DE102008058589A1 - Modulares Ventil- und Kennlinienkonzept - Google Patents

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Abstract

Ventilbaugruppen mit den Bezeichnungen wie u.a. Senkbremsventil, Lasthalteventil, Overcenterventil und Senkbremssperrventil dienen zur Erfüllung von Sicherheitsfunktionen in hydraulisch arbeitenden Maschinen mit Hebe- und Senkfunktionen oder Drehbewegungen und können dazu über Steuerdruckbeaufschlagung in ihrer Bremswirkung beeinflusst werden. Bekannte Ausführungen, z.B. mit Differenzflächen für die Steuerdruckbeaufschlagung, erfordern einen hohen Fertigungsaufwand und erfordern auch bei der Inbetriebnahme einen erhöhten Aufwand. Eine einmal gewählte Ventilkennlinie ist qualitativ nicht mehr änderbar, so dass auch für Alternativen desselben Ventilprinzips aufwendige Konstruktionsänderungen und zusätzliche Fertigungskosten notwendig werden. Es ist Aufgabe der Erfindung eine Ventilbaugruppe mit beeinflussbarer Bremsfunktion zu schaffen, die durch ein modulares Ventilkonzept, mit modular aufgebautem Kennlinienfeld, kostengünstig herstellbar, einfach einstellbar und mit geringstem Aufwand umrüstbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Schließkörper des Druckbegrenzungsventils in axialer Richtung mit zwei beidseitig, entgegengesetzt wirkenden Federkräften beaufschlagt wird. Es wirkt die Kraft einer Druckentlastungsfeder auf den Schließkörper, entgegen der Kraft der Schließfeder, dadurch wird die resultierende Schließkraft am Schließkörper vermindert und somit der Bremsdruck. Durch die, im Rahmen der Neuerung vorgeschlagene Konzeption ergeben ...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Ventilbaugruppe, bestehend aus einem Druckbegrenzungsventil mit zwei Arbeitsanschlüssen – einem Primäranschluss, verbunden mit einem externen Steuerventil und einem Sekundäranschluss, verbunden mit einem Verbraucher – sowie einem Steuerdruckanschluss zur Beeinflussung der Druckeinstellung des Druckbegrenzungsventils, sowie einem Umgehungsrückschlagventil mit freiem Durchfluss vom Primär- zum Sekundäranschluss und gesperrter Durchflussrichtung vom Sekundär- zum Primäranschluss.
  • Solche Ventilbaugruppen sind unter den Bezeichnungen Senkbremsventil, Lasthalteventil, Bremsventil, Overcenterventil oder auch Senkbremssperrventil bekannt und werden zur Erfüllung von Sicherheitsfunktionen z. B. in hydraulisch arbeitenden Maschinen mit Hebe- und Senkfunktionen oder Drehbewegungen eingesetzt. Dabei ist die Ventilbaugruppe als Sicherheitsorgan zwischen Steuerventil und Hydraulikzylinder geschaltet und verhindert ungewollte und dadurch gefährliche Senkbewegungen der angeschlossenen Lastmittel unter äußeren, sich ändernden Lastwirkungen bzw. Lastwechsel sowie bei Störungen im Hydrauliksystem. Eine Senkbremsventilbaugruppe beinhaltet mehrere Funktionen: Verhinderung von Kavitation im Ölzufluss zum Verbraucher bei sogen. ziehender Last durch kontrollierte Senkbremsfunktion; bei Stillstand der Anlage eine Lasthaltefunktion; beim Einwirken von unzulässig hohen äußeren Kräften auf das Lastmittel, Begrenzung des Maximaldruckes als Schockabsorber; Begrenzung des Sekundärdruckes bei Ölerwärmung im Zylinder, besonders bei doppeltwirkendem Zylinder mit überkreuz geschalteten Senkbremsventilen, im Stillstand; als Overcenterventil, in Dreh- oder Schwenkantrieben mit doppeltwirkendem Zylinder, Verhinderung einer Geschwindigkeitszu- oder -abnahme bei Lastwechsel; bei Schlauch- oder Rohrbruch im Zufluss zum Primäranschluss als Rohrbruchsicherung.
  • Stand der Technik:
  • Aus der DE 298 13 971 U1 ist eine Ventilbaugruppe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, die die vorstehend geschilderten Funktionen weitestgehend erfüllt. Offenbart ist hier ein, an einem Steueranschluss steuerbares hydraulisches Druckbegrenzungsventil mit einer Doppelfederanordnung, wobei sich in der Grundstellung die resultierende Federkraft der zwei hintereinandergeschalteten Druckfedern auf den Schließkörper des Druckbegrenzungsventils abstützt und dadurch den Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils bestimmt. Mit einem zwischengeschalteten Stellkolben, zwischen den zwei Federn der Doppelfederanordnung, der wiederum gegen einen federbelasteten Anschlag verfahrbar ist, im Sinne der Minderung der Federkraft der Doppelfederanordnung auf den Schließkörper des Druckbegrenzungsventils und somit der Verringerung des Öffnungsdrucks. Beim Anschlagen des Stellkolbens an dem federbelasteten Anschlag ist nur noch die direkt auf den Schließkörper drückende Feder der Doppelfederanordnung mit ihrer Kraftwirkung für den Öffnungsdruck bestimmend. Zur Erreichung einer weiteren Öffnungsdruckminderung am Schließkörper des Druckbegrenzungsventils kann der Zwischenkolben gegen die Vorspannkraft der Anschlagfeder weiter verschoben werden, bei entspr. steigendem Steuerdruck. Aufgrund der vorgeschlagenen, einseitigen Doppelfederanordnung mit zwischengeschaltetem Stellkolben muss der Stellkolben mit einer druckbeaufschlagbaren Steuerfläche in der Form einer Differenzfläche ausgeführt werden. Das bedeutet ein Steuerkolbenbauteil mit zwei geringfügig unterschiedlichen Außendurchmessern, durch die die erforderliche Steuerfläche in der Form einer Ringfläche gebildet wird und demgegenüber im Gehäuse der Ventilbaugruppe, zur Aufnahme und Führung des Steuerkolbens, zwei abgesetzte Bohrungen mit denselben Nennmaßen der Innendurchmesser aber geringfügig größer, so dass sich der Stellkolben klemmfrei bewegen kann. Es ist bekannt, dass solche, notwendig sehr enge, Stufenpassungen zwischen zwei Bauteilen hohe Anforderungen an die Maß- und Formgenauigkeit, sowie geringste Exzentrizität der zwei Innen- bzw. Außendurchmesser zueinander bedingen. Eine seriensichere Fertigung ist bei diesen hohen Anforderungen aufwendig und dadurch kostenintensiv. Für eine sichere Funktion ist es aber unerlässlich, dass ein geringstmöglicher Leckölanfall bei dennoch reibungsarmer Stellbewegung des Stellkolbens erreicht wird. Beim Einsatz der vorstehend beschriebenen Ventilbaugruppe in einem doppeltwirkenden System, z. B. Schwenkantrieb als sogen. Overcenterventil, ist üblicherweise und wie in 1b der DE 298 13 971 U1 gezeigt, die Ventilbaugruppe zweifach in einem Ventilgehäuse zusammengefasst, somit ist die präzise zu fertigende Stufenbohrung ebenfalls zweimal in einem nicht rotationssymmetrischen Gehäuse vorhanden, was die Fertigungsproblematik und damit die Gestehungskosten noch zusätzlich erhöht.
  • Durch die konstruktive Festlegung der Differenzfläche ist der Verlauf der Minderung des Bremsdruckes in Abhängigkeit des Steuerdruckes in der Form einer Ventil-Entlastungskennlinie festgelegt und am fertigen Ventil nicht mehr änderbar. Sind für verschiedene Einsatzfälle andere Kennlinien des Druckverlaufs erforderlich, so ist bei der vorgeschlagenen Konzeption eine weitere Gehäuseversion mit einer anderen Stufenbohrung zur Aufnahme einer dafür neu ausgelegten Stellkolbenversion erforderlich, was besonders durch die dadurch erzeugte Gehäusevielfalt erhöhte Kosten bei der Serienfertigung verursacht. Ebenfalls werden notwendige Anpassungen bei der Optimierung von Prototypanlagen zeitaufwendig und erhöhen die Entwicklungskosten zusätzlich.
  • Der Sitzkörper für den Schließkörper des Druckbegrenzungsventils ist in einem einstückigen Bauteil über eine Gewindeverbindung mit dem Ventilgehäuse verbunden, so dass dadurch eine Verstellmöglichkeit der Druckbegrenzungsventil-Baugruppe, mit Auswirkung auf die Federvorspannung der Doppelfederanordnung, geschaffen wurde.
  • Zur Einstellung der erforderlichen Betriebskennwerte sind somit bei der vorgeschlagenen Ventilbaugruppe insgesamt drei Einstellmöglichkeiten vorgesehen. Eine erste Einstellung ist an der mit Primär-Einstellschraube bezeichneten Einstellschraube zur Änderung der Federvorspannung der Doppelfederanordnung möglich, wodurch der Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils vorgegeben wird; die Ventilbaugruppe insgesamt befindet sich dabei in ihrer Grundstellung. Eine weitere Einstellung betrifft den Hub des Stellkolbens bis zu seinem federbelasteten Anschlag der durch Veränderung der Position des Schließkörpers zum Ventilgehäuse, mit Hilfe des Einschraubgewindes am Sitzkörper, eingestellt wird. Es ist aber leicht erkennbar, dass durch die Lageveränderung des Schließkörpers ebenfalls die Vorspannung der Doppelfederanordnung verändert wird und somit der zuvor eingestellte Öffnungsdruck des Überdruckventils der in der Folge an der Primär-Einstellschraube wieder korrigiert werden muss, wodurch sich wiederum der Stellkolben-Hub verändert und evtl. ebenfalls wieder korrigiert werden muss usw.
  • Mit der dritten Einstellung an der sogen. Tertiär-Einstellschraube wird die Steuerdruckhöhe bestimmt ab der eine weitere Absenkung des Ansprechdruckes des Druckbegrenzungsventils erreicht wird, z. B. beim Einsatz als Overcenterventil. Da die Primär-Einstellschraube in die Tertiär-Einstellschraube eingeschraubt ist, wird beim Verstellen der Tertiär-Einstellschraube auch die Einstellposition der Primär-Einstellschraube verändert und somit auch der zuletzt erreichte Einstellwert des Öffnungsdruckes des Druckbegrenzungsventils. Es ist also ein iteratives Vorgehen für alle drei Einstellmöglichkeiten erforderlich, um zu den gewünschten Einstellwerten zu kommen. Das ist sehr zeitaufwendig und mit den entsprechenden Kosten verbunden und zielgerichtet nur an einem dafür geeigneten Prüfstand mit Messmitteln sicher erreichbar. Eingebaut in einer Maschine ist eine Einstellung aller Werte nahezu unmöglich, selbst kleinere Korrekturen der Einstellwerte vor Ort erfordern eine umfassende Kenntnis der Ventilfunktionen und der gegenseitigen Abhängigkeiten bei der Verstellung der drei Einstellschrauben was für einen normalen Anlagenmonteur oder Wartungsmonteur, mit wesentlich breiterem Aufgabengebiet, kaum beherrschbar ist und somit zu gefährlichen Fehleinstellungen bei unzulässig hohem Zeitaufwand führen kann.
  • Aufgabe der Erfindung ist, unter Vermeidung der genannten Nachteile, eine Ventilbaugruppe mit beeinflussbarer Bremsfunktion, für den eingangs beschriebenen Anwendungsbereich zu schaffen, die durch ein modulares Ventilkonzept, mit sich daraus ergebendem modularen Kennlinienfeld kostengünstig herstellbar, einfach einstellbar und mit geringstem Aufwand für unterschiedliche Einsatzzwecke umrüst- bzw. anwendbar ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Schließkörper des Druckbegrenzungsventils wird in axialer Richtung mit zwei beidseitig, entgegengesetzt wirkenden Federkräften beaufschlagt.
  • In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wirkt die Kraft der Druckentlastungsfeder auf den Schließkörper, entgegen der Kraft der Schließfeder und mindert dadurch die resultierende Schließkraft am Schließkörper.
  • In weiterer Ausbildung der Erfindung ist die Vorspannung der Druckentlastungsfeder über einen ersten Hilfskolben durch Steuerdruck veränderbar.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich aus der Anordnung eines zweiten, mit Steuerdruck beaufschlagbaren Hilfskolbens der sich, gleichwirkend zur Kraft der Druckentlastungsfeder, auf dem Schließkörper abstützt und die resultierende Schließkraft am Schließkörper zusätzlich mindert. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen beschrieben.
  • Mit dieser Erfindung wird eine Ventilbaugruppe für den eingangs beschriebenen Anwendungsbereich als Druckbegrenzungsventil mit durch Steuerdruck beeinflussbarer Druckeinstellung für Lasthalte- und Bremsfunktionen in Maschinen vorgeschlagen, die sich durch einen einfachen und modularen Aufbau auszeichnet und dadurch kostengünstig herstellbar ist, sowie mit geringstem Aufwand in ihrer Kennlinie den verschiedensten Maschinenanforderungen angepasst werden kann. Weiterhin ist die Einstellung der maßgebenden Druckwerte gegenüber dem geschilderten Stand der Technik wesentlich vereinfacht, wodurch gefährliche Fehleinstellungen vermieden werden und die Einstellung bzw. Einstellungskorrektur vor Ort an der Maschine auch von weniger geübten Personen möglich ist, was letztendlich auch die Inbetriebnahmekosten verringert.
  • Weitere Vorteile und Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden.
  • Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
  • Die Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in den nachfolgenden Beschreibungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
  • 2 Hydraulischer Schaltplan des Ausführungsbeispiels nach 1.
  • 3 Hydraulischer Schaltplan bei doppeltwirkender Anordnung des Ausführungsbeispiels nach 1 bzw. 2, z. B. bei einem Schwenkantrieb.
  • 4 Modulares Kennlinienfeld des ersten Ausführungsbeispiels nach 1.
  • 5 Prinzipdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
  • 6 Modulares Kennlinienfeld des zweiten Ausführungsbeispiels nach 5.
  • Ein erstes Ausführungsbeispiel nach 1 zeigt die Ventilbaugruppe 1 in der erfindungsgemäßen modularen Anordnung der funktionsbestimmenden Bauteile bzw. Teilbaugruppen. Die Darstellung ist dabei schematisiert und auf das Wesentliche reduziert, um den Erfindungsgedanken klar erkennbar darzustellen. Die Ventilbaugruppe 1 hat die drei Anschlüsse: Primäranschluss A, Sekundäranschluss B und den Steuerdruckanschluss X. Die Darstellung geht aus von einem gemeinsamen Gehäuse 2 in dem die Funktionsbaugruppen in der vorliegenden Form zueinander angeordnet sein können. Verschlussteile sind vereinfachend nicht gezeigt da diese jedem Fachmann als Schraub- oder Flanschausführungen mit den entspr. Abdichtungen bekannt sind. Das Druckbegrenzungsventil 3 als eine Teilbaugruppe besteht aus dem Schließkörper 4 und der Sitzbohrung 5 als Teil des Gehäuses 2. Die Schließfeder 6 erzeugt die Schließkraft auf den Schließkörper 4 gegen den durch das rechte Ende der Sitzbohrung gebildeten Sitz 8 und ist über einen Einstellmechanismus 7 in ihrer Vorspannung verstellbar. Der symbolisch dargestellte Einstellmechanismus 7 wird üblicherweise durch eine nach außen abgedichtete Verstellschraube gebildet. Der Schließkörper 4 ist insgesamt, wie für direkt gesteuerte Druckbegrenzungsventile allgemein bekannt, in der bewährten Form eines Ventilkegels mit Verbindungsstück 9 und Dämpfungskolben 10 gestaltet. Der durch den Durchmesserunterschied zwischen Sitzbohrung 5 und Verbindungsstück 9 gebildete Hohlraum 11 ist einerseits über die Verbindungsleitung 12 mit dem Sekundäranschluss B hydraulisch verbunden und andererseits führt eine Verbindungsleitung 13 zur Sperrseite des Rückschlagventils 14. Auf der gegenüberliegenden Seite ist das Rückschlagventil 14 über eine weitere Verbindungsleitung 15 mit dem Primäranschluss A verbunden. Der Federraum 16 des Druckbegrenzungsventils 3 ist über eine Verbindungsleitung 17 und der Verbindungsleitung 15 ebenfalls mit dem Primäranschluss A hydraulisch verbunden.
  • Eine weitere Teilbaugruppe 20 besteht aus einem Stößelbolzen 21 der in einem Führungsteil 22 geführt ist. Das Führungsteil 22 wird hierbei als einfach austauschbares Teil innerhalb des Gehäuses 2 vorgeschlagen, könnte aber auch entfallen und der Stößelbolzen 21 direkt im Gehäuse 2 geführt werden. Eine Abdichtung 23 zwischen Führungsteil 22 und Stößelbolzen 21 kann vorhanden sein. Über die Teilbaugruppe 30 und deren Steueranschluss X kann, abhängig von der Steuerdruckhöhe am Steuerdruckanschluss X, der Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils 3 gemindert und dessen druckabhängige Kennlinie, abweichend von der Grundeinstellung der Schließfeder 6, bestimmt werden. Diese Teilbaugruppe 30 besteht aus einem ersten Hilfskolben 31, geführt in der zugeordneten Bohrung 32 und einer ersten Feder 33 und einer zweiten Feder 34 die sich beide in einem gemeinsamen Federraum 35 befinden, einem zweiten Hilfskolben 36 dessen Führungsbohrung 37 mittig im ersten Hilfskolben 31 angeordnet ist. Beide Federn 33 und 34 stützen sich einerseits, stirnseitig am ersten Hilfskolben 31 und andererseits die erste Feder 33 an einem ortsfesten Anschlag am Führungsteil 22, bzw. alternativ an der entsprechenden Gehäusewand 38 und die zweite Feder 34 an einem Federteller 39 ab. Der Federteller 39 ist am Stößelbolzen 21 zentrisch gelagert, somit wirkt die Vorspannkraft der zweiten Feder 34, über den Federteller 39 und den Stößelbolzen 21 stirnseitig auf den Dämpfungskolben 10 des Schließkörpers 4 und somit entgegen der Vorspannkraft der Schließfeder 6. Der zweite Hilfskolben 36 schlägt einerseits stirnseitig ebenfalls am Federteller 39 an und wird auf seiner entgegengesetzten Stirnseite vom Steuerdruck beaufschlagt der über den Steueranschluss X eingespeist wird. Der erste Hilfskolben 31 hat einerseits den festen Anschlag 40 am Gehäuse 2, oder der durch ein Verschlussteil analog gebildeten Anschlagfläche, und andererseits den einstellbaren Anschlag 41. Der Federraum 35 ist über die Verbindungsleitung 42 mit dem Primäranschluss A hydraulisch wirksam verbunden.
  • Es sind insgesamt vier funktionsbestimmende Steuerflächen vorhanden: F1 gebildet aus dem Querschnitt des Stößelbolzens 21; F2 gebildet aus dem Durchmesser der Sitzbohrung 5; F3 gebildet aus dem Querschnitt des Hilfskolbens 36 und F4 gebildet aus der Flächendifferenz der Querschnittsfläche des Hilfskolbens 31 abzüglich der Querschnittsfläche des Hilfskolbens 36. Wie später noch näher erläutert wird bestimmen die Flächenverhältnisse der Flächen F1 ...F4 zueinander, in Abstimmung mit den gewählten Federraten und Federkräften, den Aufbau der modularen Ventilkennlinie. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ventilkonzeption mit der Aufteilung in Teilbaugruppen ist es einfach möglich eine bedarfsgerechte, alternative Gesamtfunktion lediglich durch Austausch einfach zu fertigender Alternativteile, wie z. B. der Teilbaugruppe 20 mit alternativem Durchmesser des Stößelbolzens 21 oder innerhalb der Teilbaugruppe 30 eine alternative Durchmesserkombination des Hilfskolbens 36 im Hilfskolben 31. Im Rahmen des vorgesehenen Einbauraums sind auch die Federn 6, 33 und 34 in alternativen Abmessungen möglich.
  • 2 zeigt das hydraulische Ersatzschaltbild des Einzelventils nach 1.
  • Ventile gemäß der im Oberbegriff des ersten Patentanspruchs beschriebenen Gattung werden vorzugsweise zweifach in doppeltwirkender Anordnung in einem gemeinsamen Gehäuse, mit überkreuz geschalteten Steuerdruckanschlüssen, in doppeltwirkenden Systemen eingesetzt deren Betriebsverhalten durch wechselnde Kraftwirkungen auf das Stellsystem gekennzeichnet ist. Ein beispielhafter Schaltplan einer doppeltwirkenden Anordnung der erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe zeigt 3. Der symbolisch dargestellte mechanische Schwenkantrieb 50 übt, je nach Lage und Höhe der Last, unterschiedliche Kräfte auf den hydraulischen Stellantrieb in der Form eines doppeltwirkenden Zylinders 55 aus, in diesem Beispiel als doppeltwirkender Differentialzylinder 55 dargestellt. Alternative Anordnungen mit Gleichgangzylinder, Schwenkzylinder oder drehenden Hydraulikmotoren sind bekannt und mit derselben Ventilansteuerung möglich. Innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 60 sind die erfindungsgemäßen Ventilbaugruppen V1 und V2, entsprechend dem Schaltplan als Einzelventil nach 2, so eingebaut, dass die Überkreuzschaltung der Steuerdruckanschlüsse X1 bzw. X2 bereits integriert ist und nur noch die Hauptanschlüsse, Primäranschluss A1 bzw. A2, sowie Sekundäranschluss B1 bzw. B2 beim Einbau in eine Anlage montiert werden müssen. Dabei ist, in dem vorliegenden Beispiel, die Ventilbaugruppe V1 über ihren Sekundäranschluss B1 mit dem Druckanschluss C1 der Bodenseite und die Ventilbaugruppe V2 über ihren Sekundäranschluss B2 mit dem Druckanschluss C2 der Stangenseite des Differentialzylinders 55 hydraulisch verbunden. Analog sind die Primäranschlüsse A1 bzw. A2 mit den entspr. Ausgangs-Anschlüssen eines für diese Anwendung geeigneten und üblichen Wegeventils WV hydraulisch verbunden. Das Wegeventil WV ist andererseits über Eingangsanschlüsse mit einer Druckquelle P und einem Hydrauliktank T, wie allgemein üblich, verbunden. In seiner Mittelstellung, als Grund- bzw. Ruhestellung, verbindet das Wegeventil WV die Primäranschlüsse A1 bzw. A2 mit dem Hydrauliktank T, so dass diese Anschlüsse in dieser Betriebssituation drucklos sind. Dem Hydraulikschaltplan nach 3 ist ebenfalls zu entnehmen, dass der Steuerdruckanschluss X1 der Ventilbaugruppe V1 mit dem Primäranschluss A2 der Ventilbaugruppe V2 und der Steuerdruckanschluss X2 der Ventilbaugruppe V2 mit dem Primäranschluss A1 der Ventilbaugruppe V1 hydraulisch verbunden ist und somit die sogen. Überkreuzschaltung der Steuerdruckanschlüsse realisiert.
  • Anhand der 1 ...3 kann nun in der Folge die Funktion und die sich dabei ergebenden Vorteile der Erfindung erklärt werden. In der gezeichneten Position der Last, bei Schwenkwinkel +α, gelangt der dadurch verursachte Lastdruck über C1-B1 auf die Sekundärseite der Ventilbaugruppe V1 und wirkt über die Verbindungsleitung 12 auf die Steuerfläche F2 des Schließkörpers 4 des Druckbegrenzungsventils 3 entgegen der Vorspannkraft der Schließfeder 6. Die Steuerfläche F1 des Stößelbolzens 21 wird ebenfalls mit demselben Lastdruck beaufschlagt. Ebenso wirkt derselbe Lastdruck über die Verbindungsleitung 13 auf die Sperrseite des Rückschlagventils 14. Befindet sich das Wegeventil WV in der Mittelstellung, so sind die Primärseiten beider Ventilbaugruppen V1 und V2 drucklos und somit auch die Steuerdruckanschlüsse X1 bzw. X2 und ebenfalls die jeweiligen Federräume 16 bzw. 35. Im Normalbetrieb wird in der gezeichneten Lastposition auch die Stangenseite des Differentialzylinders 55 drucklos sein und somit der Zylinderanschluss C2 und damit auch die Sekundärseite der Ventilbaugruppe V2.
  • Die durch die Lastdruckbeaufschlagung der Steuerfläche F1 erzeugte, axial wirkende Kraft des Stößelbolzens 21 wird über den Federteller 39 und den Hilfskolben 36 auf die Anschlagfläche 40 des Gehäuses 2 oder einem entspr. Verschlussteil abgestützt und hat somit in dieser Betriebssituation keinen Einfluss auf die Ventilfunktionen. Der mit dem Einstellmechanismus 7 gewählte Einstellwert des Öffnungsdruckes des Druckbegrenzungsventils 3.1 bestimmt die Sicherheit gegen das ungewollte Absenken der Last und muss deshalb mit ausreichendem Sicherheitsabstand zum maximalen Betriebsdruck bei bestimmungsgemäßer Nutzung des Lastschwenkantriebes 50 eingestellt sein. Andererseits schützt das Druckbegrenzungsventil 3.1 die druckbeaufschlagten Teile der hydraulischen Anlagenteile gegen einen zu hohen Gesamt-Lastdruck, bei der Einwirkung unplanmäßig auftretender zusätzlich von außen wirkenden Kräften im Sinne der Lasterhöhung, vor einer Beschädigung.
  • Da es sich beim Beispiel um ein geschlossenes Hydrauliksystem auf der Zylinderseite handelt, muss durch die Druckbegrenzungsventile 3.1 bzw. 3.2, in der Ventilbaugruppe V1 oder V2, auch der Fall der Druckerhöhung, verursacht durch Flüssigkeitsausdehnung bei thermischer Einwirkung, abgesichert werden, was bei der erfindungsgemäßen Anordnung ebenfalls gewährleistet ist.
  • Soll der Schwenkantrieb 50 aus der gezeigten Position nach rechts, also im Sinne der Verkleinerung des Schwenkwinkels +α, bewegt werden, so wird die Bewegung durch das Schalten des Wegeventils WV in die sogen. Parallelstellung eingeleitet, wodurch die Druckquelle P mit dem Primäranschluss A1 und der Primäranschluss A2 mit dem Tank verbunden werden. Übersteigt die Druckhöhe der Druckquelle P den Lastdruck an B1 kann das Rückschlagventil 14.1 öffnen und den Ölfluss zum Zylinderanschluss C1 frei geben. Eine Bewegung des Zylinders ist aber erst dann möglich wenn am Zylinderanschluss C2 eine dem Zylinder-Flächenverhältnis entsprechende Ölmenge abfließen kann, dies wird durch die Ventilbaugruppe V2 beeinflusst deren Öffnungsdruck am Druckbegrenzungsventil 3.2, in dieser Situation als Bremsventil, zusätzlich überwunden werden muss und dessen Druckwert sich dem Zulaufdruck an A1 zu einem Gesamtzulaufdruck addiert, so dass dieser höher ist als allein durch die Last verursacht. Da, wie bereits erläutert, beide Druckbegrenzungsventile 3.1 und 3.2 in ihrer Grundeinstellung mit einem Sicherheitsabstand zum erforderlichen Maximalbetriebsdruck eingestellt sind, wäre ohne die Druckbeaufschlagung zusätzlicher Steuerflächen innerhalb der Ventilbaugruppe, in diesem Fall V2, ein weit höherer als der zweifache Wert nur des durch die Last (bei max. +α) verursachten Betriebsdruckes erforderlich. Es ist aus dem Stand der Technik bekannt das als Bremsventil wirkende Druckbegrenzungsventil durch Beaufschlagung mit dem Gesamtzulaufdruck zu entlasten, wie auch bei der DE 298 13 971 U1 offenbart. Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich demgegenüber dadurch aus, dass durch gezielte Krafteinleitung eine zusätzliche Kraft auf den Schließkörper 4 des aktiven Druckbegrenzungsventils 3 als Bremsventil wirkt, wodurch die resultierende Schließkraft und somit der wirksame Bremsdruck vermindert wird. Das erlaubt einen modularen Aufbau mit vereinfachten Fertigungsanforderungen und verringertem Aufwand für Varianten durch den Einsatz einfachster Bauteile.
  • Der durch den Gesamtlastdruck bestimmte Druck an A1 wirkt über den Steuerölanschluss X2 auf die Steuerflächen F3 und F4 der Ventilbaugruppe V2 und gleichzeitig wirkt der am Zylinderanschluss C2 über B2 herrschende Druck auf die Steuerflächen F1 und F2, ebenfalls der Ventilbaugruppe V2. In Abhängigkeit der Steuerdruckhöhe an X2, was gleichzeitig dem aktuellen Arbeitsdruck an A1 bzw. an P entspricht, werden zuerst über die Steuerfläche F4, in Verbindung mit der Feder 34 und in der Folge zunehmend über die Steuerfläche F3 eine gegen die Wirkungsrichtung der Schließkraft der Schließfeder 6 wirkende Gesamtgegenkraft am Schließkörper 4 wirksam die den resultierenden Öffnungsdruck am Druckbegrenzungsventil 3.2 entsprechend mindert und somit den aktuell wirkenden Bremsdruck am Sekundäranschluss B2. Aus der beispielhaft gewählten Darstellung der Lastbewegung über einen Schwenkantrieb 50 ist ersichtlich, dass in der Position max. +α ein maximaler Lastdruck von der Zylinderbodenseite über den Anschluss C1 auf die Ventilbaugruppe V1 einwirkt, der mit abnehmendem Winkel +α entsprechend kontinuierlich geringer wird bis in der Position α = 0° die Last, im Idealfall, theoretisch keinen Lastdruck im angeschlossenen Hydrauliksystem erzeugt. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird die Betriebssituation im Bereich des Schwenkwinkels +α, bei der gewählten Bewegungsrichtung, als Antrieb mit 'drückender' Last bezeichnet und ist bestimmend für die Auslegung der Antriebsleistung zur Erzeugung des Fluiddruckes P bei der erforderlichen Fluid-Fördermenge aufgrund der max. gewünschten Verstellgeschwindigkeit der Last. Mit weiterer Schwenkbewegung in Richtung –α wechselt die vom Schwenkantrieb 50 ausgeübte Kraft auf das angeschlossene Hydrauliksystem, in der Weise, dass nun der wirkende Lastdruck von der Stangenseite des Zylinders 55, bzw. dessen Anschluss C2 über den Sekundäranschluss B2, im gemeinsamen Gehäuse 60, auf die Ventilbaugruppe V2 und deren Steuerflächen F1 und F2 zusätzlich einwirkt und mit zunehmendem negativen Schwenkwinkel –α kontinuierlich zunimmt, gleichzeitig wird dadurch der erforderliche Förderdruck an P entsprechend abnehmen. Diese Betriebssituation im Bereich des Schwenkwinkels –α wird im allgemeinen Sprachgebrauch als Antrieb mit 'ziehender' Last bezeichnet. In dieser Betriebssituation ist, wie allgemein bekannt, auf der negativen Lastseite eine Bremsfunktion erforderlich, um das Voreilen der Last gegenüber der an P eingespeisten Ölfördermenge zu verhindern, diese Funktion als Bremsventil übernimmt im gezeigten Beispiel die Ventilbaugruppe V2.
  • In umgekehrter Bewegungsrichtung, also durch Schalten des Wegeventils WV in die sogen. Kreuzstellung, erfolgt der Bewegungsablauf der Last von max. –α über α = 0° bis max. +α wodurch die Abläufe innerhalb der Gesamtbaugruppen im Gehäuse 60 spiegelbildlich entsprechend gleich ablaufen, d. h. die Bremsfunktion muss nun im Schwenkbereich des Schwenkwinkels +α wirksam werden, was innerhalb der Ventilbaugruppe V1 erfolgt. Alle für V2 geschilderten Funktionen sind für den Fachmann auch für die Ventilbaugruppe V1 leicht ableitbar und erkennbar, dass die Entlastungswirkungen nun über den Steuerdruckanschluss X1 auf die Steuerflächen F3 und F4 der Ventilbaugruppe V1 in gleicher Weise wirksam sind und den Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils 3.1 entsprechend beeinflussen.
  • Die zwei Bewegungsrichtungen mit wechselnden Lastrichtungen stellen einen sogen. 4-Quadrantenbetrieb dar der in unterschiedlichsten Anwendungen gebräuchlich ist und dadurch auch unterschiedlichste Anforderungen an das Betriebsverhalten z. B. eines für eine bestimmte Anlage ausgelegten Overcenterventils, wie z. B. in 3 gezeigt, bedingen. Betriebsbestimmend sind dabei die Druckwerte des max. Druckes und der Verlauf des wirksamen Bremsdruckes in Abhängigkeit des Zulaufdrucks an P, der wiederum von der Einwirkung der zu bewegenden Nutzlast auf das Antriebsystem insgesamt abhängt. Die Erfindung ermöglicht aufgrund ihrer modularen Anordnung die Auslegung 'maßgeschneiderter' Druckkennlinien, individuell angepasst an den Anwendungsfall, bei geringstem Konstruktions- und Fertigungsaufwand.
  • Die modulare Konzeption der erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe ergibt ebenfalls eine Ventilkennlinie mit modularem Aufbau und dadurch gezielt planbaren Wirkungsabschnitten in Abhängigkeit eines auf die Steuerflächen wirkenden Steuerdruckes. Dies wird beispielhaft anhand der Darstellung eines Kennlinienfeldes in 4 erläutert. Durch die normierte Darstellung ist das Diagramm allgemein gültig und unabhängig von einer Baugröße und wird in der Erklärung auf das Einzelventil entspr. der 1 bezogen. Auf der Ordinate ist mit pDBV der durch das Druckbegrenzungsventil 3 am Sekundäranschluss B bestimmte Druck und auf der Abszisse mit px der am Steuerdruckanschluss X eingespeiste Steuerdruck. Der normierte Wert 1 stellt auf beiden Achsen jeweils dieselbe Druckhöhe dar, dabei entspricht der Wert px = 1 bzw. pDBV = 1 der max. Einstellung des Öffnungsdruckes am Druckbegrenzungsventil 3. Der Bereich des konstanten Druckes px bis zum ersten beginnenden Druckabfall am Punkt 65 wird bestimmt durch die Steuerfläche F4 in Abhängigkeit der Vorspannkraft der Feder 33. Die Steigung des Druckabfall zwischen Punkt 65 bis zum Punkt 66 ist bestimmt durch die Steuerfläche F4 in Abhängigkeit der Federkonstanten der Federn 33 und 34. Die Höhe des konstanten Bremsdruckes 67 ergibt sich aus der Hubhöhe des Hilfskolbens 31, der durch den Anschlag 41 begrenzt wird und damit in seiner Druckhöhe einstellbar ist, in Abhängigkeit der durch den Hub erreichten Vorspannung der Feder 34.
  • Anlagenabhängig kann ein Einstellwert größer oder kleiner der Hälfte (0,5) des max. eingestellten pDBV = 1 gewählt werden ohne die Beeinflussung anderer Druckwerte, so dass auch vor Ort, an der Anlage, ohne besondere Spezialkenntnisse problemlos Einstellkorrekturen vorgenommen werden können. Solange pDBV größer ist als px, ist, bei F1 = F3, die resultierende Kraft aus der jeweils stirnseitigen Druckbeaufschlagung am Hilfskolben 21 durch pDBV und am Hilfskolben 36 durch px, bezogen auf den Schließkörper 4 negativ, d. h. es wird noch keine zusätzliche hydraulische Entlastung am Druckbegrenzungsventil 3 wirksam. Die hydraulische Entlastung beginnt mit px ≥ pDBV (eingestellter Bremsdruck 67) wirksam zu werden, so dass sich der wirksame Bremsdruck ab dem Punkt 68 in Abhängigkeit von px, weiter vermindern kann, bis zum Wert 0.
  • Die Steigung dieses Druckabfalls ist bestimmt durch die gewählte Größe der, in diesem Fall, gleichen Flächen F1 und F3, eine Verkleinerung ergibt eine flacher abfallende Kennlinie wie beispielhaft mit (F1 = F3) ≜ 0,8 und eine steiler abfallende Kennlinie bei (F1 = F3) ≙ 1,2 einer auf (F1 = F3) = 1 bezogenen Vergleichsfläche. Eine weitere Funktionserweiterung ergibt sich aus ungleichen F1 und F3, also F1 ≠ F3. Wird F1 > F3 gewählt so verschiebt sich der Beginn der zusätzlichen, hydraulischen Entlastung zu einem höheren px, wobei px im Falle einer Schaltung nach 3 dem notwendigen Zulaufdruck an A1 oder A2, je nach Bewegungsrichtung und Lastfall, entspricht. Ist F1/F3 ≈ 1,2 so beginnt der Abfall des Bremsdruckes 67 bei höherem px am Punkt 69 mit einer flacher abfallenden Kennlinie. Wird F1/F3 ≈ 1,6 gewählt, so verschiebt sich der beginnende Abfall des Bremsdruckes 67 zu einem noch höheren px, in diesem Beispiel bei Punkt 70 mit einer steiler abfallenden Kennlinie.
  • Im alternativen Fall, also bei F1 < F3, beginnt die zusätzliche hydraulische Entlastung des Bremsdruckes 67 früher, bei dem beispielhaft gewählten Flächenverhältnis von F1/F3 ≈ 0,65 beim Punkt 71 mit der sich daraus ergebenden Steigung des Druckabfalls. Andere Druckwerte und Steigungen sind bei anderen Flächenverhältnissen bei F1 < F3 ebenso möglich, je nach den Erfordernissen der speziellen Maschinenfunktionen.
  • Diese sehr unterschiedlichen Kennlinienverläufe werden, wie gezeigt, lediglich durch die hydraulisch wirksamen Flächen F1 bzw. F3 und deren Größenverhältnisse zueinander gebildet, wobei der Stößelbolzen 21 und der Hilfskolben 36 einfachste, zylindrische Bauteile darstellen und z. B. auch aus standardisierten Wälzlagerteilen (z. B. Nadelrollen) gewählt werden können. Bei einer Variante ist dann lediglich eine Teilbaugruppe, bestehend aus Stößelbolzen 21 mit seinem Führungsteil 22 bzw. dem Hilfskolben 31 mit dem Hilfskolben 36, auszutauschen. Dadurch ist es möglich auf den Einsatzfall hin optimierte Ventilbaugruppen, im Anwendungsbereich gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, mit geringstem Konstruktions- und Fertigungsaufwand bei geringer Teilevielfalt für ein gesamtes Ventilbaureihenkonzept herzustellen. Eine weiter vorteilhafte Konzeption besteht darin, die erfindungsgemäße Ventilbaugruppe in einer konzentrischen Anordnung aller Teilbaugruppen innerhalb eines sogen. Cartridgeventils auszuführen. Die gezeigte Modularität ermöglicht es auch Optimierungen vor Ort aus bereits bestehenden Teilbaugruppen an betriebsfertigen Anlagen, ebenfalls mit geringstem Aufwand, vorzunehmen. Ein Ziel dieser Optimierungen ist, dass die Entlastung, d. h. die Minderung des wirksamen Bremsdruckes, so früh wie möglich beginnt und auf das notwendige Maß begrenzt wird – aber ohne Sicherheitseinbußen, so dass die Antriebsleistung der Maschine nicht unnötigerweise zusätzlich erhöht wird und somit auch eine weitere Verringerung der Verlustleistung bzw. des Energiebedarfs erreicht wird.
  • Die Nenn-Baugröße einer erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe wird in erster Linie durch den Nenndurchfluss bestimmt. Daraus ergeben sich die notwendigen Abmessungen des Druckbegrenzungsventils 3, gekennzeichnet durch die Größe von Sitzbohrung 5 und Schließkörper 4, woraus sich dann die Steuerfläche F2 ergibt. Eine Variation der Steuerflächen F1 und/oder F3 im Bezug zur Steuerfläche F2 ist in gleicher und einfacher Weise möglich und für den Fachmann erkennbar, so dass weitere Erklärungen hierzu nicht notwendig sind, aber der Vollständigkeit halber erwähnt ist.
  • Ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe zeigt 5. Der Funktionsunterschied zum Ausführungsbeispiel nach 1 ergibt sich daraus, dass der Stößelbolzen 21, jetzt mit der Bezeichnung 21.1 mit dem ebenfalls dafür geänderten Dämpfungsbolzen 10.1 axial kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
  • Aus der ursprünglichen Steuerfläche F2 wird somit die Ringfläche FR2 womit die hydraulisch wirksame Kraftwirkung, durch PDBV, in Axialrichtung auf den Stößelbolzen 21 beim alternativen Stößelbolzen 21.1 nicht vorhanden ist. Es ist selbstverständlich, dass die Konstruktionswerte der Schließfeder 6.1 hierbei nun von der Ringfläche FR2 bestimmt werden. Die funktionellen Auswirkungen der alternativen Anordnung nach 5 zeigt das Kennlinienfeld in 6. Der auf die Steuerfläche F3 wirkende Steuerdruck px ist von Beginn an wirksam, ab px > 0. Mit zunehmendem px wird der Hilfskolben 31 gegen seinen Anschlag 41 verschoben, so dass in gleicher Weise, wie beim ersten Ausführungsbeispiel, ab dem Punkt 65.1 die Entlastungsfunktion der Entlastungsfeder 34 wirksam wird und am Punkt 66.1 die maximale Kraftwirkung entsprechend der Einstellung des Anschlags 41 erreicht. Der weitere Abfall der Druckentlastungskennlinie ist durch das Flächenverhältnis der Steuerflächen F3 zu FR2 bestimmt. Im Diagramm, 6, wurde beispielhaft F3/FR2 ≈ 0,5 gewählt. Es ist auch hier erkennbar, dass alternative Kennlinienverläufe mit geringem Aufwand herstellbar sind.
  • Die Beschreibung des modularen Aufbaus der erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe (1) als Einzelventil gemäß 1 bzw. 5, oder die schaltungstechnische Verbindung zweier Ventilbaugruppen (1) in einem gemeinsamen Gehäuse (60) gemäß 3 zeigt, dass nahezu alle Kennlinienverläufe innerhalb der Diagrammfläche – pDBV über px – allein durch Durchmesserkombinationen austauschbarer Baugruppen 30, 20 und 3, sowie deren Federn 33, 34 und 3, sowie des konstruktiv vorgegebenen Einstellbereichs, möglich sind. Die Einstellung der, lediglich noch zwei, betriebswichtigen Druckeinstellwerte, max. Öffnungsdruck am Druckbegrenzungsventil (3) sowie dem, gegenüber dem Maximaldruck geminderten, Bremsdruck (67) ist jeweils eindeutig und die Einstellwerte beeinflussen sich nicht gegenseitig. Das ist ein großer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik und führt zu höherer Einstell- und Betriebssicherheit bei gleichzeitig verringerten Gesamtkosten.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 29813971 U1 [0003, 0003, 0032]

Claims (12)

  1. Ventilbaugruppe, bestehend aus einem Druckbegrenzungsventil (3) mit zwei Arbeitsanschlüssen – einem Primäranschluss, verbunden mit einem externen Steuerventil und einem Sekundäranschluss, verbunden mit einem Verbraucher – sowie einem Steuerdruckanschluss zur Beeinflussung der Druckeinstellung des Druckbegrenzungsventils, sowie einem Umgehungsrückschlagventil mit freiem Durchfluss vom Primär- zum Sekundäranschluss und gesperrter Durchflussrichtung vom Sekundär- zum Primäranschluss, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper (4) des Druckbegrenzungsventils (3) in axialer Richtung mit zwei beidseitig, entgegengesetzt wirkenden Federkräften beaufschlagt wird.
  2. Ventilbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft der Druckentlastungsfeder (34) auf den Schließköper (4), gegenüber der Schließfeder (3), wirkt und dadurch die resultierende Schließkraft am Schließkörper (4) mindert.
  3. Ventilbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung der Druckentlastungsfeder (34) über einen ersten Hilfskolben (31) durch Steuerdruck (px) veränderbar ist.
  4. Ventilbaugruppe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hub des ersten Hilfskolbens (31) durch einen mechanisch einstellbaren Anschlag (41) begrenzt ist.
  5. Ventilbaugruppe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragung der Druckentlastungsfeder (34) mittelbar über einen Stößelbolzen (21) auf den Schließkörper (4) erfolgt, wobei der Stößelbolzen (21) und der Schließkörper (4) getrennte Bauteile sind.
  6. Ventilbaugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößelbolzen (21) und der Schließkörper (4) axial kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
  7. Ventilbaugruppe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseiten des Stößelbolzens (21) einerseits vom Lastdruck und andererseits vom Rücklaufdruck beaufschlagt wird.
  8. Ventilbaugruppe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Stößelbolzens (21) kleiner oder gleich dem Sitzdurchmesser des Schließkörpers (4) ist.
  9. Ventilbaugruppe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit Steuerdruck (px) beaufschlagbarer zweiter Hilfskolben (36) sich über den Stößelbolzen (21), gleichwirkend zur Kraft der Druckentlastungsfeder (34), auf dem Schließkörper (4) abstützt und den Öffnungsdruck (pDBV) des Druckbegrenzungsventils (3) mindert.
  10. Ventilbaugruppe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulisch wirksame Durchmesser des zweiten Hilfskolbens (36) kleiner, gleich oder größer ist als der Sitzdurchmesser des Schließkörpers (4) ist.
  11. Ventilbaugruppe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass erster Hilfskolben (31) und zweiter Hilfskolben (36) in konzentrischer Doppelkolbenanordnung ausgeführt sind.
  12. Ventilbaugruppe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößelbolzen (21) und sein Führungsteil (22) als austauschbare Baugruppe (20) innerhalb der Ventilbaugruppe (1) ausgeführt sind.
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