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Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung zum Beeinflussen eines Medienstroms zwischen einem Versorgungsanschluss, an den eine Druckversorgungsquelle anschließbar ist, und einem Druckanschluss, an den ein hydraulischer Verbraucher anschließbar ist, mit einer Ventileinrichtung, die einen Ventilschieber aufweist, der in einem Ventilgehäuse zwischen Endstellungen längsverfahrbar geführt ist.
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Derartige Ventilvorrichtungen sind in Form von Druckwaagen, Stromregelventilen oder Druckminderventilen auf dem Markt frei erhältlich. Diese Ventile haben die Aufgabe, eine konstante Druckdifferenz einzuregeln, die unabhängig von einem Eingangsdruck ist. Liegt diese Druckdifferenz zusätzlich über eine Zumessblende an, so wird die Gesamtfunktion als ein Volumenstromregler bezeichnet.
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Eine Druckwaage weist dabei einen Ventilschieber auf, der in einem Gehäuse verschiebbar ist. Die Druckwaage regelt einen Volumenstrom zwischen einem Versorgungsanschluss und einem Druckanschluss. Der Ventilschieber weist dazu eine Regelkante auf, die mit dem Ventilgehäuse zusammenwirkt. Auf eine Steuerseite des Ventilschiebers wird der am Versorgungsanschluss anstehende Druck kopiert, während die gegenüberliegende Steuerseite vom am Druckanschluss anstehenden Fluiddruck sowie gegebenenfalls einem Energiespeicher beaufschlagt ist. Grundsätzlich ist die Realisierung einer Druckwaage auch ohne Druckfeder möglich; hierzu wird lediglich ein vorgebbares Flächenverhältnis benötigt, wie es sich beispielsweise bei Einsatz eines Stufenkolbens ergibt. Der Ventilschieber bewegt sich hierbei, solange zwischen den Steuerseiten eine Druckdifferenz besteht.
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Ist der Druck am Versorgungsanschluss bei geschlossener Zumessblende sehr hoch, stellt sich aufgrund der Leckage ein entsprechend hoher Druck am Druckanschluss ein. Bei sehr niedrigem Lastdruck kann aber die Steuerbarkeit des Ventils durch eine Druckschwankung am Versorgungsanschluss nachteilig beeinflusst werden, solange der geregelte Volumenstrom noch klein ist, da sich der geregelte Druck erst auf den erforderlichen Wert entspannen muss. Weiterhin kann es bei Verwendung von Differentialzylindern durch Leckage und aufgrund von unterschiedlichen Flächenverhältnissen zu sogenannten „Geisterbewegungen” kommen, verursacht durch die unbeabsichtigten Druckschwankungen am Druckanschluss. Zu hohe oder zu stark schwankende Drücke am Druckanschluss können einen nachgeschalteten hydraulischen Verbraucher beschädigen. Deswegen besteht die Forderung, den hydraulischen Verbraucher durch entsprechende Maßnahmen zu schützen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ventilvorrichtung aufzuzeigen, die Druckschwankungen am Versorgungsanschluss nicht mehr ungehindert passieren lässt und so einen Schutz für einen angeschlossenen hydraulischen Verbraucher bietet.
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Eine Lösung dieser Aufgabe besteht in einer Ventilvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen dieser Ventilvorrichtung gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 10 hervor.
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Die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Steuereinrichtung der durch den Ventilschieber eingeregelte Druck an dem Druckanschluss ab einer vorgegebenen Verschiebung des Ventilschiebers in Richtung auf eine seiner Endstellungen begrenzbar ist. Auf diese Weise kann der maximale Druck am Druckanschluss vorteilhaft begrenzt werden. Mithin kann es nicht mehr zu Überlastungen des hydraulischen Verbrauchers kommen. Vorteilhaft weist der Fluiddruck am Druckanschluss eine konstante Druckdifferenz zum Versorgungsanschluss auf, bis ein zulässiger maximaler Druck erreicht ist. Etwaige „Geisterbewegungen” des Ventilschiebers werden durch diese druckbegrenzte Ventilvorrichtung ebenfalls vermieden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform mündet eine Steuerleitung in das Ventilgehäuse ein, die Bestandteil einer LS-Signalleitung, eines Tankanschlusses oder eines sonstigen, im wesentlichen Umgebungsdruck aufweisenden Rücklaufanschlusses ist. Ein vom Druckanschluss kommendes Fluid fließt ab der vorgegebenen Verschiebung des Ventilschiebers über diese Steuerleitung ab. Durch das Abfließen des Fluids kommt es zu einer Entlastung, die dazu führt, dass sich der Ventilschieber in Richtung seiner Schließstellung bewegt, bis sich ein neues Gleichgewicht der Drücke auf seinen Steuerseiten einstellt. Auf diese Weise wird die Bewegung des Ventilschiebers vorteilhaft beschleunigt.
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Die Steuereinrichtung kann einen Steuerkanal innerhalb des Ventilschiebers aufweisen, der auf einer Steuerseite des Ventilschiebers in eine Medienkammer innerhalb des Ventilgehäuses ausläuft und der diese Medienkammer mit einer weiteren Medienkammer innerhalb des Ventilgehäuses, an welche die Steuerleitung angeschlossen ist, ab der vorgegebenen Verschiebung des Ventilschiebers fluidführend verbindet. Die Medienkammern können dabei Druckkammern sein, welche die Steuerseiten des Ventilschiebers mit Fluiddruck beaufschlagen. Wird der Ventilschieber um eine vorgegebene Verschiebung aus seiner einen Endstellung, der Schließstellung, heraus verschoben, so findet ein Druckausgleich zwischen den Medienkammern statt. Allein aufgrund dieses Druckausgleichs kommt es bereits zu einer Rückstellbewegung des Ventilkolbens und damit zu einer Reduzierung oder Begrenzung des Fluiddrucks am Druckanschluss.
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Vorteilhaft geht der Steuerkanal im Ventilschieber in Richtung der weiteren Medienkammer mit der Steuerleitung von einem Längskanal, der parallel zur Verfahrrichtung des Ventilschiebers verläuft, in einen Querkanal über, der vom Ventilgehäuse solange überdeckt bleibt, bis die fluidführende Verbindung zwischen der einen Medienkammer und der weiteren Medienkammer hergestellt ist. Hierzu kann im Ventilgehäuse eine Steuerkante ausgebildet sein, die mit dem Querkanal zusammenwirkt. Erst wenn der Querkanal die Steuerkante überfährt, kommt es zu einer fluidführenden Verbindung zwischen den Medienkammern. Mithin wird ein einfacher, leicht herstellbarer und bauraumsparender Weg aufgezeigt, um eine fluidführende Verbindung zwischen den Medienkammern in Abhängigkeit von der Verschiebung des Ventilschiebers herzustellen.
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In den Steuerkanal kann ein Druckmeldekanal einmünden, der den durch den Ventilschieber geregelten Druck zwischen dem Versorgungsanschluss und dem Druckanschluss in den Steuerkanal weiterleitet. Durch den Druckmeldekanal und den Steuerkanal kann somit auf einfache Weise der am Versorgungsanschluss anstehende Fluiddruck auf die eine Steuerseite des Ventilschiebers kopiert werden, ohne zusätzliche Bohrungen im Ventilgehäuse vorsehen zu müssen. Darüber hinaus kann in Abhängigkeit von der Stellung des Ventilschiebers über den Druckmeldekanal Fluid vom Versorgungsanschluss in Richtung der Steuerleitung abfließen.
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Der Druckmeldekanal mündet vorteilhaft in einem Ventilraum des Ventilgehäuses aus, der seitlich von zwei Steuerteilen des Ventilschiebers mit begrenzt ist. Durch die Steuerteile wird der Fluidfluss mit dem Versorgungsanschluss und dem Druckanschluss vorteilhaft geregelt.
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Der Steuerkanal weist mit Vorteil eine Blende oder eine Drosselstelle auf, die zwischen dem Versorgungsanschluss und der an die eine Medienkammer angrenzenden Steuerseite des Ventilschiebers vorgesehen ist. Mit der Blende oder der Drosselstelle kann das Regelverhalten der Ventilvorrichtung vorteilhaft beeinflusst, insbesondere verzögert, werden. Auf diese Weise können beispielsweise Druckstöße am Versorgungsanschluss nicht mehr unmittelbar auf die eine Steuerseite des Ventilschiebers abgebildet werden, so dass eine schlagartige Aufsteuerung der Ventilvorrichtung verhindert wird, die zu Schäden am hydraulischen Verbraucher führen könnte.
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In einer fluidführenden Leitung zwischen dem Druckanschluss und dem hydraulischen Verbraucher kann eine Einrichtung vorgesehen sein und die LS-Signalleitung kann in die fluidführende Verbindung zwischen der Einrichtung und dem hydraulischen Verbraucher einmünden. Dies hat den Vorteil, dass ein geringer Druck in der weiteren Medienkammer ansteht, an welche die Steuerleitung angeschlossen ist. Auf diese Weise kann das Fluid leichter aus der weiteren Steuerkammer über die Steuerleitung abfließen, wenn der Ventilschieber über die vorgegebene Verschiebung hinaus verschoben ist.
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Bevorzugt ist die Ventileinrichtung eine Individualdruckwaage und die Einrichtung eine Zumessblende. Durch diese Kombination wird vorteilhaft ein Volumenstromregler gebildet.
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Weiterhin kann der Ventilschieber unter Einwirkung eines Energiespeichers, vorzugsweise in Form einer Druckfeder, in zumindest einer der Endstellungen den Druckanschluss von dem Versorgungsanschluss trennen.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine hydraulische Symboldarstellung eines Volumenstromreglers;
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2 einen Längsschnitt durch einen solchen Volumenstromregler;
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3 eine hydraulisches Symboldarstellung einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung; und
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4 ein Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung.
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In den 1 und 2 ist in Form einer hydraulischen Symboldarstellung und in Form eines Längsschnitts eine Druckwaage 10 in Verbindung mit einer Zumessblende 12 gezeigt, die in der Gesamtfunktion einen Volumenstromregler 14 bilden. Dieser Volumenstromregler 14 bildet die Ausgangsbasis der Beschreibung für die nachfolgend anhand der 3 und 4 erläuterte erfindungsgemäße Ventilvorrichtung 16.
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In den 1 und 2 weist ein Ventilgehäuse 18 eine Ventilbohrung 20 auf, in der ein längsverfahrbar geführter Ventilschieber 22 angeordnet ist. Die Ventilbohrung 20 ist an beiden Enden 24, 26 durch Abschlussschrauben 28, 30 verschlossen, die jeweils in ein zuordenbares Innengewinde 32 der Ventilbohrung 20 eingreifen. Zwischen den Abschlussschrauben 28, 30, und dem Ventilgehäuse 18 sind jeweils ringförmige Dichtelemente 34 vorgesehen.
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Der Ventilschieber 22 ist zum Ansteuern einer fluidführenden Verbindung 36 zwischen mindestens zwei im Ventilgehäuse 18 aufgenommenen Fluid-Anschlussstellen 38, 40, einem Versorgungsanschluss 38 und einem Druckanschluss 40, vorgesehen. An den Versorgungsanschluss 38 ist eine Druckversorgungsquelle P anschließbar und an den Druckanschluss 40 ist ein hydraulischer Verbraucher U anschließbar. Der Ventilschieber 22 weist insgesamt zwei Steuerteile 42, 44 auf, von denen das erste Steuerteil 42 mindestens eine taschenartige Vertiefung 46 aufweist und das zweite Steuerteil 44 durch eine erste Fluidführung 48 vom ersten Steuerteil 42 beabstandet angeordnet ist. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit die erfindungsgemäße Lösung auch nur mit einem Steuerteil, beispielsweise dem Steuerteil 42 zu realisieren. Im unbetätigten Zustand des Ventilschiebers 22, also bei Nullhub, bei dem sich der Ventilschieber 22 in der in der Bildebene linken Endlage befindet, ist das zweite Steuerteil 44 mittels eines zylinderförmigen Führungsteils 50 in Anlage mit einer Gehäuseinnenwand 52 des Ventilgehäuses 18. Ein konisch verlaufendes Übergangsteil 54 bildet eine Strömungsführung für das durch die Fluidführung 48 strömende Fluid und bewirkt eine Umlenkung des Fluidstroms in Richtung des Druckanschlusses 40. Das Übergangsteil 54 trägt auch zur Strömungskraftkompensation am Ventilschieber mit bei.
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Mittels eines weiteren Führungsteils 56 ist der Ventilschieber 22 im Bereich des Druckanschlusses 40 im Ventilgehäuse 18 durch dessen Innenwand 52 geführt. Zwischen dem ersten Steuerteil 42 und dem zweiten Steuerteil 44 ist bereits eine diese auf Abstand haltende erste Fluidführung 48 angeordnet. Durch eine zweite Fluidführung 58 zwischen dem zweiten Steuerteil 44 und dem weiteren Führungsteil 56 wird nun die Umströmung des Ventilschiebers 22 im Bereich des zweiten Steuerteils 44 verbessert, wodurch die Druckverluste innerhalb der Druckwaage 10 verringert werden. Weiterhin wird durch die zweite Fluidführung 58 das Dichtverhalten des zweiten Steuerteils 44 gegenüber der Gehäuseinnenwand 52 verbessert, da der Dichtspalt zwischen Ventilschieber 22 und Gehäuseinnenwand 52 durch das Einbringen der zweiten Fluidführung 58 in den Ventilschieber 22 verkleinert werden kann. Die beiden Fluidführungen 48, 58, die axiale Abstände zwischen dem ersten Steuerteil 42 und dem zweiten Steuerteil 44 sowie zwischen dem zweiten Steuerteil 44 und dem weiteren Führungsteil 56 bilden, sind durch nutartig verlaufende Durchmesserreduzierungen 59 im Ventilschieber 22 gebildet. Derartige Durchmesserreduzierungen 59 werden fachsprachlich auch als Einstiche bezeichnet.
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Auf seiner einen, in der Bildebene linken Stirnseite 60 grenzt der Ventilschieber 22 an eine Medienkammer 62 veränderlichen Volumens an, in die ein Steuerkanal 64 des Ventilschiebers 22 mit seinem einen Ende 66 mündet, dessen anderes Ende 68 über zwei in Querrichtung verlaufende Druckmeldekanäle 70 in einem Ventilraum 72 zwischen den beiden Steuerteilen 42, 44, unmittelbar an das Übergangsteil 54 angrenzend, ausmündet. Der Ventilraum 72 ist randseitig von den zwei Steuerteilen 42, 44 des Ventilschiebers 22 und dem Ventilgehäuse 18 mit begrenzt. Der durch den Ventilschieber 22 eingeregelte Druck zwischen dem Versorgungsanschluss 38 und dem Druckanschluss 40 wird über die Druckmeldekanäle 70 und den Steuerkanal 64 in die eine Medienkammer 62 weitergeleitet. Der in der einen Medienkammer 62 herrschende Fluiddruck beaufschlagt dann den Ventilschieber 22 in Richtung einer Offenstellung.
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An den Druckanschluss 40 ist über eine fluidführende Leitung 73 der hydraulische Verbraucher U angeschlossen. In der fluidführenden Leitung 73 ist die Einrichtung 12, insbesondere in der Art einer Zumessblende ausgebildet, vorgesehen. Zur Abbildung des Fluiddruckes nach mindestens der fest eingestellten oder verstellbaren Einrichtung 12 in Form der Zumessblende auf die andere Stirnseite 74 des Ventilschiebers 22 ist eine entsprechende Steuerleitung 76 in Form einer LS-Signalleitung 78 vorgesehen, die an das Ventilgehäuse 18 angeschlossen ist und zu einer weiteren Medienkammer 80 führt. Ein in der weiteren Medienkammer 80 herrschender Fluidddruck beaufschlagt die andere Stirnseite 74 des Ventilschiebers 22 nach links in Richtung der Schließstellung SS, in welcher der Ventilschieber 22 bei Nullhub den Druckanschluss 34 von dem Versorgungsanschluss 40 trennt. Der Ventilschieber 22 ist auf seiner anderen Stirnseite 74 außerdem von einem Energiespeicher 82 in Form einer Druckfeder beaufschlagt. Am Ventilschieber 22 und an der gegenüberliegenden Abschlussschraube 30 sind Führungen 84, 86 für die Druckfeder 82 ausgebildet.
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Die Ventilvorrichtung 16 der 3 und 4 stellt eine Weiterentwicklung dar und unterscheidet sich von dem Volumenstromregler 14 der 1 und 2 im Wesentlich dadurch, dass in einer Ventileinrichtung 88 in Form einer Individualdruckwaage mittels einer Steuereinrichtung 90 der durch den Ventilschieber 22 eingeregelte Druck zwischen dem Versorgungsanschluss 38 und dem Druckanschluss 40 ab einer vorgegebenen Verschiebung V des Ventilschiebers 22 in Richtung auf eine seiner Endstellungen, in diesem Fall die in der Bildebene rechte Endstellung, begrenzbar ist.
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Dies wird dadurch erreicht, dass die Steuereinrichtung 90 einen verlängerten Steuerkanal 64 innerhalb des Ventilschiebers 22 aufweist, der auf der einen Steuerseite 60 des Ventilschiebers 22 in die eine Medienkammer 62 innerhalb des Ventilgehäuses 18 ausmündet. Der Steuerkanal 64 verbindet die eine Medienkammer 62 mit der weiteren Medienkammer 80 innerhalb des Ventilgehäuses 18, an welche die Steuerleitung 76 angeschlossen ist, ab der vorgegebenen Verschiebung V des Ventilschiebers 22 fluidführend. Der Steuerkanal 64 geht hierzu in Richtung der weiteren Medienkammer 80 mit der Steuerleitung 76 von einem Längskanal 94, der parallel zur Verfahrrichtung VR des Ventilschiebers 22 verläuft, in einen Querkanal 96 über. Der Querkanal 96 bleibt von dem Ventilgehäuse 18 solange überdeckt, bis die fluidführende Verbindung 98 zwischen der einen Medienkammer 62 und der weiteren Medienkammer 80 hergestellt ist. Im Ventilgehäuse 18 ist dazu eine Innenumfangsnut 100 vorgesehen, die eine Steuerkante 102 aufweist. Durch die Innenumfangsnut 100 kann das Fluid das weitere Führungsteil 56 endseitig umströmen. Es ist weiterhin vorgesehen, dass das Fluid über die Steuerleitung 76 in Richtung der LS-Signalleitung 78, einem Tankanschluss 104 oder einem sonstigen, im wesentlichen Umgebungsdruck aufweisenden Rücklaufanschluss aus der weiteren Medienkammer 80 abfließen kann. Um die Flussrichtung des Fluids und die Menge des abfließenden Fluids steuern zu können, weisen die LS-Signalleitung 78 und der Tankanschluss 104 einstellbare Drosselstellen 106, 108 auf.
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Der Steuerkanal 64 im Ventilschieber 22 weist eine weitere Drosselstelle 110 auf, die zwischen dem Versorgungsanschluss 38 und der an die eine Medienkammer 62 angrenzenden Steuerseite 60 des Ventilschiebers 22 vorgesehen ist. Diese Drosselstelle 110 ist sehr einfach dadurch ausgebildet, dass die Druckmeldekanäle 70 einen entsprechend kleinen Innendurchmesser aufweisen. Durch diese Drosselstelle 110 werden Druckschwankungen am Versorgungsanschluss 38 verzögert an die erste Medienkammer 62 weitergeleitet.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise der Ventilvorrichtung 16 erläutert.
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Ein am Versorgungsanschluss 38 anstehender Fluiddruck wird über die Druckmeldekanäle 70 und den Steuerkanal 64 in die eine Medienkammer 62 weitergeleitet. Dort wirkt er auf die angrenzende Steuerseite 60 des Ventilschiebers 22 ein. Auf der gegenüberliegenden Steuerseite 74 ist der Ventilschieber 22 vom Lastdruck über die LS-Signalleitung 78 und der Druckfeder 82 beaufschlagt. Wenn der Fluiddruck am Versorgungsanschluss 38 den Gegendruck durch den Lastdruck und die Druckfeder 82 übersteigt, bewegt sich der Ventilschieber 22 ausgehend von der Schließstellung SS bei Nullhub in der Bildebene nach rechts.
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Durch die Verschiebung des Ventilschiebers 22 wird das zweite Steuerteil 44 außer Eingriff mit der Gehäuseinnenwand 52 gebracht, so dass eine fluidführende Verbindung 36 zwischen dem Versorgungsanschluss 38 und dem Druckanschluss 40 zunehmend weiter geöffnet wird. Ab einer vorgegebenen Verschiebung V des Ventilschiebers 22 wird die fluidführende Verbindung 48 durch Schließen des Steuerteils 42 an der Steuerkante 51 unterbrochen und die fluidführende Verbindung 36 zwischen den Medienkammern 62, 80 hergestellt, weil der Querkanal 96 der Steuereinrichtung 90 die Steuerkante 102 im Ventilgehäuse 18 überlaufen hat. Durch diese fluidführende Verbindung 98 zwischen den Medienkammern 62, 80 kommt es zu einem Druckausgleich zwischen den Medienkammern 62, 80.
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Aufgrund der Druckfeder 82 wird deshalb der Ventilschieber 22 wieder nach links in Richtung der Schließstellung SS verschoben, solange der Druckausgleich besteht. Dieser Effekt wird dadurch verstärkt, dass Fluid aus der weiteren Medienkammer 80 über die Steuerleitung 76 in Richtung der LS-Signalleitung 78 und des Tankanschlusses 104 abfließen kann. Hat sich der Ventilschieber hinreichend weit in Richtung der Schließstellung SS bewegt, so kommt es wieder zu einer zumindest teilweisen Überdeckung des Querkanals 96 durch das Ventilgehäuse 18, wodurch die fluidführende Verbindung 98 zwischen den Medienkammern 62, 80 zunächst gedrosselt und mit zunehmender Verschiebung des Ventilschiebers 22 ganz getrennt wird. Auf diese Weise stellt sich eine Gleichgewichtslage ein, die den Druck am Druckanschluss 40 vorteilhaft auf einen Maximalwert begrenzt. Mithin kann es nicht mehr zu Überlastungen am hydraulischen Verbraucher U kommen. Vorteilhaft weist der Fluiddruck am Druckanschluss 40 eine konstante Druckdifferenz zum Versorgungsanschluss 38 auf, bis der zulässige maximale Druck erreicht ist.
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Im Ergebnis wird so eine Ventilvorrichtung 16 aufgezeigt, die Druckschwankungen am Versorgungsanschluss 38 vorteilhaft nicht mehr ungehindert passieren lässt und somit etwaige Beschädigungen des hydraulischen Verbrauchers U wirksam verhindert.
