tassenförmigen Ventilelementes
hoch ist, so dass der Wirkungsgrad der Hydromaschine vergleichsweise
gering ist.
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Demgegenüber
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Hydromaschine zu
schaffen, bei der die eingangs beschriebenen Steuermodi mit geringem
vorrichtungstechnischem Aufwand und hoher Dynamik realisierbar sind.
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Diese
Aufgabe wird durch eine ventilgesteuerte Hydromaschine mit den Merkmalen
des Patentanspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß hat
die ventilgesteuerte Hydromaschine eine Vielzahl von Kolben, die
jeweils gemeinsam mit einem Zylinder einen Arbeitsraum begrenzen,
der über ein Zulaufventil mit einem Druckmittelzulauf und über
ein Ablaufventil mit einem Druckmittelablauf verbindbar ist, wobei
zumindest eines dieser Ventile mittels eines Aktuators zur Einstellung
des Förder- oder Schluckvolumens betätigbar ist.
Erfindungsgemäß ist das Ventil als Tellerventil
mit einem Schließteller und einem Führungsstößel
ausgeführt. Der Schließteller hat einen wesentlich
größeren Durchmesser als der Führungsstößel
und ist radial innerhalb eines Ventilsitzes über eine Abstützung in
Schließrichtung abgestützt.
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Durch
diesen Schließteller mit vergleichsweise großem
Querschnitt kann bereits bei sehr geringem Hub des Tellerventils
ein großer Öffnungsquerschnitt aufgesteuert werden,
wobei die Führung und Lagerung des Ventilelementes (Schließteller,
Führungsstößel) wesentlich einfacher
als beim vorbeschriebenen Stand der Technik ist, da lediglich der Führungsstößel
gehäuseseitig geführt werden muss. Eine derartige
zentrale Führung über den Führungsstößel
weist keine geometrische Überbestimmung wie die eingangs
beschriebene Ventilanordnung mit ringförmigem Ventilelement
auf. Eventuelle Verformungen des Schließtellers aufgrund
des sich im Arbeitsraum aufbauenden hohen Druckes werden durch die
zentrale Abstützung definiert begrenzt, so dass die Pressung
am Ventilsitz und damit die Dichtigkeit des Ventils gewährleistet
ist.
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Ein
weiteres Problem bei herkömmlichen DDP-Hydromaschinen ist,
dass der Schließvorgang des niederdruckseitigen Rückschlagventils
insbesondere während des partial mode bei hohen Kolbengeschwindigkeiten
erfolgt, wobei der Druck im Arbeitsraum mit sehr großer
Geschwindigkeit ansteigt. Diese große Druckanstiegsge schwindigkeit
bedeutet für das Triebwerk der Pumpe bzw. des Motors eine
stoßartige Belastung, wodurch die Gefahr einer Materialüberlastung
besteht und des Weiteren hohe Schallemissionen auftreten. Diese
Druckanstiegsgeschwindigkeit kann verkleinert werden, indem der
Arbeitsraum großvolumig ausgeführt wird, so dass
die Druckanstiegsgeschwindigkeit durch das Komprimieren des Totvolumens
verringert wird. Nachteilig bei einer derartigen Lösung
ist, dass dieses Totvolumen einen zusätzlichen Bauraum
erfordert und dadurch die Hydromaschine insgesamt größer
baut. Die große Fläche des Schließtellers
kann erfindungsgemäß gezielt zur Vergrößerung
des Arbeitsraumvolumens während des Druckaufbaus ausgenutzt
werden, indem man ein Auswölben des Schließtellers
bei hohen Drücken zulässt. Dieses Auswölben
kann dann über die Abstützung begrenzt werden,
so dass zum einen die Druckanstiegsgeschwindigkeit durch die Volumenvergrößerung
des Arbeitsraums ohne Verschwendung von Bauraum abgesenkt werden
kann und zum anderen über die Abstützung die Dichtigkeit des
Ventils gewährleistet ist.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Schließteller
konstruktiv bereits so ausgelegt, dass er bei der Druckbeaufschlagung
eine elastische Verformung ausführt.
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Die
elastische Verformbarkeit des Schließtellers kann beispielsweise
durch Vorsehen von Ausnehmungen bestimmt werden. Alternativ oder
zusätzlich kann der Schließteller aus mehreren
Materialien bestehen, wobei das Material im Bereich der Dichtflächen
oder Dichtkanten im Hinblick auf die Abdichteigenschaften und das
Material im elastisch verformbaren Bereich im Hinblick auf die Elastizität
und das Verformungsverhalten optimiert ist.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel sind mehrere elastisch verformbare
Bereiche am Schließteller ausgebildet, wobei diese sich
hinsichtlich der Steifigkeit unterscheiden, so dass die Verformung
in Abhängigkeit vom Druck unterschiedlich ist. Dabei kann
jedem dieser elastisch verformbaren Bereiche eine eigene Abstützung
zugeordnet sein.
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Zur
Minimierung der stoßartigen Bauteilbelastung und Minderung
der Schallabstrahlung können am Schließteller
oder an der Abstützung Dämpfungselemente vorgesehen
werden, die einen Schlag beim Auflaufen des Schließtellers
auf die Abstützung dämpfen.
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Das
Gewicht des Schließtellers lässt sich weiter reduzieren,
wenn dieser beispielsweise an der von der Abstützung entfernten
Stirnseite mit Ausnehmungen zur Gewichtsreduzierung ausgeführt
ist.
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Der Öffnungsquerschnitt
bei geringem Hub kann weiter vergrößert werden,
wenn der Schließteller mit mehreren konzentrisch zueinander
angeordneten Dichtflächen oder Dichtkanten ausgeführt
ist, denen jeweils ein gehäuseseitiger Sitz zugeordnet ist.
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Dabei
kann zwischen zwei Dichtflächen oder Dichtkanten im Schließteller
ein Durchbruch ausgebildet sein, der bei vom Sitz abgehobenem Schließteller
von Druckmittel durchströmt ist.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist
der Schließteller mit drei Dichtflächen oder Dichtkanten
ausgeführt, denen jeweils ein Sitz zugeordnet ist.
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Das
Gehäuse ist vorzugsweise mit einem Führungszapfen
ausgeführt, in dem eine Führung für den
Führungsstößel des Tellerventils ausgebildet
ist.
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Bei
einer Lösung mit mehreren Dichtflächen oder Dichtkanten
kann es dann vorteilhaft sein, in diesem Führungszapfen
einen Kanal auszubilden, der durch eine der Dichtflächen/Dichtkanten
aufsteuerbar ist.
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Eventuelle
Konzentrizitätsabweichungen zwischen dem oder den Ventilsitzen
und der Führung des Führungsstößels
lassen sich minimieren, wenn die Führung für den
Führungsstößel und die genannten Ventilsitze
einstückig ausgeführt sind.
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Die
Schaltdynamik des Ventils ist optimiert, wenn der Schließteller
aus Leichtbaumaterialien, beispielsweise aus Kunststoff hergestellt
ist, wobei durch die vorbeschriebenen Maßnahmen die Flächenpressung
am Sitz so eingestellt werden kann, dass eine materialspezifische Überbelastung
des Kunststoffs auch bei hohen Drücken ausgeschlossen ist.
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Ein
Ventil der vorbeschriebenen Bauart wird vorzugsweise niederdruckseitig
eingesetzt. Dabei kann der Schließteller in seine Öffnungsstellung
vorgespannt und mittels eines Aktuators, beispielsweise eines Betätigungsmagneten
in Schließrichtung verstellt werden.
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Sonstige
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
stark schematisierte Darstellung zur Erläuterung des Funktionsprinzips
einer ventilgesteuerten Hydromaschine mit veränderbarem Schluck-/Fördervolumen;
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2 ein
Ausführungsbeispiel eines niederdruckseitigen elektrisch
entsperrbaren Rückschlagventils einer Hydromaschine gemäß 1 in Öffnungsstellung;
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3 das
Rückschlagventil aus 2 in Schließstellung;
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4 ein
Ausführungsbeispiel eines Rückschlagventils, bei
dem ein Schließteller mit elastisch verformbaren Bereichen
ausgeführt ist;
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5 ein
Ausführungsbeispiel, bei dem der Schließteller
gemäß 4 aus unterschiedlichen Materialien
hergestellt ist;
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6 ein
Ausführungsbeispiel eines Rückschlagventils mit
Dämpfungselementen;
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7 das
Ausführungsbeispiel gemäß 6 mit
gewichtsoptimierten Schließteller und
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8 ein
Rückschlagventil für eine Hydromaschine gemäß 1 mit
mehreren Dichtflächen/Dichtkanten.
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Im
Folgenden wird zunächst anhand 1 das Funktionsprinzip
einer ventilgesteuerten Hydromaschine 1 erläutert,
deren Förder-/Schluckvolumen digital verstellbar ist (DDP/DDM).
Die beschriebene Hydromaschine 1 ist beim dargestellten
Ausführungsbeispiel als Axialkolbenmaschine in Taumelscheibenbauweise
ausgeführt, wobei 1 eine sehr
stark vereinfachte Abwicklung einer derartigen Hydromaschine in
Axialkolbenbauweise zeigt. Im Folgenden werden nur die zum Verständnis
der Erfindung wesentlichen Bauelemente erläutert. Hinsichtlich
detaillierterer Ausführungen wird auf den eingangs genannten
Stand der Technik verwiesen. Bei der folgenden Beschreibung ist
die erfindungsgemäße Hydromaschine 1 als
Hydromotor betrieben, prinzipiell gelten die Ausführungen
zum Hydromotor jedoch auch entsprechend für eine Pumpe
mit verstellbarem Fördervolumen.
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Gemäß der
schematischen Darstellung in 1 hat die
Hydromaschine 1 einen Zylinder 2, in dem eine
Vielzahl von Zylinderbohrungen 4 ausgebildet sind, in denen
jeweils ein Kolben 6 axial verschiebbar geführt
ist. Jeder der Kolben 6 begrenzt mit der Zylinderbohrung 4 einen
Arbeitsraum 8, dessen Volumen vom Hub der Kolben 6 abhängig
ist. Die Kolben 6 sind über jeweils einen Kolbenschuh 10 an einer
schräg gestellten Taumelscheibe abgestützt, die
mit einer Abtriebswelle 12 verbunden ist. In der Darstellung
gemäß 1 ist die aufgrund der Rotation
der Taumelscheibe gebildete Steuerkurve 14 dargestellt,
die die Drehwinkelabhängigkeit des Kolbenhubs und damit
des Volumens des jeweiligen Arbeitsraums wiedergibt. Wie in 1 rechts
dargestellt, ist jeder Arbeitsraum 8 über ein
Zulaufventil 16 mit einer allen Arbeitsräumen 8 gemeinsamen
Zulaufleitung 18 verbunden, die mit einem System- oder
Hochdruck beaufschlagt ist. Dieser Hochdruck kann beispielsweise über
eine Pumpe 20 erzeugt werden.
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Jeder
Arbeitsraum 8 ist des Weiteren über ein Ablaufventil 22 mit
einer ebenfalls allen Arbeitsräumen 8 gemeinsamen
Ablaufleitung 24 verbunden, die in einen Tank 26 einmündet.
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Wie
bereits eingangs erläutert, sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel
die Ablaufventile 22 und die Zulaufventile 16 jeweils
als elektrisch entsperrbare bzw. sperrbare Rückschlagventile
ausgeführt. Das Zulaufventil 16 ist über
eine nicht dargestellte Feder in seiner dargestellten Grundposition
in eine Schließposition vorgespannt und lässt
sich durch Bestromen eines Betätigungsmagneten 28 in eine Öffnungsstellung
bringen, so dass das Druckmittel aus der Zulaufleitung 18 in
den jeweiligen Arbeitsraum 8 einströmen kann.
Das Ablaufventil 22 ist in seiner dargestellten Grundposition über
eine Feder in eine Öffnungsstellung vorgespannt. Durch
Bestromen eines Betätigungsmagneten 30 lässt
sich dieses Ablaufventil 22 in eine Sperrposition bringen,
in der das Druckmittel nicht aus dem Arbeitsraum 8 abströmen
kann. Der Einfachheit halber sind in der Darstellung gemäß 1 nur
die Schaltsymbole der rechts angeordneten Ventile 28, 30 dargestellt,
die anderen, den sonstigen Arbeitsräumen zugeordneten Ventile sind
entsprechend aufgebaut.
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Die
Ansteuerung der Betätigungsmagneten 28, 30 erfolgt über
eine Steuereinheit 34, über die die eingangs beschriebenen
Modi (full mode, partial mode und idle mode) einstellbar sind, so
dass das Schluckvolumen des Hydromotors 1 stufenlos verstellbar
ist, wobei durch geeignete Ansteuerung der Ventile 16, 22 auch
die Pulsation auf ein Minimum absenkbar ist. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel erfolgt die Ansteuerung der Ventile 16, 22 in
Abhängigkeit von der Drehzahl der Abtriebswelle 12,
die über einen Drehzahlaufnehmer 36 erfasst und über eine
Signalleitung an die Steuereinheit 34 gemeldet wird. Prinzipiell
können selbstverständlich auch andere Kenndaten,
wie beispielsweise das auf die Abtriebswelle 12 wirkende
Drehmoment, das Schluckvolumen des Hydromotors 1 oder der
Drehwinkel der Taumelscheibe bei der Ansteuerung der Ventile 16, 22 berücksichtigt
werden.
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2 zeigt
den Grundaufbau des niederdruckseitigen Rückschlagventils,
das bei einem Hydromotor gemäß 1 dem
Ablaufventil 22 entspricht. Bei einem Motor wäre
das Ventil 22 das Zulauf- oder Saugventil.
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Dieses
Ablaufventil 22 hat ein durch eine Feder 38 in
eine Öffnungsstellung vorgespanntes Ventilelement 40,
das sich mittels eines Betätigungsmagneten 30 in
Schließstellung gegen einen Ventilsitz 42 bewegen
lässt, so dass ein ringförmiger Durchflussquerschnitt 44 abgesperrt
ist (siehe 3). Die Feder 38 ist
an einer Gehäusestirnfläche 39 abgestützt.
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Das
Ablaufventil 22 ist als so genanntes „Tellerventil"
ausgeführt, wobei das Ventilelement 40 einen den
Ventilsitz 42 durchsetzenden axialen Führungsstößel 46 und
einen daran befestigten Schließteller 48 hat.
Dieser Schließteller 48 ist als sehr flacher Kegelstumpf
ausgeführt, wobei an den seitlichen Kegelflächen
eine umlaufende, schräg angestellte Dichtfläche 50 ausgebildet
ist. Der Ventilsitz 42 ist entsprechend ausgeformt, so
dass eine flächige, dichte Anlage im Schließzustand
(3) gewährleistet ist. Der Ventilsitz 42 ist
an einem Gehäuse 52 ausgebildet, an dem auch ein
Führungszapfen 54 für den Führungsstößel 46 vorgesehen
ist, der sich entlang eines Teilabschnittes des Führungsstößels 46 erstreckt.
Dabei ist in den Führungszapfen 54 eine Führungsbuchse 56 eingesetzt,
entlang der der Führungsstößel 46 mit
geringem Spiel und mit geringer Reibung verschiebbar ist. Der Führungsstößel 46 ist beim
dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Anker 58 verbunden,
der über die Feder 38 in Richtung der in 2 dargestellten Öffnungsposition
beaufschlagt ist. Der Anker 58 ist abschnittsweise von einer
Magnetspule 60 umgriffen, die in das Gehäuse 52 oder
in ein Extragehäuse für den Betätigungsmagneten 28 auf genommen
ist. Auf weitere Einzelheiten des Betätigungsmagneten,
wie beispielsweise den Aufbau des Polrohrs, etc. soll hier nicht
eingegangen werden.
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Benachbart
zum Anker 58 ist am Führungsstößel 46 ein
Polring 62 aus magnetisierbarem Material befestigt. Dieser
sitzt in der federvorgespannten Grundposition auf einem Permanentmagneten 64 auf,
so dass das Ventilelement 40 durch die Kraft des Permanentmagneten 64 und
die Vorspannung der Feder 38 in der Öffnungsstellung
gehalten wird. Das Druckmittel kann somit aus dem Arbeitsraum 8 über den
ringförmigen Durchströmungsquerschnitt 44 und einen
stromabwärts des Ventilsitzes 42 gelegenen Ringkanal 66 zur
Ablaufleitung 24 und damit zum Tank 26 hin abströmen.
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Durch
Bestromen der Magnetspule 60 wird der Anker 58 gemäß der
Darstellung in 3 nach oben bewegt, wobei der
magnetische Fluss von der Spule über die angrenzenden Gehäusewandungen, durch
den Polring 62 hindurch über den Führungsstößel 46 und
den Anker 58 und dann wieder über die benachbarten
Gehäusewandungen zurück zur Magnetspule 60 erfolgt.
Dabei wird der Anker 58 gegen die Kraft der Feder 38 und
gegen die Kraft des Permanentmagneten 64 verschoben, so
dass der Polring 62 vom Permanentmagneten 64 abhebt
und entsprechend die außen liegende, schräg angestellte Dichtfläche 50 in
dichtende Anlage an den Ventilsitz 42 gelangt, so dass
der ringförmige Durchströmungsquerschnitt 44 abgesperrt
ist. Eine Besonderheit der Erfindung besteht darin, dass eine in 2 unten
liegende Ringstirnfläche des Führungszapfens 54 als Stützfläche 68 wirkt,
an der der Schließteller 48 mit seiner rückseitigen
Stirnfläche 70 in der in 3 dargestellten
Schließposition anliegt.
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Wie
bereits eingangs erläutert, steigt der Druck im Arbeitsraum 8 bei
geschlossenem Ablaufventil 22 sehr schnell an, wobei durch
den hohen Druck und die große Stirnfläche 72 der
Schließteller 48 in der Schließstellung
ohne die Stützfläche 68 stark nach oben
auswölben würde. Diese Auswölbung hat
zwar den Vorteil, dass dadurch das Volumen des Arbeitsraums 8 vergrößert
wird und entsprechend der Druckanstieg etwas langsamer erfolgt.
Bei einer übermäßigen Auswölbung
kann es jedoch vorkommen, dass die umlaufende Dichtfläche 50 nicht mehr
dichtend am Ventilsitz 42 anliegt, so dass der Arbeitsraum 8 nicht
mehr leckagefrei abgestützt ist. Des Weiteren kann es durch
Verkanten zu einem Klemmen des Führungsstößels 46 kommen.
Um dies zu verhindern, wird nach einer vorbestimmten, in 3 nicht
dargestellten Verformung des Schließtellers 48 die
maximale Auswölbung durch Aufsetzen der rückwärtigen
Stirnfläche 70 auf die Stützfläche 68 begrenzt,
so dass ei nerseits eine Volumenvergrößerung des
Arbeitsraums 8 ermöglicht ist und andererseits
eine optimale Abdichtung gewährleistet bleibt.
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Eine
derartige gezielte Verformung eines Ventilelementes zur Arbeitsraumvolumenvergrößerung
ist bei dem eingangs beschriebenen Stand der Technik nicht möglich
und auch nicht gewollt.
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Das Öffnen
des Ablaufventils 22 erfolgt dann wieder durch Stromlos-Schalten
des Betätigungsmagneten 30, wodurch der Anker 58 durch
die Kraft der Feder 38 nach unten bewegt wird, wobei der
Polring 62 über den Permanentmagneten 64 in
seine Anlageposition bewegt wird, so dass der Durchströmungsquerschnitt 44 für
das Druckmittel wieder aufgesteuert ist.
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Erfindungsgemäß wird
es bevorzugt, wenn zumindest der Schließteller 48 des
Ventilelementes 40 aus einem Kunststoff hergestellt ist.
Durch die Positionierung der Stützfläche 68 kann
dabei die Flächenpressung im Bereich des Ventilsitzes 42 gesteuert
werden, so dass keine übermäßige Flächenbelastung
des Kunststoffmaterials erfolgt. Da der Ventilsitz 42 und
der den Führungsstößel 46 führende
Führungszapfen 54 einstückig ausgebildet
sind, ist die Konzentrizität von Führungsstößel 46 und
Ventilsitz 42 und damit die Dichtigkeit des Ventils 22 gewährleistet.
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Der
Permanentmagnet 64 liegt bei der dargestellten Lösung
in einem Polraum 74 des Gehäuses 52,
der über einen schmalen Spalt im Bereich der Führungsbuchse 56 mit
dem Kanal 66 verbunden ist, so dass der Polraum 74 mit
Druckmittel gefüllt ist. Der Permanentmagnet 64 liegt
aber nicht im Haupt-Druckmittelvolumenstrom, so dass die Gefahr des
Anhaftens von Spänen oder dergleichen am Permanentmagneten 64 gering
ist.
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Der
mittige Führungsstößel 46 gewährleistet eine
sehr kompakte, einfach aufgebaute und exakte Führung des
Ventilelementes 40, wobei eine Überbestimmung
wie beim eingangs genannten Stand der Technik nicht vorliegt.
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Vorzugsweise
wird der Schließteller 48 so ausgelegt, dass der
Durchströmungsquerschnitt 44 bereits abgesperrt
ist, bevor die rückseitige Stirnfläche 70 auf
die Stützfläche 68 aufläuft,
so dass die Auswölbung des Schließtellers 48 gewährleistet
und gesteuert ist.
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Diese
Auswölbung kann beispielsweise auch durch ballige Ausformung
der Stützfläche 68 mitbestimmt werden.
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Bei
dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel wird die elastische
Verformbarkeit des Schließtellers 48 durch dessen
im Vergleich zur Axiallänge sehr großen Durchmesser
ermöglicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist
der Durchmesser D mehr als das fünffache größer
als der Durchmesser des Führungsstößels 46.
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Um
die Auswölbung zur Vergrößerung des Arbeitsraumvolumens
noch besser zu steuern, kann der Schließteller 48 wie
in den 4 und 5 dargestellt, mit einer oder
mehreren Ausnehmungen 76 ausgeführt sein. Diese
kann beispielsweise – wie beim dargestellten Ausführungsbeispiel – durch
eine Ringnut oder in die Stirnfläche 68 eingebrachte
Taschen oder Tangentialnuten ausgeführt sein. Durch diese
Ausnehmung 76 wird dafür gesorgt, dass die Auswölbung überwiegend
im mittleren Bereich erfolgt, während die elastische Verformung
im Bereich der Dichtfläche 50 des Schließtellers 48 minimal
ist und somit eine optimale Flächenpressung und Abdichtung
gewährleistet ist. Aus den 4 und 5 ergibt
sich auch, dass bei Bestromen des Elektromagneten zunächst
der Durchströmungsquerschnitt 44 geschlossen wird
und dann, nach einem Auswölben des Ventiltellers um das
Maß A die rückseitige Stirnfläche 70 auf
der Stützfläche 68 des Führungszapfens 54 aufliegt.
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Beim
Ausführungsbeispiel gemäß 5 wird
die Vergrößerung des Arbeitsraums durch Auswölben
des Schließtellers 48 weiter verbessert, indem
dieser aus zwei Materialien hergestellt wird. Ein radial außen
liegender Sitzring 78 des Schließtellers 48 ist
aus einem Material gefertigt, das im Hinblick auf einen geringen
Verschleiß und eine optimale Dichtwirkung ausgebildet ist.
An diesem Sitzring 78 ist die Dichtfläche 50 ausgebildet.
Ein Mittelbereich 80 des Schließtellers 48 ist
aus einem im Hinblick auf das Auswölb- oder Verformungsverhalten
optimierten Material hergestellt, so dass die Verformung beim Druckaufbau
im Arbeitsraum 8 sehr schnell und im vorbestimmten Druckbereich
erfolgt und bei Abbau des Drucks ein schnelles Rückfedern
in die dargestellte Grundposition erfolgt, in der die rückseitige Stirnfläche 70 im
Abstand zur Stützfläche 68 ist, so dass
dann der Schließteller 48 lediglich entlang seiner
kegeligen Dichtfläche 50 am Ventilsitz 42 anliegt. Wie
bereits erwähnt, wird der Schließteller 48 vorzugsweise
aus Kunststoff hergestellt, wobei das Ausführungsbeispiel
gemäß 5 beispielsweise im Zweikomponentenspritzgießverfahren
gefertigt werden kann. Prinzipiell kann dieses Ausführungsbeispiel
auch mit einem metallischen Sitzring 78 und einem aus Kunststoff
gefertigten Mittelbereich 80 als Composite-Bauteil gefertigt
sein.
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Der
sonstige Aufbau des Ventils 22 entspricht demjenigen des
eingangs beschriebenen Ausführungsbeispiels, so dass weitere
Erläuterungen entbehrlich sind. Durch die Materialwahl
und die Ausnehmung 76 beim Ausführungsbeispiel
gemäß den 4 und 5 lässt
sich das Dämpfungsverhalten des Ventils 22 zur
Verringerung der Schallemission und zur Minimierung der Bauteilbelastung weiter
verbessern. Die Materialwahl und die Geometrie der Ausnehmung(en) 76 kann
wieder im Hinblick auf die gesteuerte Vergrößerung
des Arbeitsraumvolumens ausgelegt werden, wobei Bereiche mit geringer
Nachgiebigkeit erst bei größeren Betriebsdrücken
wirksam werden, während elastische Abschnitte bereits bei
geringen Drücken zu einem Auswölben und somit
zu einer abgestuften Vergrößerung des Arbeitsraums
führen.
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Bei
dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel eines
Schließtellers 48 sind in die rückseitige Stirnfläche 70 Dämpfungselemente 82 eingesetzt. Beim
dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieses Dämpfungselementes 82 als
Dämpfungsring ausgebildet, der beim Auswölben
des Schließtellers 48 auf die Stützfläche 68 des
Führungszapfens 54 aufläuft und dabei
den Schaltstoß dämpft, so dass die Schallabstrahlung
weiter verringert ist. Dieses Dämpfungselement 82 kann
des Weiteren noch das Auswölbverhalten des Schließtellers 48 beeinflussen,
um die Arbeitsraumvergrößerung im Hinblick auf
die Verlangsamung des Druckanstiegs zu optimieren.
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Bei
dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
der Schließteller 48 zusätzlich zu den Dämpfungselementen 82 mit
einer in der Stirnfläche 68 mündenden
zentralen Ausnehmung 84 versehen, durch die zum Einen das
Auswölbverhalten optimiert wird und zum Anderen die Wandstärke
des Schließtellers 48 und damit dessen Gewicht
verringert wird, so dass die Schaltdynamik weiter verbessert ist.
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Der
außen liegende Bereich des Schließtellers 48 ist
mit vergleichsweise großer Wandstärke (in Axialrichtung
gesehen) ausgeführt, so dass eine flächige Anlage
der Dichtfläche 50 an den Ventilsitz 42 gewährleistet
ist.
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Selbstverständlich
können die in den 2 bis 7 beschriebenen
Maßnahmen zur Gestaltung des Schließtellers 48 auch
in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Bei
den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen wird über
den Schließteller 48 und dessen außen
liegende Dichtfläche 50 nur ein Durchströmungsquerschnitt
aufgesteuert. Zur Vergrößerung des Durchströmungsquerschnitts
können – wie in 8 vorgeschlagen – mehrere
Dichtkanten oder Dichtflächen am Schließteller 48 ausgebildet
werden, so dass bei einem geringen Hub des Schließtellers 48 ein
vergrößerter Durchströmungsquerschnitt 44 zur
Verfügung gestellt wird.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel sind am Gehäuse 52 des
Ventils 22 drei Ventilsitze ausgeführt, wobei
der radial außen liegende Ventilsitz 42 demjenigen
aus den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen entspricht.
Radial innen liegend zu diesem sind zwei weitere Ventilsitze 86, 88 am
Gehäuse 52 ausgebildet, so dass drei konzentrisch
zueinander angeordnete Sitze 42, 86, 88 vorgesehen
sind. Die beiden radial innen liegenden Ventilsitze 86, 88 sind bei
diesem Ausführungsbeispiel an der Stirnseite des Führungszapfens 54 angeordnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind anstelle von Flächen
am Ventilsitz Dichtkanten ausgeführt. Selbstverständlich
lassen sich die Ventilsitze 42, 86, 88 auch
konisch wie bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen ausbilden.
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Am
Schließteller 48 sind jeweils einem der Sitze 42, 86, 88 zugeordnete
angestellte Dichtflächen 50, 90 bzw. 92 ausgebildet.
Die umlaufenden Dichtflächen 92, 90 sind
durch Flanken einer umlaufenden Dichtnut 94 ausgeführt,
die sich in der dem Führungszapfen 54 zugewandten
rückseitigen Stirnfläche 70 des Schließtellers 48 öffnet.
Diese Dichtnut 94 ist im dargestellten Querschnitt trapezförmig
ausgebildet, so dass sich die schräg angestellten Dichtflächen 90, 92 ergeben.
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In
der Basis dieser trapezförmigen Dichtnut 94 münden
ein ringförmiger oder mehrere auf einem gemeinsamen Teilkreis
liegende Durchbrüche 96, die bei von den Ventilsitzen 42, 86, 88 abgehobenem Schließteller 48 zusätzliche
Durchflussquerschnitte ausbilden, so dass der wirksame Durchströmungsquerschnitt
durch den außen liegenden Durchströmungsquerschnitt 44 und
den oder die aufgesteuerten Durchbrüche 96 bestimmt
ist und somit bei einem sehr geringen Hub bereits ein wesentlich
größerer Durchflussquerschnitt als bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen
aufgesteuert wird.
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In
der dargestellten Öffnungsposition des Ventils 22 kann
das durch den oder die Durchbrüche 96 strömende
Druckmittel – wie bei den eingangs beschriebenen Ausführungsbeispielen – über
den Ringkanal 66 abströmen. Zusätzlich
ist im Führungszapfen 54 ein weiterer Kanal 98 ausgebildet,
der einen axialen Ringraum 102 hat, der einerseits von
einer Innenumfangswandung des Führungszapfens 54 und andererseits
von der Außenumfangswandung des Führungsstößels 46 begrenzt
ist.
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Dieser
Ringkanal geht in einen Radialkanal 100 im Führungszapfen 54 über,
der im Ringkanal 66 mündet.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel ist die Führung des
Führungsstößels 46 gegenüber
den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen vom Führungszapfen 54 nach
oben, hin zum Polraum 74 des Betätigungsmagneten 30 verschoben.
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Bei
dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt
die mittige Abstützung des Schließtellers 48 zur
Begrenzung des Auswölbens somit durch die radial innen
liegenden Ventilsitze 86, 88, deren Axialposition
mit Bezug zum Ventilsitz 42 etwas nach oben (Ansicht nach 8)
verschoben sein kann, um das Auswölben des Schließtellers 48 und
damit die Vergrößerung des Arbeitsraums 8 zu
unterstützen. Es kann jedoch auch eine zusätzliche
Stützfläche vorgesehen werden, um die Abdichtung
zu verbessern.
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Die
Durchbrüche 96 und die trapezförmigen Dichtnuten 94 sind
dann entsprechend auch auf eine Optimierung des Auswölbensverhaltens
konzipiert.
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Durch
Bestromen des Betätigungsmagneten 30 wird dann
der Schließteller 48 in der Darstellung nach 8 nach
oben bewegt, so dass er zunächst den Durchströmungsquerschnitt 44 zusteuert
und mit der Dichtfläche 50 auf die Sitzkante 42 aufläuft.
Danach erfolgt eine leichte elastische Verformung des Schließtellers 48,
so dass dann auch die Dichtflächen 90, 92 auf
den Ventilsitzen 88, 86 aufsitzen, so dass das
Rückschlagventil 22 leckagefrei abgedichtet ist.
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Auch
bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Ventilsitze 42, 86, 88 und
der Führungszapfen 54 einstückig ausgebildet,
so dass die Konzentrizität der Ventilsitze mit Bezug zur
Ventilelementführung gewährleistet ist.
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Auch
beim Ausführungsbeispiel gemäß 8 wird
es bevorzugt, den Schließteller 48 aus Kunststoff
herzustellen.
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Wie
bereits erwähnt, kann bei allen vorbeschriebenen Ventilen
anstelle eines flächigen Sitzes eine Dichtkante ausgeführt
werden. Anstelle der Betätigungsmagneten können
selbstverständlich auch andere geeignete Aktuatoren eingesetzt
werden. Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bei
bereits geringem Hub ein großer Öffnungsquerschnitt
bereitgestellt wird, wobei bei einem Druckaufbau im Arbeitsraum 8 durch
das gezielte Auswölben oder Verformen des Schließtellers 48 die
Druckanstiegsgeschwindigkeit verringert werden kann, um eine stoßartige
Belastung des Triebwerks der Hydromaschine zu minimieren und des
Weiteren die Schallemissionen zu verringern. Die Schaltdynamik kann bei
allen Ausführungsbeispielen durch geeignete Wahl des Schließtellermaterials
weiter verbessert werden.
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Durch
die zentrale Abstützung des Schließtellers 48 kann
dieser gegenüber herkömmlichen Lösungen
mit einem wesentlich größeren Durchmesser bei
geringer Wandstärke (in Axialrichtung) ausgeführt sein.
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Die
Anmelderin behält sich vor, auf die Konstruktion des Ventils 22 mit
verformbarem Schließteller 48 einen eigenen unabhängigen
Anspruch zu richten.
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Offenbart
ist eine ventilgesteuerte Hydromaschine mit einer Vielzahl von Kolben,
die gemeinsam mit einem Zylinder jeweils einen Arbeitsraum begrenzen,
der über ein Zulaufventil und ein Ablaufventil mit einem
Zulauf bzw. Ablauf verbindbar ist. Zumindest eines dieser Ventile
ist mittels eines Aktuators zur Einstellung des Förder-/Schluckvolumens
betätigbar, wobei dieses Ventil als Tellerventil mit einem Schließteller
und einem Führungsstößel ausgeführt ist,
der einen wesentlich kleineren Durchmesser als der Schließteller
hat. Erfindungsgemäß ist der Schließteller
radial innerhalb eines Ventilsitzes über eine Abstützung
abgestützt.
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- 1
- Hydromaschine
- 2
- Zylinder
- 4
- Zylinderbohrung
- 6
- Kolben
- 8
- Arbeitsraum
- 10
- Kolbenschuh
- 12
- Abtriebswelle
- 14
- Steuerkurve
- 16
- Zulaufventil
- 18
- Zulaufleitung
- 20
- Pumpe
- 22
- Ablaufventil
- 24
- Ablaufleitung
- 26
- Tank
- 28
- Betätigungsmagnet
- 30
- Betätigungsmagnet
- 34
- Steuereinheit
- 36
- Drehzahlaufnehmer
- 38
- Feder
- 39
- Gehäusestirnfläche
- 40
- Ventilelement
- 42
- Ventilsitz
- 44
- Durchströmungsquerschnitt
- 46
- Führungsstößel
- 48
- Schließteller
- 50
- Dichtfläche
- 52
- Gehäuse
- 54
- Führungszapfen
- 56
- Führungsbuchse
- 58
- Anker
- 60
- Magnetspule
- 62
- Polring
- 64
- Permanentmagnet
- 66
- Ringkanal
- 68
- Stützfläche
- 70
- rückseitige
Stirnfläche
- 72
- Stirnseite
- 74
- Polraum
- 76
- Ausnehmung
- 78
- Sitzring
- 80
- Mittelbereich
- 82
- Dämpfungselement
- 84
- zentrale
Ausnehmung
- 86
- Ventilsitz
- 88
- Ventilsitz
- 90
- Dichtfläche
- 92
- Dichtfläche
- 94
- Dichtnut
- 96
- Durchbruch
- 98
- Kanal
- 100
- Radialkanal
- 102
- Ringraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1537333
B1 [0002]
- - US 7077378 B2 [0008]