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Die
Erfindung betrifft einen Ventilschieber nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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Ventilschieber
werden in hydraulischen oder pneumatischen Steuerungen zur Schaltung
der unterschiedlicher Druckkreise oder zur Regelung einzustellender
Drücke
eingesetzt. In eine zylinderförmige Grundkontur
des Ventilschiebers sind eine oder mehrere Querschnittsverringerungen,
in der Regel mittels einer Drehbearbeitung, eingearbeitet. Die durch
die Eindrehung entstehenden Kanten an der Außenkontur, welche die Mantelflächen der
ursprünglichen
Zylinderform begrenzen, werden auch als Steuerkanten bezeichnet.
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Die
Mantelflächen
der ursprünglichen
Zylinderform verschließen
bei Schaltventilen je nach Schaltstellung des Ventilschiebers bestimmte
Zu- und Ablaufkanäle
des Ventils und steuern somit den Fluss des Betriebsmediums bzw.
die Druckverteilung in dem hydraulischen oder pneumatischen System. Die
Schaltstellung wird dabei mittels eines axial auf den Ventilschieber
wirkenden ersten Druckes und einem diesem entgegen wirkenden zweiten
Druck oder eine mechanische Kraft aus beispielsweise einer Feder
oder einem Elektromagneten, eingestellt.
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Druckregelventile
sollen den Druck im Zu- oder Ablaufkanal auf einen gewünschten
Wert einstellen. Im einfacheren Falle ist hierbei unabhängig von
der Durchflussrate durch das Ventil ein konstanter Druckwert in
dem Zu- oder Ablaufkanal einzustellen, wobei ein Ventil mit einer
Druckregelung im Zulaufkanal als Druckbegrenzungsventil und mit
einer Druckregelung im Ablaufkanal als Druckminderventil bezeichnet
wird. Bei einem Druckbegrenzungsventil unterbricht der Ventilschieber
im Ruhezustand, d. h. druckloser Zulaufkanal, die Verbindung zwischen
Zu- und Ablaufkanal, bei einem Druckminderventil ist im drucklosen
Zustand das Ventil von Zulaufkanal zu Ablaufkanal durchgängig.
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Bei
Regelventilen besteht am Ventilschieber ein Gleichgewicht zwischen
einer axial wirkenden ersten Druckkraft und einer zweiten axial
entgegengesetzt wirkenden Druckkraft und/oder mechanischen Kraft,
die beispielsweise durch eine Feder oder einen Elektromagneten erzeugt
wird. Hierbei wird der Druck zur Erzeugung der ersten Druckkraft parallel
von einem in dem Zu- oder Ablaufkanal herrschenden Druck abgezweigt
und über
eine Rückmeldeleitung
auf eine axiale Rückmeldefläche des
Ventilschiebers geleitet. Bei einer konstanten Durchflussrate nimmt
der Ventilschieber eine bestimmte Stellung ein, in welcher der Ventilschieber
die Mündung des
Zulaufkanals in der Ventilbohrung soweit überdeckt, dass sich zwischen
der Steuerkante und der Mündung
des Zulaufkanals ein Drosselquerschnitt einstellt, über den
eine bestimmte Durchflussrate zum Ablaufkanal abfließt, so dass
der Druck im Zulaufkanal konstant bleibt.
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Bei
einer Änderung
der ersten und/oder der zweiten Druckkraft und der daraus resultierenden Verschiebung
des Ventilschiebers wird ein von einer Steuerkante des Ventilschiebers
und einer Gehäusekante
in der Ventilbohrung gebildeter Drosselquerschnitt derart verändert, so
dass sich wieder der Sollwert eines geänderten einzustellenden Druckes
einregelt.
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Bei
hohen Durchflussmengen durch ein Regelventil steigen die Strömungsgeschwindigkeit
und damit die Unterschiede in der Druckverteilung innerhalb des
Ventils. Bei quer zu deren Längsrichtung
angeströmten
Ventilschiebern bildet sich aufgrund des Staudrucks, der auf die
Projektionsfläche über den vollen
Durchmesser des Ventilschiebers wirkt eine Querkraft aus, welche
den Ventilschieber gegen die dem Staudruck gegenüberliegende Seite der Innenkontur
der Ventilbohrung drückt
und zu Reibung bzw. Verschleiß führen kann,
wodurch die Regelgüte
beeinträchtigt
wird und das Regelventil nicht mehr seine Funktion erfüllt.
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Es
ist eine Ausführungsform
eines Ventilschiebers aus einem Druckregelventil bekannt, bei welchem
eine besondere Kontur der Querschnittsverringerung zwischen den
Steuerkanten eine Kompensation der axialen Strömungskräfte infolge einer steigenden
Durchflussmenge bewirkt. Bei der besagten Kontur der Querschnittsverringerung
verkleinert sich zunächst
der Durchmesser des Ventilschiebers in einem konischen Verlauf längs des
Ventilschiebers und erweitert sich nach dem Erreichen einer kleinsten
Querschnittsfläche
wieder in ebenfalls konischer Weise. Durch die Kompensation der
axialen Strömungskräfte bleibt
der geregelte Druck über
der Durchflussmenge konstant. Eine Kompensation der Querkräfte findet
jedoch nicht statt.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist die Schaffung eines
Ventils mit einem verbesserten Verschleißverhalten zwischen Ventilschieber und
Ventilbohrung. Die Lösung
dieser Aufgabe erfolgt mit einem Ventilschieber mit den im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
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Ein
Ventilschieber eines von einem Fluid quer zur Längsachse des Ventilschiebers
durchströmten
Ventils (Regelventils), ist in einer Ventilbohrung zwischen einer
ersten Position, die vom Anliegen des Ventilschiebers einen ersten
Anschlag bestimmt ist und einer zweiten Position, die vom Anliegen
des Ventilschiebers an einen zweiten Anschlag bestimmt ist, axial
verschiebbar angeordnet und weist eine zylinderförmige Außenkontur auf (Hüllkontur).
Durch eine Querschnittsverringerung des Ventilschiebers wird mindestens
eine erste Steuerkante ausgebildet. Quer zur Längsrichtung des Ventilschiebers
münden
mindestens ein Zulaufkanal in einem Zulaufkanalfenster und mindestens
ein Ablaufkanal in einem Ablaufkanalfenster in die Ventilbohrung. Hierbei
weist der Ventilschieber mindestens eine weitere Querschnittsverringerung
auf, die in ihrer axialen Lage derart am Ventilschieber angeordnet
ist, dass in der zweiten Position des Ventilschiebers die weitere Querschnittsverringerung
innerhalb eines Zulaufkanalfensters und/oder eines Ablaufkanalfensters
befindlich ist. In der zweiten Position des Ventilschiebers an dem
zweiten Anschlag weist das Druckregelventil üblicherweise den größten Öffnungsquerschnitt
zwischen Zulaufkanal und Ablaufkanal auf.
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Aufgrund
der weiteren Querschnittsverringerung steht zum einen dem durch
das Ventil strömenden
Medium ein größerer Durchflussquerschnitt
zur Verfügung,
wodurch die lokale Strömungsgeschwindigkeit
sinkt und sich somit in radialer Richtung um den Ventilschieber
im Bereich der weiteren Querschnittsverringerung der Druck ausgleicht.
Des Weiteren entsteht kein Druckanstieg durch Staueffekte in einem
hinteren Ringkanal auf der gegenüberliegenden
Seite des Zulaufkanalfensters. Ebenso kann aufgrund der geringeren
Druckwiderstände
der Pumpendruck reduziert werden. Zum anderen stellt der im Bereich
der Querschnittsverringerung des Ventilschiebers verringerte Durchmesser
eine geringe Angriffsfläche
für den
beim Auftreffen eines strömenden Mediums
auf einen Körper
entstehenden Staudruck dar. Durch beide Effekte wird die auf den
Ventilschieber in nachteiliger Weise wirkende Querkraft aufgehoben
bzw. reduziert. Als weitere vorteilhafte Wirkung entsteht keine
Querkraft auf den Ventilschieber infolge der durch über den
Umfang unterschiedlichen druckbeaufschlagten Gussschrägen, da
der Durchmesser des Ventilschiebers deutlich kleiner ist als die Ventilbohrung
und so die benetzten Flächen
in alle radialen Richtungen gleich sind. Mit der Kompensation der
Querkraft nimmt der Verschleiß ab
und aufgrund der geringeren Reibung verbessert sich die Regelgüte des Ventils.
Der geregelte Druck ist unabhängig
von dem durch das Ventil strömenden
Medium, wobei das Medium sowohl flüssig als auch gasförmig sein
kann.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
weitere Querschnittsverringerung als Eindrehung in den zylinderförmigen Ventilschieber
ausgebildet. Dieses Fertigungsverfahren bietet eine hohe Genauigkeit
und kann in bestehende Ventilschieber vom Stand der Technik nachträglich eingebracht
werden. Durch die Einbringung der Querschnittsverringerung in den
Ventilschieber ist keine aufwändige
Gehäusebearbeitung
erforderlich.
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In
einer Variante des erfindungsgemäßen Gegenstandes
ist das Ventil in welchem der Ventilschieber angeordnet ist als
Druckbegrenzungsventil ausgebildet. In einem Druckbegrenzungsventil
wird der Druck in der Zulaufleitung auf einem konstanten Wert gehalten,
bzw. auf einen bestimmten Wert geregelt.
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In
einer alternativen Ausführung
ist das Ventil in welchem der Ventilschieber angeordnet ist als Druckminderventil
ausgebildet. In einem Druckminderventil wird der Druck in der Ablaufleitung
auf einem konstanten Wert gehalten, bzw. auf einen bestimmten Wert
geregelt.
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Eine
besondere Ausführungsform
sieht einen erfindungsgemäßen Ventilschieber
in einem Druckbegrenzungsventil in einem hydraulischen Steuergerät eines
Getriebes vor.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im
Folgenden näher
beschrieben. Es zeigen
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1 eine
schematische Darstellung eines Längsschnitts
durch ein Druckbegrenzungsventil mit einem Ventilschieber nach dem
Stand der Technik in Regelstellung;
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2 eine
schematische Darstellung eines Längsschnitts
durch ein Druckbegrenzungsventil mit einem Ventilschieber nach dem
Stand der Technik in voll geöffneter
Stellung;
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3 eine
schematische Darstellung eines Längsschnitts
durch ein Druckbegrenzungsventil mit einem erfindungsgemäßen Ventilschieber
in Regelstellung und
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4 eine
schematische Darstellung eines Längsschnitts
durch ein Druckbegrenzungsventil mit einem erfindungsgemäßen Ventilschieber
in voll geöffneter
Stellung.
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1 zeigt
die Ausführung
eines Ventilschiebers 110 nach dem Stand der Technik, der
in einem Ventilgehäuse 1 eines
als Druckbegrenzungsventil wirkenden Regelventils 100 in
einer Ventilbohrung 12 in Richtung seiner Längsachse 120 zwischen einem
ersten Anschlag 13 und einem zweiten Anschlag 17 verschiebbar
angeordnet ist. In die Ventilbohrung 12 mündet zwischen
einer ersten 6 und zweiten Gehäusekante 7, welche
axial bezogen auf die Längsachse 120 ein
Zulauffenster 21 begrenzen, ein Zulaufkanal 2 und
zwischen einer dritten 18 und vierten Gehäusekante 19,
welche ein Ablauffenster 22 axial begrenzen, ein Ablaufkanal 4 in
die Ventilbohrung 12. Ein von dem Zulaufkanal 2 abgezweigter Rückmeldungskanal 3 mündet in
einen Rückmeldungsdruckraum 16 an
der Ventilbohrung 12. Die von der Grundform her zylinderförmige Außenkontur 114 des
Ventilschiebers 110 weist eine erste Querschnittsverringerung 112 auf,
durch welche eine erste Steuerkante 111 und eine erste
Schieberkante 116 gebildet wird. Die Kontur der ersten
Querschnittsverringerung 112 verjüngt sich konisch jeweils von
der ersten Steuerkante 111 und der ersten Schieberkante 116 her.
Zwischen der ersten Steuerkante 111 und der ersten Schieberkante 116 befindet
sich der kleinste Außendurchmesser
des Ventilschiebers 110 im Bereich der ersten Querschnittsverringerung 112. In
einer zur Längsachse 120 zentrischen
Federbohrung 117 in einem ersten Ende des Ventilschiebers 110 ist
eine Feder 11 angeordnet, die sich an einem gegen einen
im Ventilgehäuse 1 fest
angeordneten Verschlussstopfen 10, der die Ventilbohrung 12 verschließt, abstützt. Der
Verschlusstopfen 10, die Ventilbohrung 12 und
die Federbohrung 117, welche im Ventilschieber 110 ausgebildet
ist, bilden den Federraum 9. Der Federraum 9 kann
sowohl drucklos mit der Entlüftung
verbunden als auch mit einem Steuerdruck beaufschlagbar sein. Bei
einer Beaufschlagung mit einem Steuerdruck kann das Druckregelventil
je nach Verlauf des Steuerdrucks unterschiedliche Drücke oder
Druckverläufe über der
Zeit regeln.
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An
einem zweiten Ende des Ventilschiebers 110 ist dessen Außendurchmesser
soweit reduziert, dass eine axiale, ringförmige Rückführfläche 113 gebildet wird
und das Ende des Ventilschiebers 110 als ein Führungszapfen 118 ausgebildet
ist. Der Führungszapfen 118 ist
in einer Führungsbohrung 14 geführt und
wird im Ruhezustand des Druckbegrenzungsventils, d. h. der Zulaufkanal 2 ist
drucklos, mit einer Anschlagfläche 115 von
der vorgespannten Feder 11 gegen einen ersten Anschlag 13 im
Ventilgehäuse 1 gedrückt. Der
erste Anschlag 13 befindet sich in einem Entlüftungsraum 5,
der drucklos ist und in welchem die Leckage vom Rückmeldungsdruckraum 16 abgeführt wird.
Die Länge
des Führungszapfens 118 ist
so bemessen, dass im Ruhezustand die Rückführfläche 113 nicht am Ventilgehäuse 1 anliegt und
so gewährleistet
ist, dass das Betriebsmedium einen Druck auf die Rückführfläche 113 ausüben kann.
Der Ruhezustand ist weiterhin dadurch charakterisiert, dass die
erste Steuerkante 111 die erste Gehäusekante 6 überdeckt
und der Ventilschieber 110 so die Verbindung zwischen Zulaufkanal 2 und
Ablaufkanal 4 unterbricht.
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Im
Betriebszustand wird das flüssige
oder gasförmige
Betriebsmedium durch den Zulaufkanal 2 zum Zulaufkanalfenster 21 und
durch den Rückmeldekanal 3 in
den Raum an der Rückführfläche 113 gefördert. Da
das Betriebsmedium nicht abfließen kann
staut sich dieses auf und der Druck erhöht sich.
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Übersteigt
die Kraft, welche der auf die Rückführfläche 113 wirkende
Druck des Betriebsmediums erzeugt, die Vorspannkraft der Feder 11,
bewegt sich der Ventilschieber 110 in der Darstellung in 1 nach
links und die Überdeckung
der ersten Steuerkante 111 über die erste Gehäusekante 6 verringert sich,
bis sich zwischen der ersten Steuerkante 111 über die
erste Gehäusekante 6 ein
Drosselspalt ausbildet, durch den das Betriebsmedium zum Ablaufkanal 4 abfließen kann,
wodurch sich der Druck in dem Zulaufkanal 2 auf einen konstanten
Sollwert einstellt. Eine Erhöhung
der Durchflussrate in dem Zulaufkanal 2 bewirkt einen Druckanstieg,
der jedoch direkt auf die Rückführfläche 113 wirkt
und den Ventilschieber 110 weiter gegen die Feder verschiebt.
Hierdurch vergrößert sich
wiederum der Drosselspalt zwischen der ersten Steuerkante 111 und
der ersten Gehäusekante 6,
so dass der Druck im Zulaufkanal unabhängig von der Durchflussrate
konstant gehalten wird.
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Die
obere Betriebsgrenze der Druckregelung stellt hierbei ein bestimmte
Durchflussrate dar, ab welcher der Ventilschieber 110 nach
links gegen die Kraft der Feder 11 an dem Verschlussstopfen 10 anliegt,
wie dies in 2 dargestellt ist. Hierdurch
ist bei einem Druckanstieg in dem Zulaufkanal 2 infolge einer
gesteigerten Durchflussrate keine weitere Öffnung des Drosselspalts zwischen
der ersten Steuerkante 111 und der ersten Gehäusekante 6 mehr
möglich,
so dass keine Druckreglung mehr erfolgen kann. Eine Steigerung der
Durchflussrate ab diesem Zustand bedeutet einen Anstieg des Drucks
im Zulaufkanal 2.
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Die
bei hohen Durchflussraten ebenfalls hohen Strömungsgeschwindigkeiten erzeugen
an der zylindrischen Außenkontur 114 des
Ventilschiebers 110 im Bereich zwischen der ersten 6 und
zweiten Gehäusekante 7 einen
Staudruck. Des Weiteren kann es bei bestimmten Durchflussraten im
Bereich eines hinteren Ringraumes 15 zu Aufstauungen und damit
zu Druckanstiegen kommen. Aufgrund der sich hierdurch ergebenden
ungleichen radialen Druckverteilung um den Umfang des Ventilschiebers 110 stellt sich
eine resultierende Querkraft auf diesen ein. Die Folge davon sind
Reibung, Verschleiß und
eine schlechte Regelgüte,
die sich unter anderem in einem ausgeprägten Hystereseverhalten äußert.
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Ein
erfindungsgemäßer Ventilschieber 210 in einem
Druckbegrenzungsventil 200 ist in 3 gezeigt.
Eine erste Querschnittsverringerung 212 ist hierbei als
einfache Eindrehung ausgeführt.
Zusätzlich
zu dieser ist der Außendurchmesser
des Ventilschiebers 210 im Bereich der ersten Steuerkante 211 in
Form einer als Eindrehung ausgeführten
zweiten Querschnittsverringerung 221 reduziert. Eine ebenfalls
eingedrehte dritte Querschnittsverringerung 222 verkleinert
den Durchmesser des Ventilschiebers 210 im Bereich der
ersten Schieberkante 216. Eine Rückführfläche 213 sowie ein
Führungszapfen 218 und
eine Federbohrung 217 erfüllen die gleichen Funktionen
wie beim Stand der Technik in 1 und 2.
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Die
Wirkung der zweiten Querschnittsverringerung 221 und der
dritten Querschnittsverringerung 222 wird in 4 deutlich,
in welcher die Stellung des Ventilschiebers 210 bei maximaler
Durchflussrate dargestellt ist. Der Ventilschieber 210 liegt
hierbei in einer zweiten Position an einem zweiten Anschlag 17 an.
Die zweite Querschnittsverringerung 221 ist hinsichtlich
ihrer axialen Lage am Ventilschieber 210 so angeordnet,
dass diese in der gezeigten Stellung vom Zulaufkanalfenster voll überdeckt
wird und damit im Bereich des Zulaufkanalfensters 21 zwischen
der ersten 6 und zweiten Gehäusekante 7 der Außendurchmesser
des Ventilschiebers 210 sehr klein ist, wodurch dem zuströmenden Betriebsmedium
ein großer
Strömungsquerschnitt
zur Verfügung
steht. Hierdurch ist der Staudruck selbst als auch die Angriffsfläche für den Staudruck
des schnell fließenden Betriebsmediums
reduziert und der Zuflussquerschnitt zu dem hinteren Ringraum 15 ist
gegenüber dem
Stand der Technik größer. Die
Druckverteilung in radialer Richtung um den Ventilschieber 210 ist
hierdurch ausgeglichen, wodurch geringere bis keine Querkräfte auf
den Ventilschieber 210 wirken. Die axiale Lage der dritten
Querschnittsverringerung 222 ist so gewählt, dass diese beim Anliegen
des Ventilschiebers 210 an dem zweiten Anschlag 17 innerhalb des
Ablaufkanalfensters 22 zwischen der dritten 18 und
vierten Gehäusekante 19 liegt.
Hierdurch steht dem durchströmenden
Betriebsmedium ein möglichst
großer
Strömungsquerschnitt
mit den genannten vorteilhaften Wirkungen zur Verfügung. Die größtmögliche vorteilhafte
Wirkung der zweiten 221 und dritten Querschnittsverringerung 222 wird
bei einer Lage innerhalb des Zulaufkanalfensters 21 bzw. des
Ablaufkanalfensters 22 erzielt.
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- 1
- Ventilgehäuse
- 2
- Zulaufkanal
- 3
- Rückmeldekanal
- 4
- Ablaufkanal
- 5
- Entlüftung
- 6
- erste
Gehäusekante
- 7
- zweite
Gehäusekante
- 9
- Federraum
- 10
- Verschlussstopfen
- 11
- Feder
- 12
- Ventilbohrung
- 13
- erster
Anschlag
- 14
- Führungsbohrung
- 15
- hinterer
Ringraum
- 16
- Rückmeldungsdruckraum
- 17
- zweiter
Anschlag
- 18
- dritte
Gehäusekante
- 19
- vierte
Gehäusekante
- 21
- Zulaufkanalfenster
- 22
- Ablaufkanalfenster
- 100
- Druckbegrenzungsventil
(Stand der Technik)
- 110
- Ventilschieber
- 111
- erste
Steuerkante
- 112
- erste
Querschnittsverringerung
- 113
- Rückführfläche
- 114
- zylinderförmige Außenkontur
- 115
- Anschlagfläche
- 116
- erste
Schieberkante
- 117
- Federbohrung
- 118
- Führungszapfen
- 120
- Längsachse
- 200
- Druckbegrenzungsventil
- 210
- Ventilschieber
- 211
- erste
Steuerkante
- 212
- erste
Querschnittsverringerung
- 213
- Rückführfläche
- 214
- zylinderförmige Außenkontur
- 215
- Anschlagfläche
- 216
- erste
Schieberkante
- 217
- Federbohrung
- 218
- Führungszapfen
- 220
- Längsachse
- 221
- zweite
Querschnittsverringerung
- 222
- dritte
Querschnittsverringerung