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Die Erfindung betrifft einen Stellzylinder für einen Stellantrieb, insbesondere zur primären Flugsteuerung eines Luftfahrzeugs, mit einem Zylindergehäuse und einer darin linear verschieblich gelagerten Kolbenstange.
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Bei typischen Aktuatoren für die Anwendung in Primary Flight Control Systemen wird die Bewegung der Kolbenstange gedämpft, um mögliche Schäden an der Struktur des Luftfahrzeugs aufgrund einer raschen Kolbenstangenbewegung zu vermeiden. Aus sicherheitstechnischen Gründen ist es daher notwendig, die Dämpfungsfunktion auch im Falle eines Druckverlustes innerhalb der hydraulischen Versorgung aufrechtzuerhalten.
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Zur Erfüllung dieser Sicherheitsanforderung werden derartige Aktuatoren typischerweise mit einem Fluidspeicher ausgestattet, der thermische Effekte und Leckage Effekte über einen bestimmten Zeitraum hinaus kompensieren kann und damit die Dämpfungsfunktion für diesen Zeitraum sicherstellt. Bis dato werden Lösungen verwendet, bei denen der Fluidspeicher entweder direkt im Ventilblock integriert ist oder als selbstständiges Teil am Ventilblock angeschraubt ist. Der Ventilblock sitzt dabei in unmittelbarer Nähe am Stellzylinder, insbesondere auf der Außenseite des Zylindermantels.
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Die Integration des Fluidspeichers in den Ventilblock erfordert jedoch viel Bauraum und lässt die Größe und das Gewichts des Ventilblocks und folglich des gesamten Aktuators merklich ansteigen. Diese Gewichtszunahme ist allerdings in der Luftfahrzeugindustrie unerwünscht. Gleichzeitig erschwert die größere Abmessung des Ventilblocks den Einbau des Aktuators in das Luftfahrzeug, da auch hier nur begrenzter Bauraum verfügbar ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt daher in dem Aufsuchen einer Lösung für die vorgenannte Problematik.
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Die Aufgabe wird durch einen Stellzylinder mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Stellzylinders sind Gegenstand der sich an den Hauptanspruch anschließenden abhängigen Ansprüche.
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Gemäß Anspruch 1 wird also ein Stellzylinder für einen Stellantrieb, insbesondere zur primären Flugsteuerung eines Luftfahrzeugs, vorgeschlagen, wobei der Stellzylinder ein Zylindergehäuse und eine darin linear verschieblich gelagerte Kolbenstange aufweist. Die erfindungsgemäße Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Zylindergehäuse des Stellzylinders zumindest teilweise als Fluidspeicher zu nutzen. Insbesondere wird ein ungenutzter Hohlraum innerhalb des Stellzylinders als Fluidspeicher verwendet. Dadurch ändert sich die Baugröße des Stellzylinders gegenüber herkömmlichen Varianten nicht oder nur in vernachlässigbarem Umfang. Gleichfalls besteht die Möglichkeit zur einfachen Nachrüstung bestehender Stellzylinder mit einem integrierten Fluidspeicher.
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Der Stellzylinder selbst kann als Gleichlaufzylinder mit ausgeglichenen Kolbenflächen ausgeführt sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich bei dem Fluidspeicher um eine spezielle Anordnung eines Federspeichers, welcher direkt im Stellzylinder integriert ist. Der gesamte Fertigungsaufwand für den Stellzylinder wird durch den Einbau eines derartigen Federspeichers nicht bedeutend erhöht. Der Federspeicher umfasst einen Trennkolben, der entgegen der Federkraft wirkt und hydraulischen Druck mechanisch speichert.
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Die Vorspannung des Federspeichers kann beispielsweise durch Verwendung eines Tellerfederpaketes erfolgen oder mittels einer Spiralfeder bzw. mittels einer Gasfeder erreicht werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Fluidspeicher radial um die hintere Kolbenstange angeordnet ist. Dieser Raum um die hintere Kolbenstange ist in der Regel ungenutzt. Die Verwendung als Speicherbehälter für den Fluidspeicher erlaubt die Integration eines Speichers in den Stellzylinder ohne erheblichen Aufwand, wobei grossteils auf bereits verfügbare Bauteile zurückgegriffen wird. Dadurch verbleibt die geometrische Abmessung des Stellzylinders konstant bzw. ändert sich nur unwesentlich.
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Aufgrund der Erweiterung des Stellzylinders um einen integralen Fluidspeicher kann auch der für die Ansteuerung des Stellzylinders notwendige Ventilblock einfacher ausgestaltet sein. Der Wegfall des notwendigen Fluidspeichers im Ventilblock reduziert das Baumaß des Ventilblocks, wodurch auch das Gesamtmaß aus Ventilblock und Stellzylinder kleiner ausfällt. Hierdurch wird eine wünschenswerte Reduktion des notwendigen Montageraums innerhalb eines Luftfahrzeuges erreicht. Der Gesamtaufbau wird aufgrund der reduzierten Teilezahl und der einfachen Integration des Speichers preisgünstiger. Daneben steht eine Abnahme des Gesamtgewichtes, da das am Zylinder entstehende Mehrgewicht deutlich geringer als das Gewicht eines autarken Speichers ist.
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Es bietet sich an, die Zylinderbohrung für die Kolbenstange gleichzeitig als äußere Lauffläche für den Trennkolben des Fluidspeichers zu nutzen. In diesem Fall kann es zweckmäßig sein, die Zylinderbohrung in Abhängigkeit der benötigten Speichermenge zu verlängern, d. h. tiefer in Richtung des Zylinderbodens zu bohren. Hierdurch geht auch eine Verringerung der Wahrscheinlichkeit von Rundlauffehlern einher.
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Bei bekannten Stellzylindern dient eine integrierte Führungshülse zur Führung der Kolbenstange innerhalb des Zylindermantels. Insbesondere dient eine hintere Führungsbuchse zur Führung der hinteren Kolbenstange bei Gleichlaufzylindern. In diesem Fall kann es besonders vorteilhaft sein, wenn die hintere Führungsbuchse zugleich als innere Führung und Lauffläche für den Trennkolben des Fluidspeichers genutzt wird. Insbesondere dient die hintere Führungsbuchse als innere Führung und Lauffläche für die Dichtung des Trennkolbens.
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Es werden ohnehin bestehende Bauteile des Stellzylinders für die Realisierung des Fluidspeichers genutzt. Neben Feder und Trennkolben sind keine weiteren Bauteile für die Integration des Fluidspeichers notwendig.
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Der Zylindermantel des Stellzylinders kann in einer bevorzugten Ausgestaltung im Bereich des Fluidspeichers zumindest teilweise transparent sein, um eine visuelle Kontrolle des Speicherfüllstandes, insbesondere der Trennkolbenposition, zu ermöglichen. Insbesondere kann das Zylindergehäuse im hinteren Bereich partiell mit Ausfräsungen versehen sein. Damit kann der Speicherfüllstand leicht anhand der Position des Trennkolbens abgelesen werden. Eine zusätzliche Anzeige entfällt damit.
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Für die Steuerung des Stellzylinders ist oftmals ein Weggeber in das Zylindergehäuse, d. h. den Zylinderraum integriert. In diesem Fall kann der ohnehin vorgesehen Weggeber derart im Zylindergehäuse angeordnet sein, sodass dieser die hintere Führungsbuchse der Kolbenstange in axialer Richtung in Position hält.
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Wird der Zylinder mit den oben genannten Merkmalen realisiert, so sind für die Ausführung der Speicherfunktion selbst lediglich eine Feder und ein Trennkolben als zusätzliche Bauteile notwendig. Damit ändert sich der Bauraum des Stellzylinders gegenüber bekannten Ausführungen nicht. Auch wird das resultierende Gewicht des Stellkolbens nur unwesentlich durch das zusätzliche Federgewicht und das Gewicht des Trennkolbens erhöht. Diese Gewichtszunahme ist jedoch vernachlässigbar gegenüber der damit verbunden Gewichtsreduktion des Ventilblocks bzw. der Einsparung eines zusätzlichen externen Fluidspeichers.
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Die Erfindung umfasst weiterhin einen Aktuator für ein Luftfahrzeug bestehend aus dem erfindungsgemäßen Stellzylinder und einem Ventilblock zur Steuerung- und/oder Regelung des Stellzylinders.
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Neben dem Stellzylinder betrifft die Erfindung zudem ein Luftfahrzeug mit einem Stellzylinder gemäß der vorliegenden Erfindung bzw. einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung oder einem Aktuator gemäß der Erfindung. Offensichtlich weist das Luftfahrzeug dieselben Vorteile und Eigenschaften wie der Stellzylinder auf, weshalb an dieser Stelle auf eine wiederholende Beschreibung verzichtet werden soll.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1: eine perspektivische Seitendarstellung eines herkömmlichen aus dem Stand der Technik bekannten Stellzylinders mit Ventilblock,
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2: eine perspektivische Seitendarstellung des erfindungsgemäßen Stellzylinders mit Ventilblockmodul,
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3: Schnittdarstellungen durch den erfindungsgemäßen Stellzylinder gemäß 2,
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4: das Ventilblockmodul aus 2 in einer Rückansicht und
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5: eine Schnittdarstellung durch das Mode-Ventil des Ventilblockmoduls der 2 und 4.
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1 zeigt einen Stellzylinder eines herkömmlichen Flugsteuerungsaktuator. Der Stellzylinder umfasst ein Zylindergehäuse 1 in dem die Kolbenstange 3 linear verschieblich gelagert ist. Auf dem Zylindermantel 1 sitzt der Ventilblock 2 zur Ansteuerung des Stellzylinders. Bei dieser Lösung ist der Fluidspeicher 5 direkt im Ventilblock integriert und sorgt dafür, dass im Falle eines Druckverlustes in der hydraulischen Druckversorgung die Dämpfung im Aktuator weiterhin gewährleistet ist. Durch die Integration des Fluidspeichers 5 in den Ventilblock 2 nimmt der Bauraum des Ventilblocks 2 deutlich zu. Daneben umfasst der Ventilblock 2 noch eine Reihe an hydraulischen Komponenten zur Steuerung des Stellzylinders, die als einzelne Modulpatronen am Ventilblock 2 angebaut sind. Hierunter fallen beispielsweise das Servoventil 4, die Druckmesseinrichtung 6, das Magnetventil 7 und das Mode-Ventil 8.
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Wichtige Baugruppen, wie z. B. das Servoventil 4, sind als LRU ausgeführt, damit dieses im Bedarfsfall separat getauscht werden kann.
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2 zeigt den erfindungsgemäßen Aktuator, insbesondere für die Primäre Flugsteuerung eines Luftfahrzeugs. Der Stellzylinder umfasst ebenfalls einen Zylindermantel 10, in dem die Kolbenstange 30 linear verschieblich gelagert ist. Auf dem Außenumfang des Zylindermantels 10 sitzt ein Ventilblockmodul 20, dessen räumliches Maß offensichtlich gegenüber dem Ventilblock 5 aus 1 deutlich kleiner ausfällt.
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Die Reduktion der Baugröße des Ventilblockmoduls 20 beruht grossteils auf der erfindungsgemäßen Idee, den notwendigen Fluidspeicher nicht in das Modul 20 zu integrieren, sondern stattdessen im Stellzylinder, d. h. im Zylindergehäuse 10 unterzubringen. Der 2 ist eine Aussparung 11 der Mantelfläche 10 zu entnehmen, die einen Einblick in den Innenraum des Stellzylinders zulässt. Insbesondere kann mit Hilfe der Aussparung 11 der aktuelle Füllstand des Fluidspeichers abgelesen werden.
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Der prinzipielle Aufbau des Fluidspeichers soll im Folgenden anhand der 3a, 3b näher erläutert werden. 3a zeigt eine vollständige Schnittdarstellung entlang der Zylinderlängsachse. Der Stellzylinder ist als Gleichlaufzylinder ausgeführt, wobei die beiden entgegengerichteten Kolbenflächen des Kolbens 31 ausgeglichen sind. Der Fluidzylinder ist im hinteren Teil des Zylindermantels 10 untergebracht, wobei die Bohrtiefe der Zylinderbohrung für die lineare Führung der Kolbenstange 30 in Richtung des Zylinderbodens verlängert wurde.
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3b zeigt eine Detailaufnahme des hinteren Zylinderbereichs. Der Fluidzylinder basiert auf dem Arbeitsprinzip eines Federspeichers mit der Feder 40, die im Ausführungsbeispiel der 3a, 3b als Spiralfeder ausgeführt ist. Die Feder 40 spannt den Trennkolben 50 vor. Wird der den Speicherbehälter bildende Raum 60 der Zylinderbohrung mit Hydrauliköl gefüllt, so wirkt der Trennkolben 50 entgegen der Federkraft der Feder 40 und drückt diese zusammen. Druckenergie wird in Form der Federkraft gespeichert.
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Der Trennkolben 50 nutzt den Zylindermantel 10 als äußere Lauffläche. Eine hintere Führungsbuchse 70 dient als Hülse zur Aufnahme und Führung des hinteren Teils der Kolbenstange 30, wobei die Hülse 70 gleichzeitig als innere Führung und Lauffläche für die Dichtungen 51 des Trennkolbens 50 genutzt wird. Die Abdichtung gegenüber dem Zylindermantel 10 erfolgt über die beiden Ringdichtungen 52.
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Die beiden Zuleitungen 32, 33 dienen zur Druckbeaufschlagung der jeweiligen Zylinderkammern des Stellzylinders. Der Zufluss zum Fluidspeicher wird über die Bohrung 61 bereitgestellt.
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Der innenliegende Weggeber 80 zur Erfassung der Kolbenposition wird dazu genutzt, die hintere Führungsbuchse 70 in Position zu halten, insbesondere in axialer Richtung zu fixieren.
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Wird der Zylinder mit obigen Merkmalen ausgeführt, sind für die Realisierung der Speicherfunktionalität lediglich zwei zusätzliche Komponenten in das Zylindergehäuse zu integrieren, nämlich die Feder 40 sowie der Trennkolben 50. Durch den erfindungsgemäßen Speicheraufbau ergeben sich die folgenden Vorteile:
- 1. Einfachere Bauart des Ventilblockmoduls 20, da der Speicher in den Stellzylinder integriert wird.
- 2. In Summe wird der Platzbedarf für den Speicher reduziert, da der Raum um die hintere Kolbenstange 30 in der Regel ungenutzt ist und daher für die Realisierung des Fluidspeichers zur Verfügung steht.
- 3. Das Gesamtgerät kann kleiner bauen, wodurch sich der Bauraumbedarf innerhalb eines Luftfahrzeugs reduziert.
- 4. Das Gesamtgerät wird aufgrund der reduzierten Teilezahl und der einfachen Integration des Speichers preisgünstiger.
- 5. Das Gesamtgerät wird in Summe leichter, da das am Zylinder 10 entstehende Mehrgewicht geringer ist als das Gewicht eines autarken Fluidspeichers.
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Bezugnehmend auf 2 wird nochmals auf die Ausgestaltung des Ventilblockmoduls 20 eingegangen. Das Ventilblockmodul 20 besteht aus dem Ventilgehäuse 21, das die zweite Stufe 23 des mehrstufigen Servoventils aufnimmt. Gleichzeitig wird das Ventilgehäuse 21 als Ventilgehäuse für die beiden Sensoren 29 der Druckmesseinrichtung in Form eines DPTs, für das Mode-Ventil 27 sowie für das Druckbegrenzungsventil 22 genutzt. Es werden folglich alle Komponenten des Hydraulikblocks im Ventilblock 21 des Servoventils 23 integriert, wodurch ein Hydraulikblock ersatzlos entfällt. Die erste Stufe des Servoventils ist mit dem Bezugszeichen 23' gekennzeichnet.
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In der dargestellten Ausführung ist das Magnetventil (Solenoidventil) 24 aussen am Ventilgehäuse 21 montiert, insbesondere verschraubt. Zusätzlich sind ein Blocking Relief Valve 90 sowie ein Check Blocking Valve 91 in das Ventilgehäuse 21 integriert.
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Das Ventilgehäuse 21 ist entweder aus rostfreiem Stahl oder aus Titan gefertigt, sodass die Steuerschieber der einzelnen Ventile direkt ohne Schieberhülse in den Block 21 integriert werden können. Der gesamte Aufbau 20 ist modulartig ausgeführt, wodurch das Ventilblockmodul 20 ohne Einstellarbeiten besonders einfach austauschbar ist, insbesondere direkt im eingebauten Zustand am Luftfahrzeug austauschbar ist.
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4 zeigt eine Rückansicht des erfindungsgemäßen Ventilblockmoduls 20. Endseitig an dem Ventilblock 21 schliesst sich das Verkabelungsgehäuse 26 an, das den Hauptgerätestecker 25 beinhaltet. Gleichzeitig dient das Verkabelungsgehäuse 26 als Schutzgehäuse für die einzelnen Wegmesseinrichtungen der jeweiligen Ventile, die alle vom gleichen Bautyp sind und innerhalb des Gehäuses 26 angeordnet sind. Folglich benötigen die einzelnen Weggeber kein aufwendiges Gehäuse und können mit einfachem Kabelschwanz ausgeführt werden.
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Die Schieberhülse der zweiten Stufe
23 des Servoventils ist als Käferhülse ausgeführt und weist wenigstens eine in der Oberfläche der Steuerschieberhülse angeordnete Nut zur Ausbildung wenigstens eines Strömungskanals zur Übertragung eines Steuerstroms und/oder Volumenstroms auf. Die Nut verläuft abschnittsweise oder insgesamt nicht in Umfangsrichtung der Steuerschieberhülse. An dieser Stelle wird nochmals auf die deutsche nicht vorveröffentlichte Patentanmeldung
DE 10 2012 002 921 Bezug genommen.
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Durch die Ausführung des Ventilblocks 21 aus rostfreiem Stahl oder aus Titan können ein Teilen der notwendigen Steuerschieber unmittelbar ohne Schieberhülse in das Gehäuse integriert werden. Dies gilt für die Schieber der Druckmesseinrichtung 29 sowie den Steuerschieber des Überdruckventils 22 sowie möglicher weiterer Ventile. Dadurch wird die Bauweise des Ventilblockmoduls 20 wesentlich kompakter gestaltet und die Anzahl und die Länge der notwendigen Verbindungsbohrungen zwischen den einzelnen Komponenten kann merklich reduziert werden.
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Beispielsweise ist der 5 das Mode-Ventil in einer Schnittdarstellung zu entnehmen. Das Mode-Ventil umfasst einen Steuerschieber 28 der unmittelbar innerhalb des Ventilgehäuses 21 gelagert ist. Auf die Verwendung einer etwaigen Schieberhülse kann verzichtet werden.
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Durch die konkrete Ausgestaltung des Ventilblockmoduls 20 ergeben sich die folgenden Vorteile:
- 1. Das Volumen des Ventilblockmoduls 20 wird gegenüber der Standardlösung aus 1 massiv reduziert, wodurch der Grad der Individualisierung zur Anpassung an die verschiedenen Einbauräume massiv reduziert wird.
- 2. Die Anzahl der Einzelteile im Ventilblockmodul 20 wird gegenüber der Lösung aus 1 um 40% reduziert.
- 3. Es gibt fast keine internen Dichtungen mehr, womit das Risiko von Leckagen massiv reduziert wird und die Zuverlässigkeit des Ventilblockmoduls 20 zunimmt.
- 4. Durch den Entfall der Zwischenstecker reduziert sich die Fehlerrate und der Montageaufwand wird ebenfalls stark reduziert.
- 5. Das Gewicht des Ventilblockmoduls 20 ist trotz Verwendung von Stahl gegenüber einem Ventilblock aus Aluminium reduziert.
- 6. Durch die Verwendung von Stahl als Ventilblockmaterial ist das Problem der Dauerfestigkeit von Ventilblöcken nicht mehr gegeben. Die Lebensdauer von alubasierten Ventilblöcken ist aufgrund der im Inneren auftretenden Spannungen, hervorgerufen durch den herrschenden Hydraulikdruck, begrenzt.
- 7. Trotz des hohen Integrationsgrades kann das Ventilblockmodul 20 im Luftfahrzeug getauscht werden. Da der Betreiber nur eine Komponente auf Lager halten muss (früher: viele verschiedene LRUs), entstehen auch hier geringe Kosten. Ein möglicher höherer Kostenaufwand für das Ventilblockmodul 20 kann im Vergleich zu den einzelnen LRUs dadurch kompensiert werden.
- 8. In Summe können die Kosten für ein Ventilblockmodul 20 nach dieser Bauart gegenüber einem Standardventilblock 2 gemäß 1 um ca. 30% gesenkt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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