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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe für eine Fahrzeugbremsanlage
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige
Kolbenpumpen werden in Kraftfahrzeugen mit hydraulischen Fahrzeugbremsanlagen
eingesetzt und häufig als Rückförderpumpen
bezeichnet. Sie dienen bei einer Schlupfregelung dazu, den Bremsdruck
in den Radbremszylindern wahlweise abzusenken oder zu erhöhen,
um so den Bremsdruck in den Radbremszylindern regeln zu können.
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Die
DE 197 32 770 A1 zeigt
eine gattungsgemäße Kolbenpumpe, bei der das Auslassventil
als Rückschlagventil ausgebildet ist. Das Auslassventil umfasst
einen kugelförmigen Ventilschließkörper,
der mittels einer als Schraubenfeder ausgebildeten Schließfeder
in Richtung auf einen Ventilsitz federkraftbeaufschlagt ist. Es
bestehen Bestrebungen, die insbesondere als ABS-/ESP-Pumpenelement
dienende Kolbenpumpe hinsichtlich ihrer Geräuschemission
zu optimieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine geräuschoptimierte
Kolbenpumpe für eine hydraulische Fahrzeugbremsanlage vorzuschlagen.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird mit einer Kolbenpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung
fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei
von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren
offenbarten Merkmalen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Geräuschemission
der Kolbenpumpe dadurch zu minimieren, dass der Ventilschließkörper
zumindest eines Ventils der Kolbenpumpe einen Schaftabschnitt und
einen in einer Schließstellung des Ventils dichtend mit
dem Ventilsitz des Ventils zusammenwirkenden Kalottenabschnitt aufweist.
Unter einem Kalottenabschnitt wird dabei ein Kugelsegmentabschnitt
verstanden, der einen gekrümmten (kalottenförmigen)
Oberflächenabschnitt aufweist. Dieser wirkt bevorzugt derart
mit einem, insbesondere als Innenkegelsitz ausgebildeten Ventilsitz
zusammen, dass bei an dem Ventilsitz anliegendem Ventilschließkörper
eine kreisringförmige Dichtfläche bzw. Dichtlinie
erhalten wird. Eine Kolbenpumpe mit einem derart ausgebildeten Ventilschließkörper
hat gegenüber bekannten Kolbenpumpen, insbesondere im Hinblick
auf deren Geräuschentwicklung eine Vielzahl von Vorteilen.
So kann das Schwingungsverhalten des Ventilschließkörpers
aufgrund des Vorsehens des insbesondere als Führung dienenden Schaftabschnittes
gegenüber bekannten kugeligen Ventilschließkörpern
erheblich reduziert werden. Darüber hinaus kann der Schaftabschnitt
je nach Axialerstreckung als Hubbegrenzung dienen, so dass der Verstellweg
des Ventilschließkörpers bei jeder Öffnungsbewegung
gleich groß ist. Aufgrund der kugelsegmentförmigen
(kalottenförmigen) Ausbildung des mit dem Ventilsitz zusammenwirkenden
(vorderen) Abschnittes des Ventilschließkörpers
muss die Gesamtkonstruktion der Kolbenpumpe nicht geändert
werden, sondern der im Hinblick auf die Geräuschentwicklung
optimierte Ventilschließkörper ist mit bisher
zum Einsatz kommenden, innenkegelförmigen Ventilsitzen
verwendbar. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung
des Ventilschließkörpers mit einem Kalottenabschnitt
und einem daran anschließenden Schaftabschnitt kann zudem,
insbesondere bei einer einstückigen Ausbildung des Ventilschließkörpers aus
Kunststoff, das Verschleißverhalten am Ventilsitz optimiert
werden, wodurch eine verbesserte Dichtheit des Ventils über
die Lebensdauer der Kolbenpumpe erhalten wird. Eine nach dem Konzept
der Erfindung ausgebildete Kolbenpumpe kann sowohl als Druck- als
auch als Saugpumpe eingesetzt werden.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass das
Ventil mit optimiertem Ventilschließkörper das
Auslassventil der Kolbenpumpe ist. Bei geöffnetem Auslassventil,
also bei von dem Ventilsitz abgehobenem Ventilschließkörper,
strömt Bremsflüssigkeit in axialer Richtung an
dem Kalottenabschnitt vorbei, vorzugsweise zu einer in einem Verschlussdeckel
eingeprägten, radialen Nut, durch die die Bremsflüssigkeit
aus der Kolbenpumpe ausströmen kann.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform der Kolbenpumpe,
bei der der Ventilschließkörper wie bisher üblich
aus Stahl, oder aus Kunststoff ausgebildet ist, wodurch die Masse
des Ventilschließkörpers um etwa um den Faktor
10 gegenüber einer Stahlkugel verringert werden kann. Hierdurch
wird der Öffnungsimpuls des insbesondere als Auslass ventil
ausgebildeten Ventils reduziert, wodurch wiederum ein Überschwingen
des Ventilschließkörpers vermieden wird. Insgesamt
kann hierdurch die Geräuschentwicklung der Kolbenpumpe noch
weiter reduziert werden. Auch verbessert sich, wie eingangs erläutert,
das Verschleißverhalten am Ventildichtsitz. Darüber
hinaus ist eine kostengünstige und nur geringfügig
toleranzbehaftete Herstellung des Ventilschließkörpers
im Spritzgussverfahren oder als Stahlumformteil möglich.
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Besonders
vorteilhaft wirkt sich die Ausbildung des Ventilschließkörpers
aus Kunststoff bei einer Ausführungsform der Kolbenpumpe
aus, bei der der Schaftabschnitt als Führungsabschnitt
für den Ventilschließkörper dient. Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform der Kolbenpumpe,
bei der der Schaftabschnitt zylindrisch konturiert ist. Die zylindrische
Ausbildung des Schaftabschnittes ermöglicht auf einfache
Weise die Integration des Ventilschließkörpers
in ein Sackloch mit einem kreisrunden Querschnitt, insbesondere
in einen Verschlussdeckel der Kolbenpumpe.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass am
Schaftabschnitt mehrere, vorzugsweise gleichmäßig über
den Umfang verteilte, Führungsrippen vorgesehen sind, mit
denen der Schaftabschnitt und damit der gesamte Ventilschließkörper
in einem Sackloch bzw. einem Aufnahmeloch in radialer Richtung geführt
ist. Bevorzugt erstrecken sich die Führungsrippen in axialer
Richtung, vorzugsweise über zumindest nahezu die gesamte
Axialerstreckung des, insbesondere zwischen benachbarten Führungsrippen
zylinderförmigen, Schaftabschnittes.
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Das
Vorsehen eines Ventilschließkörpers mit einem
Kalottenabschnitt hat gegenüber einem kugelförmigen
Ventilschließkörper weiterhin den Vorteil, dass
der Öffnungsquerschnitt im Vergleich zu einem rein kugelförmigen
Ventilschließkörper vergrößert ausgebildet
werden kann. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass
der doppelte Krümmungsradius des Kalottenabschnittes, d.
h. der doppelte Krümmungsradius der gekrümmten
Oberfläche des vorderen Abschnittes des Ventilschließkörpers größer
ist als der Durchmesser des Schaftabschnittes. Besonders bevorzugt
ist eine Ausführungsform, bei der im Fall des Vorsehens
von Führungsrippen am Schaftabschnitt der doppelte Krümmungsradius des
Kalottenabschnittes sogar größer ist als der von den
Führungsrippen gebildete (Außen-)Durchmesser des
Schaftabschnittes des Ventilschließkörpers.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform der Kolbenpumpe,
bei der der Schaftabschnitt in einem Sackloch in einem Verschlussdeckel der
Kolbenpumpe geführt ist, wobei der Verschlussdeckel bevorzugt
axial an eine den Pumpenkolben abschnittsweise aufnehmende Laufbuchse
für den Pumpenkolben angrenzt. Dabei ist der Ventilsitz,
mit dem der Ventilschließkörper bzw. sein Kalottenabschnitt
dichtend zusammenwirkt, bevorzugt an der Laufbuchse, insbesondere
stirnseitig an dieser, ausgebildet.
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Der
Bauraum kann bei einer Kolbenpumpe mit einem Ventilschließkörper,
der einen Kalottenabschnitt und einen Schaftabschnitt aufweist dadurch weiter
optimiert, d. h. ausgenutzt, insbesondere reduziert, werden, dass
die mit dem Ventilschließkörper zusammenwirkende
Schließfeder abschnittsweise innerhalb des Schaftabschnittes, insbesondere
radial innerhalb einer äußeren Führungsfläche,
aufgenommen ist.
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Bevorzugt
ist hierzu eine sich in axialer Richtung erstreckende, stirnseitige
Ringnut zur Aufnahme der Schließfeder vorgesehen, wobei
die Ringnut bevorzugt mit Radialabstand zur Mantelfläche
bzw. zu den Führungsrippen des Schaftabschnittes angeordnet
ist. Besonders bevorzugt wird von einem von der Schließfeder
umschlossenen Kernabschnitt des Ventilschließkörpers
ein Hubanschlag zur axialen Begrenzung der Hubbewegung des Ventilschließkörpers
gebildet. Zusätzlich oder alternativ kann der Hubanschlag
von einer Stirnseite eines Umfangswandabschnittes gebildet werden.
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Aus
Gründen der Materialersparnis und im Hinblick auf ein optimiertes
Strömungsverhalten des Bremsfluids bei von dem Ventilsitz
abgehobenem Ventilschließkörper ist eine Ausführungsform
von Vorteil, bei der der Kalottenabschnitt bzw. der gekrümmte
Oberflächenabschnitt als Ringabschnitt ausgebildet ist,
wobei der Kalottenabschnitt stirnseitig von einem abgeflachten,
insbesondere kreisförmigen Flächenabschnitt begrenzt
ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1:
einen Ausschnitt einer Kolbenpumpe mit einem optimierten Auslassventil,
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2a:
eine perspektivische Ansicht eines optimierten Ventilschließkörpers
von schräg vorne,
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2b:
eine Längsschnittansicht des Ventilschließkörpers
gemäß 2a,
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3a:
eine perspektivische Ansicht eines Ventilschließkörpers
mit vier gleichmäßig über den Umfang
verteilten Führungsrippen und
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3b:
eine Längsschnittansicht des Ventilschließkörpers
gemäß 3a.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
eine Kolbenpumpe 1 gezeigt. Diese ist in einem Hydraulikblock 2 angeordnet,
in dem außer der Kolbenpumpe 1 weitere, nicht
dargestellte Bauteile einer eine Schlupfregelung aufweisenden hydraulischen
Fahrzeugbremsanlage wie Magnetventile, Rückschlagventile
und Hydrospeicher untergebracht und hydraulisch miteinander verschaltet
sind. Der Hydraulikblock 2 bildet ein Pumpengehäuse
der Kolbenpumpe 1. In diesem Hydraulikblock 2 ist
eine mehrfach gestufte Pumpenbohrung 3 angeordnet.
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Die
Kolbenpumpe 1 weist einen Pumpenkolben 4 auf,
dessen eines, einem Verdrängerraum 5 abgewandetes
Ende mit einer Ringdichtung 6 (Niederdruckdichtung) gegenüber
einem Excenterraum 7 abgedichtet ist. In dem Excenterraum 7 ist
ein Excenter 8 rotierbar um eine senkrecht zur Längserstreckung
des Pumpenkolbens 4 verlaufende Drehachse drehbar angetrieben,
wobei der Pumpenkolben 4 mit seiner dem Verdrängerraum 5 abgewandten
Stirnseite 9 am Umfang des Excenters 8 anliegt,
der den Pumpenkolben in axialer Richtung antreibt.
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Ein
anderes, dem Verdrängerraum 5 zugewandtes Ende
des Pumpenkolbens 4 ist in einer Laufbuchse 10 (Pumpenzylinder)
aufgenommen, die mittels einer Presspassung in der Pumpenbohrung 3 sitzt.
Die Presspassung bewirkt eine Abdichtung zwischen der Ein- und der
Auslassseite, d. h. zwischen der Nieder- und der Hochdruckseite
der Kolbenpumpe 1. Axial an dem Pumpenkolben 4 schließt
in Richtung des Verdrängerraums 5 ein Kunststoffdichtelement 38 an,
das radial außen am Innenumfang der Laufbuchse 10 anliegt,
und das den Verdrängerraum 5 in Richtung eines
Pumpeneinlasses der Kolbenpumpe 1 abdichtet.
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Für
den Pumpeneinlass ist in dem Kunststoffdichtelement 38 ein
sich in dem Pumpenkolben 4 fortsetzender Axialkanal 11 vorgesehen,
der nahe seines Grundes von Querbohrungen 12 gekreuzt wird.
Der Axialkanal, der im Pumpenkolben 4 als Sackloch ausgeführt
ist, und die Querbohrungen 12 kommunizieren mit einer Zuströmbohrung 13 im
Hydraulikblock 2.
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Am
verdrängungsraumseitigen Ende des Pumpenkolbens 3 ist
ein Rückschlagventil als Einlassventil 14 vorgesehen.
Das Einlassventil 14 weist eine Ventilplatte 15 (alternativ
z. B. Ventilkugel) auf, die mit einem konischen Einlassventilsitz 16 zusammenwirkt,
der an einer Mündung des Axialkanals 11 am Kunststoffdichtelement 38 angebracht
ist. Eine Schraubendruckfeder als Einlassventilschließfeder 17 drückt
die Ventilkugel 15 gegen den Einlassventilsitz 16.
Die Ventilkugel 15 und die Einlassventilschließfeder 17 sind
in einem Einlassventilgehäuse 18 aufgenommen,
welches als napfförmiges Spritzgussteil aus Kunststoff
mit nicht gezeigten Durchströmöffnungen ausgebildet
ist. Das Einlassventilgehäuse 18 weist eine Ringstufe 19 auf,
an der eine Rückstellfeder 20 für den
Pumpenkolben 4, die innerhalb des Verdrängerraums 5 angeordnet
ist, angreift. In axialer Richtung stützt sich das Einlassventilgehäuse 18 am
Kunststoffdichtelement 38 ab, welches dadurch gegen den
Pumpenkolben 4 kraftbeaufschlagt wird.
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Neben
dem Einlassventil 14 weist die Kolbenpumpe 1 ein
als Auslassventil ausgebildetes Ventil 21 auf. Dieses ist,
wie das Einlassventil 16 als Rückschlagventil
ausgebildet.
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Innerhalb
eines Verschlussdeckels 22 der Kolbenpumpe 1 ist
zentrisch ein Sackloch 23 (Auslassventilkammer) angeordnet.
In diesem ist eine Schließfeder 24 (Schraubendruckfeder)
des Ventils 21 angeordnet. Die Schließfeder 24 stützt
sich einenends am Grund des Sacklochs 23 und anderenends an
einem Ventilschließkörper 25 des Ventils 21 ab. Der
als Spritzgussteil aus Kunststoff ausgebildete Ventilschließkörper 25 weist
einen in der Zeichnungsebene rechten, dem Verdrängerraum 5 zugewandten
Kalottenabschnitt 26 und einen daran in axialer Richtung
anschließenden, sich in Richtung des Grundes des Sacklochs 23 erstreckenden
Schaftabschnitt 27 auf. Mittels des Außenumfangs
des Schaftabschnittes 27 ist der Ventilschließkörper 25 am
Umfang des Sacklochs 23 geführt. Die als umlaufender Ring
ausgebildete, teilkugelförmige Oberfläche 28 (Kalotte)
des Kalottenabschnittes 26 wirkt mit einem innenkonusförmigen
Ventilsitz 29 zusammen, der an der in der Zeichnungsebene
linken Stirnseite der Laufbuchse 10 ausgebildet ist.
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Wird
der Pumpenkolben 4 von dem Excenter 8 in axialer
Richtung in der Zeichnungsebene nach links in den Verdrängerraum 5 hineinbewegt,
wird der Ventilschließkörper 25 entgegen
der Federkraft der Schließfeder 24 in der Zeichnungsebene
nach links in das Sackloch 23 hineinverstellt. Hierdurch
kann im Verdrängerraum 5 befindliches Hydraulikfluid (Bremsflüssigkeit)
axial zwischen dem Kalottenabschnitt 26 und dem Ventilsitz 29 hindurch
in das Sackloch 23 und von dort aus über eine
in den Verschlussdeckel 22 eingeprägte Radialnut 30 zu
einem Abströmkanal 31 strömen.
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Die
Hubbewegung des Ventilschließkörpers 25 wird
begrenzt durch einen Hubanschlag 32 (Hubbegrenzung), der
von der in der linken Zeichnungshälfte befindlichen Stirnseite
des Schaftabschnittes 27, genauer von der Stirnseite eines
Zentralabschnittes 33 des Ventilschließkörpers 25 gebildet
ist. Aufgrund des Vorsehens des Schaftabschnittes 27, der mit
seinem Außenumfang am Innenumfang des Sacklochs 23 geführt
ist, werden Schwingungen des Ventilschließkörpers 25 bei
seiner Verstellbewegung minimiert. Darüber hinaus ist der Öffnungsimpuls
aufgrund der einstückigen Ausbildung des Ventilschließkörpers 25 aus
Kunststoff minimiert.
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Wie
aus 1 zu erkennen ist, ist der doppelte Radius R der
gekrümmten Oberfläche 28 größer
als der Durchmesser D des zylindrischen Schaftabschnittes (2R > D), wodurch ein großer Öffnungsquerschnitt
des Ventils 21 realisiert wird. Hieraus resultiert ein
schnelles Abströmen von Hydraulikfluid aus dem Verdrängerraum 5 und
in der Folge eine schnelle Druckänderung im Bremszylinder
(nicht gezeigt).
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Wie
aus 1 weiter zu erkennen ist, erstreckt sich die Schließfeder 24 in
axialer Richtung in eine stirnseitige Ringnut 34 in den
Ventilschließkörper 25 hinein. Die Ringnut 34 umschließt
dabei den Zentralabschnitt 33, dessen freie Stirnseite
den Hubanschlag bildet. Wie aus 1 zu erkennen
ist, beträgt die Axialerstreckung der Ringnut etwa 2/3
der Axialerstreckung des Schaftabschnittes 27.
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In 2a und 2b ist
eine mögliche Ausführungsform des Ventilschließkörpers 25 gezeigt. Zu
erkennen ist der (vordere) Kalottenabschnitt 26 mit seiner
abschnittsweise gekrümmten Oberfläche 28.
Die gekrümmte Oberfläche 28 erstreckt
sich ringförmig um den Kalottenabschnitt 26, dessen
Stirnseite 35 abgeflacht ausgebildet ist. Dabei erstreckt
sich die kreisförmige Stirnseite 35 senkrecht
zur Längserstreckung des Ventilschließkörpers 25.
In axialer Richtung schließt an den Kalottenabschnitt 26 der
zylindrische Schaftabschnitt 27 an. Der Durchmesser D (vgl. 2b)
des Schaftabschnittes 27 entspricht dabei dem Durchmesser
des Sacklochs 23 abzüglich eines minimalen Führungsspiels.
Wie aus 2b zu erkennen ist, ist der
Krümmungsradius R der gekrümmten Oberfläche 28 des
Kalottenabschnittes 26 größer als der
halbe Durchmesser des Schaftabschnittes 27.
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Aus 2b ist
weiterhin zu erkennen, dass die Ringnut 34 den Schaftabschnitt
in radialer Richtung unterteilt in den Zentralabschnitt 33 und
einen Umfangswandabschnitt 36. Die Ringnut 34 dient,
wie aus 1 ersichtlich ist, zur ab schnittsweisen
Aufnahme der als Schraubendruckfeder ausgebildeten Schließfeder 24 des
Ventils 21.
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In 3b ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Ventilschließkörpers 25 aus
Kunststoff (alternativ Stahlumformteil) gezeigt. Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß den 3a und 3b ist
der zylindrische Schaftabschnitt 27 mit vier gleichmäßig in
Umfangsrichtung beabstandeten Führungsrippen 37 versehen,
die sich nahezu über die gesamte Längserstreckung
des Schaftabschnittes 27 erstrecken und die zur Führung
des Ventilschließkörpers 25 am Innenumfang
des Sacklochs dienen. Durch das Vorsehen der Führungsrippen 37 kann
das Abströmverhalten (größerer Abströmquerschnitt)
des Hydraulikfluids verbessert werden.
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Wie
weiterhin aus den 3a und 3b zu erkennen
ist, ist der Krümmungsradius R des Kalottenabschnittes 6 mehr
als doppelt so groß wie der halbe Durchmesser D des Schaftabschnittes,
wobei der Durchmesser D des Schaftabschnittes in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
von den Führungsrippen 37 gebildet bzw. begrenzt
ist. Ansonsten entspricht das Ausführungsbeispiel des Ventilschließkörpers 25 gemäß den 3a und 3b dem
in den 2a und 2b gezeigten,
zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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