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Die Erfindung betrifft ein Ventil, mit einem einen Einlass und einen Auslass aufweisenden Gehäuse, bei dem ein Kolben zwischen einer geöffneten Stellung, in der ein durch den Einlass einströmendes Fluid das Gehäuse passieren und durch den Auslass verlassen kann, und einer geschlossenen Stellung, in der der Fluidstrom gesperrt ist, verschiebbar ist.
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Derartige Ventile, die auch als Softstartventile bezeichnet werden, werden in einer Rohrleitung in Bypassschaltung zwischen eine Pumpe und einen Verbraucher eingebaut. In Abhängigkeit des an die Pumpe angeschlossenen Verbrauchers muss beim Einschalten der Pumpe ein hoher Gegendruck überwunden werden. Nach dem Einschalten der Pumpe, bei der es sich zum Beispiel um eine Schraubenspindelpumpe handeln kann, rotiert diese zunächst mit einer geringen jedoch ansteigenden Drehzahl, sodass sich im Spindelpaket kein ausreichender Schmierkeil bilden kann, der für einen störungsfreien Betrieb jedoch notwendig ist. Der durch den Verbraucher verursachte Gegendruck verhindert somit einen sanften Anlauf der Pumpe. Wünschenswert wäre, dass der in der Leitung herrschende Druck nach dem Einschalten der Pumpe zunächst gering ist und anschließend rampenförmig auf den notwendigen Betriebsdruck ansteigt, ohne dass Druckstöße oder zu starke Druckanstiege auftreten.
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Zu diesem Zweck werden Ventile, insbesondere Softstartventile, eingesetzt, die durch Druckluft oder elektrisch betätigt werden und zwischen die Pumpe und den Verbraucher in Bypassschaltung geschaltet sind. Bei ausgeschalteter Pumpe ist das Softstartventil offen. Beim Einschalten der Pumpe kann das geförderte Fluid durch das Softstartventil praktisch drucklos abfließen, sodass es wieder in den Fluidvorrat, beispielsweise einen Tank, zurückgeführt werden kann. Bei zunehmender Drehzahl der Schraubenspindelpumpe erhöht sich deren Fördermenge sowie der Förderdruck, bis der Betriebsdruck erreicht ist. Das Softstartventil wird mittels Druckluft oder elektrisch so gesteuert, dass es schließt, sodass das Fluid nicht mehr das Ventil passieren und über die Bypassleitung zurückfließen kann. Stattdessen gelangt das von der Schraubenspindelpumpe geförderte Fluid zum Verbraucher, an dem der Förderdruck ansteht. Der Förderdruck ist so hoch, dass der von dem Verbraucher erzeugte Gegendruck überwunden wird.
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Auch wenn sich diese herkömmlichen Softstartventile grundsätzlich bewährt haben, können sie bei bestimmten Anwendungen nicht eingesetzt werden, beispielsweise wenn aus Sicherheitsgründen keine elektrische Energieversorgung erlaubt ist. Problematisch ist dabei ein möglicher Ausfall der Energieversorgung, bei dem es zu einem Austritt des Mediums kommen könnte. Dasselbe gilt für Softstartventile, die durch Druckluft angetrieben werden, zumal die Druckluft in den meisten Fällen ebenfalls über einen elektrischen Antrieb erzeugt wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ventil anzugeben, das keine externe Energieversorgung benötigt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Ventil der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass es derart ausgebildet ist, dass es sich in geöffneter Stellung befindet, wenn der Einlass nicht durch ein Fluid beaufschlagt wird und der Kolben bei einströmendem Fluid aus der geöffneten Stellung zu der geschlossenen Stellung bin bewegt wird und sich beim Erreichen eines festgelegten Drucks des geförderten Fluids in der geschlossenen Stellung befindet und den Fluidstrom sperrt, wobei das Ventil allein durch das Fluid gesteuert wird.
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Anders als bei herkömmlichen, elektrisch oder mittels Druckluft angetriebenen Softstartventilen erfolgt die Ventilbetätigung bei dem erfindungsgemäßen Ventil selbsttätig, das heißt durch das mit einem bestimmten Druck auf das Ventil einwirkende oder durch das Ventil strömende Fluid.
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Bei dem erfindungsgemäßen Ventil kann es vorgesehen sein, dass es eine Druckfeder aufweist, die den Kolben in die geöffnete Stellung bewegt, wenn der Einlass nicht durch ein Fluid beaufschlagt wird. Die geöffnete Stellung des Ventils ist somit die Ruhestellung, in der sich das Ventil befindet, wenn die Pumpe, insbesondere die Schraubenspindelpumpe, ausgeschaltet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ventils kann der Kolben wenigstens eine von dem Fluid passierbare Durchgangsöffnung aufweisen. Durch diese Durchgangsöffnung wird sichergestellt, dass das Fluid den Kolben passieren und nach dem Einschalten der Pumpe über eine Rücklaufleitung praktisch drucklos in einen Vorratsbehälter oder Tank für das Fluid gelangt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Kolben in der geschlossenen Stellung an einer Gegenfläche des Gehäuses anliegt, durch die die Durchgangsöffnung des Kolbens verschlossen wird. In diesem Zustand befindet sich das Ventil in der geschlossenen Stellung, sodass das Fluid das Ventil nicht passieren kann. Auch diese Bewegung des Kolbens in die geschlossene Stellung erfolgt selbsttätig unter der Einwirkung des strömenden Fluids.
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In diesem Zusammenhang kann es auch vorgesehen sein, dass die Gegenfläche des erfindungsgemäßen Ventils an dem Endabschnitt eines Zapfens angeordnet ist, auf dem die Druckfeder gehalten ist. Bei geschlossenem Ventil berührt die Gegenfläche an dem Endabschnitt des Zapfens eine entsprechende Gegenfläche an der dem Zapfen zugewandten Seite des Kolbens. Die Feder ist dabei nur teilweise komprimiert, sodass sich die Feder im linear-elastischen Bereich befindet.
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Um eine noch bessere Abdichtung im geschlossenen Zustand des Ventils zu erzielen, kann es vorgesehen sein, dass die Gegenfläche an dem Gehäuse, insbesondere die Gegenfläche an dem Zapfen, und die der Gegenfläche zugewandte Seite des Kolbens gegengleich zueinander und insbesondere konusförmig ausgebildet sind. Die konusförmigen Flächen wirken dabei als Dichtflächen, die eine Strömung des Fluids durch das Ventil verhindern.
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Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass der Kolben des erfindungsgemäßen Ventils wenigstens einen in Umfangsrichtung umlaufenden O-Ring und/oder wenigstens eine in Umfangsrichtung umlaufende Nut aufweist. Der O-Ring und die wenigstens eine umlaufende Nut dienen zur Abdichtung des Kolbens gegenüber dem Gehäuse.
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Bei anderen Ausführungen kann das erfindungsgemäße Ventil einen Kolben mit einer Stufe aufweisen, die mit einer entsprechend gegengleich ausgebildeten Stufe des Gehäuses zusammenwirkt, wobei der Kolben in der Nähe der Stufe eine oder mehrere Querbohrungen aufweist, die den zwischen der Außenseite des Kolbens und der Innenseite des Gehäuses gebildeten Ringraum mit der Durchgangsöffnung des Kolbens verbindet. Dieser Ringraum wirkt bei der Bewegung des Kolbens in die geschlossene oder geöffnete Stellung dämpfend auf dessen Bewegung, da das Fluid nur durch den oder die Querbohrungen abfließen kann.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass das Gehäuse einen Fluidkanal aufweist, der den Einlass mit dem Bereich in der Nähe der Stufe verbindet. Durch diesen Fluidkanal kann bei der Bewegung des Kolbens das Fluid strömen, wodurch die Bewegung des Kolbens beeinflusst werden kann. Vorzugsweise weist das Ventil ein Mittel zum Einstellen des Strömungsquerschnitts des Fluidkanals auf, sodass ein gewünschtes Dämpfungsverhalten bei der Bewegung des Kolbens eingestellt werden kann.
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Daneben betrifft die Erfindung eine Pumpenanordnung, mit einer Pumpe und einem über eine Fluidleitung an die Pumpe angeschlossenen Verbraucher und einem in der Fluidleitung in Bypassschaltung zwischen der Pumpe und dem Verbraucher angeordneten Ventil, das im geöffneten Zustand den Durchfluss des Fluids ermöglicht und im geschlossenen Zustand den Durchfluss des Fluids sperrt.
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Die erfindungsgemäße Pumpenanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass sie ein Ventil der zuvor beschriebenen Art aufweist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
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1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Ventil in geöffneter Stellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2 das in 1 gezeigte Ventil mit dem Kolben in einer Zwischenposition;
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3 das in 1 gezeigte Ventil in geschlossener Stellung;
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4 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Ventil in geöffneter Stellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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5 das in 4 gezeigte Ventil mit dem Kolben in einer Zwischenposition;
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6 das in 4 gezeigte Ventil in geschlossener Stellung;
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7 eine Pumpenanordnung mit einem erfindungsgemäßen Ventil; und
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8 ein Diagramm des auf die Pumpe einwirkenden Gegendrucks in Abhängigkeit der Zeit.
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Das in den 1 bis 3 im Querschnitt gezeigte Ventil 1 umfasst im Wesentlichen ein Gehäuse 2, das an einer Seite durch einen Deckel 3 und an der gegenüberliegenden Seite durch einen Deckel 4 verschlossen ist. Der Deckel 4 weist einen Einlass 5 auf, um ein Fluid über eine Leitung zuzuführen. An dem Gehäuse 2 ist ein Auslass 6 vorgesehen, über den das Fluid aus dem Gehäuse 2 austreten kann, an den Auslass 6 kann eine Leitung angebracht sein. Das Ventil 1 wird von dem Fluid in Pfeilrichtung durchströmt.
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Im Inneren des Gehäuses 2 ist ein Kolben 7 axial verschiebbar angeordnet. Der Kolben 7 wird von einer Druckfeder 8 beaufschlagt, die sich einerseits an der Innenseite des Deckels 3 und andererseits an einer Stirnseite 9 des Kolbens 7 abstützt.
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Das Ventil 1 ist Bestandteil einer Pumpenanordnung, die in 7 gezeigt ist. Eine Pumpe 10, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Schraubenspindelpumpe ausgebildet ist, wird von einem Elektromotor 11 angetrieben. Die Pumpe 10 ist über eine Leitung 12 über ein vorgeschaltetes Ventil 13 mit einem Verbraucher 14 verbunden. Von der Leitung 12 zweigt eine Bypassleitung 15 ab, in der sich das Ventil 1 befindet. Von dort gelangt das Fluid über eine Leitung 16 zu einem Fluidvorrat 17, der als Tank ausgebildet ist und von dem aus das Fluid von der Pumpe 10 angesaugt wird.
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Da sich unmittelbar nach dem Einschalten der Pumpe 10 kein ausreichender Schmierkeil im Spindelpaket befindet, ist das Ventil 1 vorgesehen, das sich im Ruhezustand, bei ausgeschalteter Pumpe 10, in geöffneter Stellung befindet, die in 1 gezeigt ist. In dieser geöffneten Stellung kann das Fluid durch den Einlass 5 in das Innere des Gehäuses 2 strömen. Der Kolben 7 weist eine axiale Durchgangsöffnung 18 auf, die von dem Fluid passiert wird, das in den Bereich der Druckfeder 8 gelangt und von dort über den Auslass 6 das Gehäuse 2 des Ventils 1 verlässt. Anschließend gelangt das Fluid über die Leitung 16 zurück zu dem Fluidvorrat 17. Das Ventil 1 wirkt als Softstartventil, da es einen sanften Anlauf der Pumpe 10 ermöglicht, bei der eine ausreichende Schmierung des Spindelpakets gewährleistet ist. Wesentlich ist dabei, dass der Kolben 7 im Ruhezustand, bei ausgeschalteter Pumpe 10, durch die Druckfeder 8 in die in 1 gezeigte geöffnete Stellung bewegt wird, ohne dass dazu eine separate Energiequelle erforderlich ist. Während bei anderen Softstartventilen eine zusätzliche Energiequelle wie elektrischer Strom oder Druckluft erforderlich ist, wird der Kolben 7 des Ventils 1 selbsttätig in die in 1 gezeigte geöffnete Stellung bewegt. Wenn die Pumpe 10 gestartet wird, muss sie nicht den durch den Verbraucher 14 erzeugten Gegendruck überwinden, stattdessen kann das Fluid über die Bypassleitung 15 und das Ventil 1 und weiter über die Leitung 16 in einem Kreislauf gepumpt werden, wobei lediglich ein geringer Gegendruck zu überwinden ist.
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8 ist ein schematisches Diagramm, das den auf die Pumpe 10 einwirkenden Gegendruck (p) in Abhängigkeit der Zeit (t) zeigt. Nach dem Einschalten der Pumpe 10 herrscht zunächst ein im Wesentlichen konstanter niedriger Gegendruck, der durch den waagerechten Abschnitt 19 in 8 dargestellt wird.
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Beim Durchströmen des Fluids durch das Ventil 1 wird die Stirnseite 20 des Kolbens 7 mit dem Förderdruck beaufschlagt. Dieser Förderdruck nimmt mit steigender Drehzahl der Pumpe 10 zu, sodass das Fluid auf die Stirnseite 20 des Kolbens 7 einen Staudruck ausübt, der der durch die Druckfeder 8 erzeugten Kraft entgegenwirkt. Sobald der Staudruck größer als die durch die Druckfeder 8 erzeugte Druckkraft ist, wird der Kolben 7 aus der in 1 gezeigten Position nach links bewegt, wie in 2 gezeigt ist, gleichzeitig wird die Druckfeder 8 komprimiert.
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2 zeigt den Kolben 7 in einer Zwischenposition, zwischen der geöffneten und der geschlossenen Position. Die dabei ansteigende Federkraft und die Dämpfung des Kolbens 7 verhindern eine schnelle Bewegung des Kolbens 7. Wie in 8 zu sehen ist, steigt dabei der Gegendruck rampenartig an, was durch den ansteigenden Abschnitt 21 dargestellt wird. Nach dem Passieren der Durchgangsöffnung 18 in dem Kolben 7 verlässt das Fluid das Innere des Gehäuses 2 über den Auslass 6, wie durch einen Pfeil dargestellt ist.
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Der Deckel 3 des Ventils 1 weist an seiner Innenseite einen Zapfen 22 auf, auf den die Druckfeder 8 geschoben ist. Der Endabschnitt des Zapfens 22 weist eine konusförmige Gegenfläche 23 auf, der Kolben 7 weist an seiner Stirnseite 9 einen gegengleich ausgebildeten Konus 24 auf. Der Konus 24 und die konusförmige Gegenfläche 23 sind optional, bei anderen Ausführungen können sie entfallen oder es kann eine Planfläche vorgesehen sein. Die konusförmige Gegenfläche 23 und der Konus 24 sind so geformt, dass sie eine kegelförmige Dichtfläche bilden, wenn der Kolben 7 den Zapfen 22 berührt, wie in 3 gezeigt ist. Zusätzlich weist der Zapfen 22 einen sich axial erstreckenden Vorstaukopf 34 auf, der von dem Konus 23 umgeben ist. Der Durchmesser des Vorstaukopfes 34 ist kleiner als der Durchmesser der Durchgangsöffnung 18 des Kolbens 7, so dass der Kolben 7 während des Schließens des Ventils 1 über den Vorstaukopf 34 geschoben wird.
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Wenn der Kolben unter dem Einfluss des Fluiddrucks die in 3 gezeigte Endposition erreicht hat, kommt die Strömung des Fluids durch die Durchgangsöffnung 18 zum Erliegen, sodass das Ventil 1 sich in geschlossener Stellung befindet. Der Fluiddruck in der Leitung 12 steigt während des Schließvorgangs weiter an, sodass das vor dem Verbraucher 14 angeordnete Ventil 13 geöffnet wird und der durch die Pumpe 10 aufgebaute Druck auf den Verbraucher 14 einwirkt. In 8 wird dieser Zustand durch den waagerechten Abschnitt 25 verdeutlicht, der Gegendruck befindet sich auf einem höheren Niveau als im Abschnitt 21, er ist jedoch im Wesentlichen konstant. In diesem Zustand wird der Kolben 7 nicht nur an der Stirnseite 20, sondern zusätzlich im Bereich einer radialen Ringfläche 26 durch das Fluid beaufschlagt, sodass die auf den Kolben 7 einwirkende Schließkraft verstärkt wird.
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Beim Ausschalten der Pumpe 10 bricht der durch sie erzeugte Betriebsdruck zusammen, sodass sich der Kolben 7 unter dem Einfluss der in der Druckfeder 8 gespeicherten Energie selbsttätig allmählich zum Einlass 5 zurück bewegt, bis der Kolben 7 sich wieder in der in 1 gezeigten vollständig geöffneten Stellung befindet.
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Zur Abdichtung des Kolbens 7 ist eine O-Ring-Dichtung 27 vorgesehen, darüber hinaus weist der Kolben 7 eine Mehrzahl von umlaufenden Entlastungsnuten 28 auf, die ebenfalls zur Abdichtung des Kolbens dienen. Bei anderen Ausführungen kann auch lediglich eine O-Ring-Dichtung oder eine oder mehrere Entlastungsnuten vorgesehen sein.
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Wie am besten in den 2 und 3 zu sehen ist, weist das Gehäuse 2 im Inneren eine Stufe 29 auf, durch die der Gehäusequerschnitt verändert wird. Der Kolben 7 weist eine entsprechend gegengleich ausgebildete Stufe 30 auf, sodass bei einer Auseinanderbewegung der beiden Stufen 29, 30, wenn der Kolben sich der Endposition der geschlossenen Stellung nähert, das zwischen den Stufen 29, 30 eingeschlossene Fluidvolumen durch Querbohrungen 31 aus der Durchgangsöffnung 18 angesaugt wird. Die Dämpfung beruht somit auf einem Unterdruck, der ein Ansaugen des Fluids bewirkt. Da die Querbohrungen 31 einen vergleichsweise kleinen Durchmesser haben, wird die Strömung des inkompressiblen Fluids und damit die Bewegung des Kolbens 7 gedämpft. Die gewünschte Wirkung einer Dämpfung ergibt sich bereits aus dem Kreisringspalt mit einer einzigen Querbohrung 31, es können jedoch auch mehrere über den Umfang verkeilt angeordnete Querbohrungen vorgesehen sein, um die Dämpfung zu variieren.
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Das Gehäuse 2 weist einen aus mehreren Abschnitten bestehenden Fluidkanal 32 auf, der einerseits in der Nähe des Einlasses 5 und andererseits im Bereich der Stufe 29 mündet. Während der Bewegung des Kolbens 7 von der in 3 gezeigten geschlossenen Stellung in die in 1 gezeigte geöffnete Stellung wird das Fluid aus dem zwischen den Stufen 29, 30 eingeschlossenen Ringraum durch den Fluidkanal 32 verdrängt. Der Querschnitt des Fluidkanals 32 kann mit einem einstellbaren Nadelventil 33 justiert werden, um das Dämpfungsverhalten beim Schließen des Nadelventils 33 gezielt zu beeinflussen. Während einer Schließbewegung des Ventils, wenn der Kolben von der in 1 gezeigten Stellung in die in 3 gezeigte Stellung bewegt wird, tritt die gewünschte Dämpfung auf.
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In den 4–6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Ventils 36 gezeigt, das in 4 in geöffneter Stellung, in 5 in einer Zwischenposition und in 6 in einer geschlossenen Stellung gezeigt ist. Der grundsätzliche Aufbau des Ventils 36 entspricht demjenigen des Ventils 1 der 1–3, auf übereinstimmende Komponenten wird daher an dieser Stelle nicht nochmals hingewiesen.
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In der in 4 gezeigten Stellung ist das Ventil 36 geöffnet, der Kolben 7 liegt dabei unter der Wirkung der Druckfeder 8 mit seiner dem Einlass 5 zugewandten Seite an der Stirnfläche eines Ring 37 an. Wenn das Fluid über den Einlass 5 in das geöffnete Ventil 36 einströmt, liegt an der Stirnseite 20 des Kolbens 7 ein Staudruck an, der eine Bewegung des Kolbens aus seiner Endlage bewirkt, in der in 4 gezeigten Ansicht bewegt sich der Kolben 7 nach links in Richtung der Druckfeder 8.
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Wie am besten in der in 5 gezeigten Zwischenposition sichtbar ist, wird der Vorstaukopf 34 dabei in die Durchgangsöffnung 18 des Kolbens 7 geschoben, wodurch eine Druckerhöhung durch die Rampe 21 bewirkt wird. Vergleicht man die 4 und 5 miteinander, erkennt man, dass ein zwischen der Außenseite des Kolbens 7 und der Innenseite der Durchgangsöffnung 18 gebildeter Ringraum 38 während der Schließbewegung verkleinert wird. Das Fluid wird dabei aus dem Ringraum 38 über Bohrungen 39 in die Durchgangsöffnung 18 des Kolbens 7 und in das Innere des Gehäuses 2 abgeführt. Durch die Verkleinerung des Ringraums 38 entsteht dort ein Überdruck, der durch Verdrängen des Fluids durch die Bohrungen 39 abgebaut wird.
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Eine weitere Justierung des Drossel- bzw. Dämpfungsverhaltens wird durch das Nadelventil 33 realisiert, das eine in dem Gehäuse 2 angeordnete Bohrung 40 öffnet oder verschließt. Bei geöffnetem Ventil 36, wie es in 4 gezeigt ist, kann Fluid von dem Ringraum 38 durch die Bohrung 40 in das innere des Gehäuses 2 verdrängt werden. Das Maß der Dämpfung kann durch die Justierung des Nadelventils 33 beeinflusst werden, die Dämpfung ist unabhängig von Kavitation. Die Dämpfung über das Nadelventil 33 wirkt bis zum Erreichen der Endlage in der geschlossenen Stellung.
