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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigtes
Kolbenschieberventil, welches Anwendung in Regelventilen für
Hydraulikmedien finden kann, insbesondere als Proportionaldrossel.
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Ein
solches Drosselventil kann beispielsweise als Bypass zu einem hydraulischen
Stoßdämpfer eingesetzt werden, um die Dämpfercharakteristik ”hart” oder ”weich” einzustellen.
Ein entsprechendes Durchflussschema eines solchen Hydraulikdämpfers ist
in 5 schematisch skizziert. Darin wird davon ausgegangen,
dass Druckstöße am Dämpfer eine Fluidverdrängung
Q aus einer Dämpferkammer in eine andere Dämpferkammer
verursachen. Dies geschieht über ein passives Ventil V1 im Dämpfer und ein dazu parallel
geschaltetes, verstellbares Ventil V2. Das
Verstellventil V2 kann durch ein erfindungsgemäßes
elektromagnetisch betätigtes Kolbenschieberventil gebildet
werden, welches je nach Bestromung der Erregerspule des Elektromagneten
seinen Strömungswiderstand und dadurch die Dämpfwirkung
des Gesamtsystems verändert.
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Elektromagnetisch
betätigte Proportionaldrosseln ermöglichen eine
gezielte Veränderung des Durchflussquerschnitts unabhängig
von Hilfsgrößen. Die Proportionalcharakteristik
lässt sich durch geeignete Abstimmung und Dimensionierung
der Bauteile des elektromagnetischen Antriebs erzielen. Dadurch wird
erreicht, dass der Hub des Magnetankers zumindest über
weite Strecken näherungsweise proportional zum Antriebsstrom
ansteigt. Im Falle von Kolbenschieberventilen, bei denen ein oder
mehrere radiale Fluiddurchtrittsöffnungen mittels eines
axial verschieblichen Kolbens verschlossen und geöffnet
werden, ermöglicht diese Proportionalcharakteristik eine gezielte
Veränderung des freien Querschnitts der Fluiddurchtrittsöffnungen.
Die Durchtrittsöffnungen können zum Beispiel derart
angeordnet und di mensioniert sein, dass bei einer linearen Erhöhung
des Antriebsstroms eine dazu möglichst proportionale, also ebenfalls
lineare Veränderung des freien Querschnitts der Fluiddurchtrittsöffnungen
erzielt wird.
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Aus
der
DE 10 2006
007 157 A1 ist ein Ventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des anhängenden Anspruchs 1 bekannt. Bei diesem Ventil
ist der Magnetanker bzw. ein mit diesem starr gekoppelter becherförmiger
Schieberkolben elektrisch in zwei entgegengesetzte Richtungen beweglich.
Der Schieberkolben verschließt den Durchlass des Ventils
im elektrisch stromlosen Zustand nur teilweise. Der Eingangsdruck
wird auf die gesamte Stirnfläche des Schieberkolbens geführt
und wirkt entgegen einer Federkraft, um den Schieberkolben in Mittelstellung zu
halten. Um den Schieberkolben aus dieser Mittelstellung in die ein
oder andere Richtung zu bewegen, besitzt der Magnetantrieb zwei
Magnetspulen, um gemeinsam oder unabhängig voneinander
den mit dem Kolbenschieber gekoppelten Magnetanker in die eine oder
die andere Richtung elektrisch anzusteuern.
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Nachteilhaft
an diesem Kolbenschieberventil ist die für die Ansteuerung
der beiden Magnetspulen notwendige aufwändige Steuerungselektronik.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Kolbenschieberventil
der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welches einen geringeren
Ansteuerungsaufwand erfordert.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Kolbenschieberventil mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Ventil ist zusätzlich
zu dem bereits genannten axial verschieblichen Kolben, mit dem die
Fluiddurchtrittsöffnung geöffnet und geschlossen
werden kann, ein zweiter axial verschieblicher Kolben vorgesehen,
gegen den sich der erste Kolben im nicht bestromten Zustand der
Erregerspule des Magnetantriebs abstützt. Darüber
hinaus ist zusätzlich zu der Vorspannfeder, mittels der
der erste Kolben in eine erste Richtung, vorzugsweise in die Öffnungsrichtung,
vorgespannt ist, eine zweite Vorspannfeder vorgesehen, mittels der der
zweite Kolben in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite
Richtung vorgespannt ist. Das bedeutet, da sich der erste Kolben
am zweiten Kolben abstützt, dass die zweite Vorspannfeder
unter Zwischenwirkung des zweiten Kolbens den ersten Kolben entgegen
der ersten Richtung drängt, also vorzugsweise entgegen
der Öffnungsrichtung in die Schließrichtung. Erfindungsgemäß ist
es nun vorgesehen, dass mit der Erregerspule, mittels der der erste
Kolben entgegen der Federkraft der ersten Vorspannfeder betätigt
wird, gleichzeitig der zweite Kolben betätigt wird, wobei
die Anordnung jedoch so gestaltet ist, dass der zweite Kolben bei
einer Bestromung der Erregerspule in die dazu entgegengerichtete
Richtung gedrängt wird, also entgegen der Federkraft der
zweiten Vorspannfeder, also vorzugsweise in die Öffnungsrichtung.
Im Ergebnis führt eine Bestromung der Erregerspule zu einer
Entlastung des ersten Kolbens dergestalt, dass sich der erste Kolben in
die erste Richtung, also vorzugsweise in die Öffnungsrichtung,
bewegt.
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Dabei
macht sich die Erfindung zunutze, dass sich der Magnetanker eines
Elektromagneten bei Bestromung der Erregerspule immer zur Mitte
der Erregerspule hin bewegt, und damit bewegt sich gleichzeitig
der mit diesem Anker verbundene Kolben in eben diese Richtung. Wenn
nun der erste und der zweite Kolben bzw. der oder die damit fest
gekoppelten Magnetanker auf verschiedenen Seiten zur Erregerspulenmitte
angeordnet sind, bewirkt eine Bestromung der Erregerspule eine Bewegung
der beiden Kolben in entgegengesetzte Richtungen. Man benötigt
also keine aufwändige Ansteuerungselektronik für
zwei Erregerspulen.
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Mit
diesem grundsätzlichen Prinzip lassen sich zahlreiche Varianten
von Kolbenschieberventilen realisieren. Auf eine besonders bevorzugte
Variante wird nachfolgend detailliert eingegangen. Bei dieser bevorzugten
Variante sind die mit dem Elektromagneten zusammenwirkenden Bauelemente
des Kolbenschieberventils so gestaltet, dass bei einer Bestromung
der Erregerspule die auf den ersten Kolben, mit dem die Fluiddurchtrittsöffnung
geöffnet und verschlossen werden kann, in die erste Richtung
(das heißt vorzugsweise in Öffnungsrichtung) wirkende Magnetkraft
kleiner ist als die auf den zweiten Kolben, gegen den sich der erste
Kolben abstützt, in die entgegengesetzte zweite Richtung
wirkende Magnetkraft. Der zweite Kolben erfährt somit eine
Entlastung durch die auf ihn wirkende Magnetkraft, welche größer
ist als die Belastung, die wegen der entsprechend kleineren Magnetkraft
auf den ersten Kolben wirkt. Aufgrund dieser Magnetkraftdifferenz
verschiebt sich im Ergebnis der zweite Kolben in die erste Richtung,
welche vorzugsweise mit der Öffnungsrichtung übereinstimmt,
und der erste Kolben verschiebt sich wegen der auf ihn wirkenden
Federvorspannkraft in dieselbe Richtung mit. Dies gilt jedenfalls
solange, wie die auf den ersten Kolben wirkende Federkraft der ersten
Vorspannfeder größer ist als die durch die Erregerspule
auf den ersten Kolben wirkende Magnetkraft. Letztendlich führt
die Bestromung der Erregerspule somit (in der bevorzugten Variante)
zum Öffnen der Fluiddurchtrittsöffnung und damit
zum Öffnen des Ventils.
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Die
Verschiebung des zweiten Kolbens und damit einhergehend auch die
maximale Verschiebung des ersten Kolbens, die der Bewegung des zweiten
Kolbens folgt, wird durch einen Anschlag begrenzt oder zumindest
behin dert. Bei einer bestimmten Bestromungshöhe der Erregerspule
erreicht der zweite Kolben somit diesen Anschlag. Eine weitere Erhöhung
des Erregerstroms hat auf den zweiten Kolben keinen weiteren Einfluss.
Zwar erhöhen sich dann die auf den ersten und den zweiten
Kolben wirkenden (entgegengesetzten) Magnetkräfte, aber
nur die auf den ersten Kolben wirkende Magnetkraft kann tatsächlich
in eine Verschiebung des ersten Kolbens umgesetzt werden, weil der
zweite Kolben bereits am Anschlag liegt. Die weitere Erhöhung
des Erregerstroms führt dann letztendlich dazu, dass der
erste Kolben entgegen der Federkraft der ersten Vorspannfeder zurückbewegt
wird, das heißt vorzugsweise in die Schließrichtung,
sobald die Magnetkraft höher ist als die Federvorspannkraft.
Idealerweise ist das Gesamtsystem so ausgelegt, dass die auf den ersten
Kolben wirkende Magnetkraft (in Schließrichtung) genau
dann gleich der ihr entgegenwirkenden Vorspannkraft der ersten Vorspannfeder
ist, wenn der zweite Kolben gegen den Anschlag fährt. Bei
exakter Auslegung des Systems kann auf den Anschlag auch verzichtet
werden.
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Aus
dem Vorstehenden ergibt sich bereits, dass die Erfindung vorzugsweise
in einem System eingesetzt wird, in dem der erste Kolben die Fluiddurchtrittsöffnung
im unbestromten Zustand der Erregerspule teilweise verschließt
und im bestromten Zustand zunächst öffnet, weil
er sich mit dem zweiten Kolben mitbewegt. Bei weiterer Erhöhung
des Erregerstroms dreht sich die Bewegungsrichtung des ersten Kolbens
um, sobald die auf den ersten Kolben wirkende Magnetkraft die Federkraft
der auf den ersten Kolben wirkenden Vorspannfeder übersteigt,
und führt zum Verschließen der Fluiddurchtrittsöffnungen. Ein
solches System eignet sich für einen Einsatz, bei dem die
Erregerspule grundsätzlich mit einem niedrigen Strom bestromt
wird, um das Ventil in der Offenstellung zu halten. Eine Erhöhung
des Erregerstroms führt zum Schließen des Ventils.
Beim Einsatz in einem Hydrau likdämpfer lässt sich
somit durch eine Erhöhung des Erregerstroms der Durchtrittsquerschnitt des
Ventils reduzieren und eine Dämpfereinstellung ”hart” einstellen.
Im Falle eines Stromausfalls fährt der erste Kolben in
die Ausgangsstellung, in der die Fluiddurchtrittsöffnung
lediglich teilweise verschlossen ist. Die Dämpferkennlinie
ist dann weder ”hart” noch ”weich”,
sondern liegt dazwischen.
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Da
das Dämpfersystem die überwiegende Zeit, beispielsweise
etwa 80% der Zeit, in der geöffneten Stellung sein wird,
ist es bevorzugt, wenn bereits eine niedrige Bestromung der Erregerspule dazu
führt, dass das Ventil maximal geöffnet ist. Um einen
möglichst genau steuerbaren Stellbereich zu erhalten, ist
es vorteilhaft, wenn das Ventil erst bei einer Bestromung vollständig
geschlossen ist, die die niedrige Bestromung (geöffnete
Ventilstellung) um das Mehrfache übersteigt.
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Nachfolgend
wird die Erfindung beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen
beschrieben. Darin zeigen:
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1 ein
elektromagnetisches Kolbenschieberventil gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im unbestromten
Zustand,
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2 das
Ventil aus 1 im leicht bestromten Zustand,
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3 das
Ventil aus 1 im stark bestromten Zustand,
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4 die
im Ventil freigegebene Durchflussquerschnittsfläche A abhängig
von der Bestromung I und
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5 schematisch
die Strömungswege zwischen zwei Hydraulikkammern eines
Hydraulikdämpfers.
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In 1 ist
ein elektromagnetisch betätigtes Kolbenschieberventil 1 gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. 1 zeigt
den unbestromten Zustand des Ventils ist. In diesem Zustand ist
die zur Verfügung stehende Durchflussquerschnittsfläche
teilweise freigegeben, das heißt das Ventil ist ”normal
offen”. Wie nachfolgend detaillierter erläutert
wird, öffnet das Ventil bei Bestromung zunächst
vollständig und schließt bei weiterer Erhöhung
der Bestromung.
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Das
Ventil 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem eine
Erregerspule 3 relativ zu einem axial verlagerbaren Magnetanker 4 aufgenommen
ist. Der Magnetanker 4 ist fest mit einem Kolben 5 verbunden,
dessen freies Ende 6 hier becherförmig ausgeführt
ist. Eine Verlagerung des Magnetankers 4 in die eine oder
andere axiale Richtung bewirkt somit gleichzeitig eine Verlagerung
des Kolbens 5 mit seinem becherförmigen freien
Ende 6. Mittels des becherförmigen Endes 6 des
Kolbens 5 werden radiale Fluiddurchtrittsöffnungen 7 verschlossen.
Eine Vorspannfeder 8, die über den Magnetanker 4 auf
den Kolben 5 wirkt, drängt den Kolben 5 in
eine Position, in der die radialen Fluiddurchtrittsöffnungen 7 vollständig
geöffnet sind. Alternativ könnte die Vorspannfeder 8 auch
so angeordnet sein, dass sie den Kolben 5 in seine Schließstellung
drängt. Durch Bestromung der Erregerspule 3 lässt
sich auf den Magnetanker 4 eine Magnetkraft aufbringen,
mit der der Kolben 5 entgegen der Federvorspannkraft axial
verlagert wird. Die Variierung der freien Querschnittsfläche
der Fluiddurchtrittsöffnungen 7 ist dabei unabhängig
von den auf der Fluideintrittsseite und der Fluidaustrittsseite
herrschenden Drücken P1 bzw. P2.
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Allerdings
wirkt auf den Kolben 5 nicht nur die Federvorspannkraft
der Vorspannfeder 8 in die eine Richtung, sondern es wirkt
auf den Kolben 5 noch eine zweite Federvorspannkraft in
die entgegengesetzte Richtung. Diese zweite Federvorspannkraft wird
erzeugt durch eine zweite Vorspannfeder 9, die sich einerseits
am Gehäuse 2 und andererseits an einem zweiten
Kolben 10 abstützt, über den die Vorspannkraft
der zweiten Vorspannfeder 9 auf den ersten Kolben 5 übertragen
wird. In dem in 1 dargestellten unbestromten
Zustand des Ventils ergibt sich die Stellung des Kolben 5 somit
aus einem Kräftegleichgewicht zwischen den beiden Vorspanfedern 8 und 9.
Eine dritte Vorspannfeder 11 wirkt auf das gegenüberliegende
Ende 12 des Kolbens 5 und stützt sich
dazu an einer Justageschraube 13 ab. Die Justageschraube 13 und
die dritte Vorspannfeder 11 dienen zur Feinjustierung der
Lage des ersten Kolbens 5 im unbestromten Zustand des Ventils
und somit zur Feinjustierung der Durchflussquerschnittsfläche
der Fluiddurchtrittsöffnungen 7 für den
Fall eines Stromausfalls.
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Der
zweite Kolben 10 und der erste Kolben 5 bzw. dessen
damit fest verbundener Magnetanker 4 liegen in dem mittels
der Erregerspule 3 erzeugten Magnetfeld. Da jedoch der
Magnetanker 4 und der zweite Kolben 10 auf unterschiedlichen
Seiten zum Zentrum des Magnetfelds angeordnet sind, wirken auf den
Magnetanker 4 und den zweiten Kolben 10 entgegengesetzt
gerichtete Magnetkräfte. Im Falle der Bestromung der Erregerspule 3 hat
somit der zweite Kolben 10 die Tendenz, sich im dargestellten Ausführungsbeispiel
nach rechts zu bewegen, wohingegen der Kolben 5 mit dem
Magnetanker 4 die Tendenz hat, sich nach links zu bewegen.
Die Magnetkräfte wirken aber immer in Kombination mit den Vorspannkräften
der Vorspannfedern 8 und 9. Das heißt,
die auf den zweiten Kolben 10 wirkende Magnetkraft reduziert
lediglich die Federvorspannkraft der Vorspannfeder 9, und
die auf den Kolben 5 in entgegengesetzter Richtung wirkende
Magnetkraft reduziert lediglich die Vorspannkraft der Vorspannfeder 8.
Für den theoretischen Fall, dass bei Bestromung der Erregerspule 3 dieselben
absoluten Magnetkräfte auf den zweiten Kolben 10 und
den ersten Kolben 5 bzw. dessen Magnetanker 4 ausübt,
würde sich an der Lage des Kolbens 5 im Ventil 1 letztlich
nichts ändern. Daher ist es wesentlich, dass die in unterschiedlicher
Richtung wirkenden Magnetkräfte unterschiedlich groß sind.
Diese Kräfte hängen einerseits von der relativen
Lage des Kolbens 5 und des Magnetankers 4 zum
Zentrum des Magnetfelds ab. Entscheidenden Einfluss haben dabei
aber anderseits auch der Abstand zu dem als Pol wirkenden Anschlag 14 sowie
die dem Pol 14 gegenüberliegende Wirkfläche
des Magnetankers 4 bzw. des zweiten Kolbens 10.
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Bei
dem vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem
das Ventil aus der normalen Öffnungsstellung zunächst
in eine vollständige Öffnungsstellung gebracht
werden soll, sind die mit dem Elektromagneten zusammenwirkenden
Bauelemente so gestaltet, dass die auf den zweiten Kolben 10 wirkende
Magnetkraft FM10 absolut betrachtet größer ist
als die auf den Magnetanker 4 wirkende Magnetkraft FM4. Dies ist in 2 dargestellt.
Die Kräftedifferenz verursacht somit ein Verschieben des
zweiten Kolbens 10 nach rechts in Richtung zum Zentrum
des durch die Erregerspule 3 erzeugten Magnetfelds. Der erste
Kolben 5 folgt dieser Bewegung aufgrund der Federkraft
der Vorspannfeder 8 solange, wie diese Vorspannkraft größer
ist als die dazu entgegengerichtete Magnetkraft FM4.
Die Verlagerung der beiden Kolben 5 und 10 wird
begrenzt durch einen Anschlag 14 im Gehäuse 2.
Eine weitere Erhöhung der Bestromung der Erregerspule 3 hat
solange keine Auswirkung auf die Ventilstellung, wie die auf den
Magnetanker 4 wirkende Magnetkraft FM4 die
Federkraft der Vorspannfeder 8 nicht überschreitet.
Idealerweise sind die im Magnetkreis wirkenden Bauelemente so aufeinander
abgestimmt, dass die Magnetkraft FM4 der
Federkraft der Vorspannfeder 8 genau dann entspricht, wenn
der zweite Kolben 10 auf den Anschlag 14 trifft.
Eine weitere Erhöhung der Bestromung der Erregerspule 3 führt
dann einerseits zu einer stärkeren, auf den zweiten Kolben 10 wirkenden
Magnetkraft FM10, die jedoch wirkungslos
bleibt, weil der zweite Kolben 10 am Anschlag 14 anliegt,
und andererseits zu einer Überwindung der Federkraft der
Vorspannfeder 8 durch die erhöhte Magnetkraft
FM4, so dass sich allein der Kolben 5 in
die entgegengesetzte Richtung, im Ausführungsbeispiel nach
links, zurückbewegt und dabei nach und nach die Fluiddurchtrittsöffnungen 7 verschließt.
Die vollständig geschlossene Stellung ist in 3 dargestellt.
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4 zeigt
dazu einen beispielhaften Verlauf der Fluiddurchtrittsöffnungsfläche
A abhängig von dem die Erregerspule 3 durchfließenden
Strom I. Im unbestromten Zustand ist die Fluiddurchtrittsöffnung
etwa zur Hälfte geöffnet. Bei geringer Bestromung
von beispielsweise 0,4 A ist das Ventil maximal geöffnet.
Der Strömungswiderstand des Ventils ist entsprechend niedrig.
Wird das Ventil als Bypass-Ventil in eine hydraulische Stoßdämpfung
zum Beispiel eines Kraftfahrzeugs eingebaut, wie dies eingangs in
Bezug auf 5 erläutert wurde,
so entspräche die vollständig offene Stellung
der normalen Stellung im Betrieb des Fahrzeugs. Der Strombedarf zur
Aufrechterhaltung dieser Stellung ist gering. Soll die Dämpfungseigenschaft
nun aktiv von der normalen ”weichen” auf eine
härtere Charakteristik verändert werden, so wird
der die Erregerspule durchfließende Strom erhöht
bis auf einen maximalen Wert von beispielsweise 1,5 A, bei dem das
Ventil vollständig geschlossen ist. Im Falle eines Stromausfalls würde
der Stoßdämpfer dagegen eine Charakteristik zwischen
weich und hart annehmen, weil in dieser Position die Fluiddurchtrittsöffnungen 7 weder
vollständig geschlossen noch vollständig geöffnet
sind.
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Zusätzlich
zu den bereits beschriebenen Bauelementen besitzt das Kolbenschieberventil 1 eine
Druckfühlbohrung 15, welche die Fluideintrittsseite,
an der der Druck P1 herrscht, mit der Fluidaustrittsseite, an der
der Druck P2 herrscht, verbindet. In der Druckfühlbohrung 15 ist
ein Druckfühlstift 16 axial verlagerbar angeordnet,
der mit einem Ende an dem Kolben 5 anliegt. Mit dieser
Konstruktion lässt sich ein typischerweise parabelförmiger
Verlauf des Druckverlusts bei steigendem Durchfluss in einen weitgehend
linearen bis degressiven Verlauf verändern. Dies ist gewünscht,
weil der parabelförmige Verlauf des Druckverlustes bei
Durchflussschwankungen zu einem starken Druckaufbau führen
kann, der in vielen Anwendungen störend ist. Der demgegenüber
lineare bis degressive Verlauf wird nun dadurch erreicht, dass der
Druckfühlstift 16 aufgrund der Druckdifferenz ΔP
(ΔP = P2 – P1) gegen den Kolben 5 gedrängt
wird und auf diese Weise eine Druckkraft auf den Kolben 5 ausübt,
die in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Federvorspannkraft der
Vorspannfeder 8 unterstützt. Die freie Querschnittsfläche
der Fluiddurchtrittsöffnungen 7 wird somit durch
die Druckkraft des Druckfühlstifts 16 vergrößert,
wodurch sich der Durchfluss Q erhöht und die Druckdifferenz ΔP
entsprechend abnimmt. Durch geeignete Auslegung des Verhältnisses
der durch den Magnetantrieb erzeugten Magnetkraft und der durch
den Druckfühlstift 16 erzeugten druckabhängigen
Kraft lässt sich eine gewünschte Hydraulikkennlinie
abstimmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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A1 [0004]