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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Wegeventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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In einem gemäß dem Stand der Technik aufgebauten hydraulischen Wegeventil treten aufgrund des geregelten Fluidstromes durch Öffnen und Schließen von Steuerkanten unerwünschte Strömungskräfte an einem in einem Ventilgehäuse des Wegeventils axial verschiebbaren Kolben des Wegeventils auf, die das Gleichgewicht zwischen einer Magnetkraft und einer Federkraft einer Verschiebevorrichtung des Wegeventils stören und beeinflussen. Größen und Richtungen der Strömungskräfte sind abhängig von einer durchströmten Geometrie des Wegeventils, einer Kolbenposition des Kolbens, einer so genannten Unterdeckung der Steuerkanten und von einer Größe eines an einem Versorgungsanschluss des Wegeventils anliegenden Versorgungsdruckes. Die durchströmte Geometrie des Wegeventils ist konstant, wobei die Kolbenposition und der Versorgungsdruck variabel sind.
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Ein durch die Strömungskräfte hervorgerufener Störfaktor im Kräftegleichgewicht zwischen der Magnetkraft und der Federkraft, ein so genanntes Magnet-Feder-Kräftegleichgewicht, variiert hauptsächlich in seiner Größe in Abhängigkeit des anliegenden Versorgungsdruckes. Je nach Größe des Störfaktors ändert sich ein Gesamtkräftegleichgewicht zwischen den Magnet-, den Feder- und den Strömungskräften. Dies führt zu Verschiebungen eines bestimmten Volumenstromes, welcher bei einer bestimmten Stromstärke, die an einem in Form eines Magnetaktors ausgebildeten Teils der Verschiebevorrichtung anzulegen ist, ausgebildet sein sollte. Mit anderen Worten bedeutet das, dass bei einer bestimmten Stromstärke der Volumenstrom variiert.
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Anwendungsbedingt sollten die Funktionskriterien, insbesondere das Volumenstrom-Strom-Verhältnis (Q-I), so konstant wie möglich über sämtliche Betriebsbereiche des Wegeventils bleiben. Zu starke Änderungen im hydraulischen System können durch die elektronische Steuerung nicht kompensiert werden und führen gegebenenfalls sogar zu Fehlfunktionen.
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Der Einfluss von Strömungskräften auf das Magnet-Feder-Kräftegleichgewicht und die Versorgungsdruckabhängigkeit der Größe der Strömungskräfte ist demnach problematisch.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein hydraulisches Wegeventil zu schaffen, welches eine Reduzierung der Strömungskräfte und Minimierung der Versorgungsdruckabhängigkeit ermöglicht.
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Die vorgenannte Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1.
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Ein erfindungsgemäßes hydraulisches Wegeventil umfasst ein Ventilgehäuse mit einer das Ventilgehäuse in Richtung deren Längsachse axial durchdringenden Aufnahmeöffnung, wobei das Ventilgehäuse eine erste Durchströmöffnung eines Versorgungsanschlusses, eine zweite Durchströmöffnung eines ersten Arbeitsanschlusses, eine dritte Durchströmöffnung eines zweiten Arbeitsanschlusses, eine vierte Durchströmöffnungen eines ersten Tankanschlusses und eine fünfte Durchströmöffnung eines zweiten Tankanschlusses aufweist. Die Durchströmöffnungen sind zumindest teilweise von einem das Ventilgehäuse durchströmenden Hydraulikfluid durchströmbar ausgebildet. Des Weiteren umfasst das Wegeventil einen im Ventilgehäuse in der Aufnahmeöffnung entlang der Längsachse axial verschiebbaren Kolben mit einer ersten Steuernut und eine Verschiebevorrichtung zur axialen Verschiebung des Kolbens. Mit Hilfe der Verschiebevorrichtung ist die erste Steuernut relativ zu den Durchströmöffnungen positionierbar, wobei die Verschiebevorrichtung ein bestrombares erstes Verschiebeteil und ein druckbeaufschlagtes zweites Verschiebeteil aufweist, die mit im Betrieb auftretenden Strömungskräften des Hydraulikfluids zusammenwirkend ausgebildet sind. Zur Kompensation der Strömungskräfte des Hydraulikfluids weist der Kolben ein Kompensationselement auf. Dadurch, dass der Kolben das Kompensationselement aufweist, ist die Möglichkeit gegeben, eine Kompensation störender Strömungskräfte unmittelbar am Kolben, auf welchen auch die Magnetkraft und die Federkraft wirken, herbeizuführen. Somit muss nicht ein aufwendiger und teurer Entwicklungsprozess zur Herstellung bspw. eines neuen Ventilgehäuses durchgeführt werden.
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Insbesondere weist die erste Steuernut das Kompensationselement auf. An dieser ersten Steuernut greifen Strömungskräfte des Hydraulikfluids an, welche durch einen bestimmten Versorgungsdruck zur Versorgung der Arbeitsanschlüsse hervorgerufen werden. Somit kann insbesondere an der ersten Steuernut unmittelbar auf die störenden Strömungskräfte durch Ausbildung des Kompensationselementes Einfluss genommen werden.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen hydraulischen Wegeventils ist der ersten Steuernut, welche eine dem ersten Verschiebeteil zugewandt ausgebildete erste Steuerkante und einem dem zweiten Verschiebeteil zugewandt ausgebildete zweite Steuerkante aufweist, das Kompensationselement im Bereich der zweiten Steuerkante zugeordnet.
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Bevorzugt ist das Kompensationselement in Form einer Drossel ausgeführt. Damit lassen sich, insbesondere sofern die Drossel im Bereich der zweiten Steuerkante ausgebildet ist, Strömungskräfte und insbesondere störende Strömungskräfte reduzieren und möglicherweise vollständig aufzuheben. Das Kompensationselement kann unterschiedliche Profile, welche zur Reduzierung eines an der zweiten Steuerkante auszubildenden Strömungsquerschnitts geeignet sind, aufweisen. Eine absatzartige Ausgestaltung des Kompensationselements hat sich in fertigungstechnischer Hinsicht als kostengünstig erwiesen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist in radialer Richtung zwischen dem Kompensationselement und der zweiten Steuerkante ein erster Radialabstand ausgebildet, welcher sich in die Richtung des Ventilgehäuses erstreckt, und/oder das Kompensationselement weist einen zweiten Durchmesser auf, welcher kleiner ist als ein erster Durchmesser der zweiten Steuerkante. Mit Hilfe dieses ersten Radialabstandes und/oder mit Hilfe des kleineren zweiten Durchmessers des Kompensationselements ist bei Durchströmung der ersten Steuernut ausgehend von der ersten Durchströmöffnung in die zweite Durchströmöffnung eine Drosselstelle ausgebildet, mit deren Hilfe die Strömungskompensation herbeigeführt wird.
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Eine Steigerung der Strömungskompensation ist bei der Ausbildung des Kompensationselementes realisiert, dessen sich in Richtung der Längsachse erstreckende erste Länge größer ist als der erste Radialabstand und/oder größer ist als die Hälfte der Differenz des ersten Durchmessers und des zweiten Durchmessers.
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Eine weitere Steigerung der Strömungskompensation ist dadurch erzielt, dass eine Elementkante des Kompensationselementes, welche der ersten Durchströmöffnung zugewandt ausgebildet ist, bei einem maximal offenen Querschnitt, von einer dritten Steuerkante der zweiten Durchströmöffnung, welche auf einer der ersten Durchströmöffnung zugewandten Seite der zweiten Durchströmöffnung ausgebildet ist, mit einer in Richtung der ersten Steuerkante ausgerichteten axialen zweiten Länge beabstandet ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen hydraulischen Wegeventils weist die erste Steuernut im Bereich der ersten Steuerkante einen Absatz auf. Mit Hilfe des Absatzes ist neben einer erzielten weiteren zusätzlichen Steigerung der Strömungskompensation das Wegeventil fertigungstechnisch kostengünstig herzustellen.
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Insbesondere ist eine weitere zusätzlich Steigerung der Strömungskompensation herbeizuführen bei der Ausbildung des Absatzes mit einem dritten Durchmesser, welcher zumindest gleich oder insbesondere kleiner ist als der zweite Durchmesser und/oder in radialer Richtung zwischen ersten Steuerkante und dem Absatz ein zweiter Radialabstand ausgebildet ist, welcher kleiner ist als der erste Radialabstand.
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Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In den Zeichnungen ist ein einziges Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen beispielhaft:
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1 ein erfindungsgemäßes hydraulisches Wegeventil im Längsschnitt in einer zweiten Schaltstellung;
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2 einen vergrößerten Ausschnitt Z des Wegeventils gem. 1 in der zweiten Schaltstellung;
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3 den vergrößerten Ausschnitt Z des Wegeventils gem. 1 in einer ersten Schaltstellung mit Strömungslinien eines Hydraulikfluids;
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4 eine Q-I-Kennlinie eines Wegeventils gemäß dem Stand der Technik ohne Strömungskraftkompensation;
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5 eine Q-I-Kennlinie bei verschiedenen Versorgungsdrücken eines Wegeventils gemäß dem Stand der Technik ohne Strömungskraftkompensation;
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6 eine Q-I-Kennlinie eines erfindungsgemäßen Wegeventils mit einer Strömungskraftkompensation; und
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7 eine Q-I-Kennlinie bei verschiedenen Versorgungsdrücken des erfindungsgemäßen Wegeventils mit einer Strömungskraftkompensation.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist es möglich, dass die Komponenten nicht in allen Figuren mit ihrem Bezugszeichen versehen sind, ohne jedoch ihre Zuordnung zu verlieren.
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1 zeigt einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen hydraulischen Wegeventils 10. Dieses umfasst ein Ventilgehäuse 12, in dessen Aufnahmeöffnung 14 ein Kolben 16 entlang einer Längsachse L des Ventilgehäuses 12 längsverschiebbar angeordnet ist.
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Das Ventilgehäuse 12 umfasst weiter eine erste Durchströmöffnung 18, welche einem Versorgungskanal P zum Zuführen eines Hydraulikfluids, eine zweite Durchströmöffnung 20, welche einem ersten Arbeitsanschluss A zum Zuführen des Hydraulikfluids zum ersten Verbraucher, eine dritte Durchströmöffnung 22, welche einem zweiten Arbeitsanschluss B zum Zuführen des Hydraulikfluids zum zweiten Verbraucher, eine vierte Durchströmöffnung 24, welche einem ersten Tankanschluss T1 zum Ableiten des Hydraulikfluids aus dem ersten Verbraucher und eine fünfte Durchströmöffnung 26, welche einem zweiten Tankanschluss T2 zum Ableiten des Hydraulikfluids aus dem zweiten Verbraucher zugeordnet ist.
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Der Kolben 16 weist eine erste Steuernut 28 auf, die in Form einer Ringnut ausgeführt ist. Mit Hilfe der ersten Steuernut 28 können die erste Durchströmöffnung 18 und die zweite Durchströmöffnung 20 geöffnet oder geschlossen werden, wobei eine Strömung des Hydraulikfluids eingestellt werden kann. Zum Öffnen oder Schließen der Durchströmöffnungen 18, 20 wird der Kolben 16 mit Hilfe einer Verschiebevorrichtung 30 axial verschoben.
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Weiterhin weist der Kolben 16 eine umlaufende zweite Steuernut 40 auf, die den den ersten Arbeitsanschluss A mit dem ersten Tankanschluss T1 verbindet, sofern die erste Steuernut 28 einen zwischen der ersten Steuernut 28 und der zweiten Steuernut 40 ausgebildeten Strömungsweg schließt. Eine umlaufende dritte Steuernut 42 verbindet den zweiten Arbeitsanschluss B mit dem Versorgungsanschluss P oder wahlweise mit dem zweiten Tankanschluss T2. 1 zeigt eine Ausgangsstellung des Wegeventils 1, in welcher der zweite Arbeitsanschluss B mit dem zweiten Tankanschluss T2 verbunden und der erste Arbeitsanschluss A zum Versorgungsanschluss P sowie zum ersten Tankanschluss T1 gesperrt ist.
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Die Verschiebevorrichtung 30 umfasst ein bestrombares erstes Verschiebeteil 32 in Form eines Magnetaktors mit einem von einer bestrombaren Spule 34 umfassten Magnetankers 36 und ein nichtbestrombares zweites Verschiebeteil 38, welches als Federelement, in diesem Ausführungsbeispiel in Form einer Spiralfeder, ausgebildet ist und sich am Ventilgehäuse 12 abstützt. Das erste Verschiebeteil 32 ist an einem ersten Ende 80 des Ventilkolbens 16 und das zweite Verschiebeteil 38 an einem vom ersten Ende 80 abgewandt ausgebildeten zweiten Ende 82 des Ventilkolbens 16 angeordnet.
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Mit Hilfe der Verschiebevorrichtung 30 wird der Kolben 16 im Betrieb des Wegeventils 10 so positioniert, dass mit Hilfe der Steuernut 28 ein Durchfluss des Hydraulikfluids ausgehend von der ersten Durchströmöffnung 18 in die zweite Durchströmöffnung 20 realisiert werden kann. Sofern das Hydraulikfluid ausgehend von der ersten Durchströmöffnung 18 in die zweite Durchströmöffnung 20 fließen kann, befindet sich das Wegeventil 10 in einer ersten Schaltstellung, wobei in der ersten Schaltstellung Hydraulikfluid ausgehend von der dritten Durchströmöffnung 22 in die fünfte Durchströmöffnung 26 abfließen kann. In einer zweiten Schaltstellung befindet es sich, wenn die erste Durchströmöffnung 18 geschlossen ist.
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Das Wegeventil 10 weist eine dritte Schaltstellung auf, in der die erste Steuernut 28 die erste Durchströmöffnung 18 mit der dritte Durchströmöffnung 22 durchströmbar verbindet. In dieser dritten Schaltstellung kann Hydraulikfluid ausgehend von der zweiten Durchströmöffnung 20 in die vierte Durchströmöffnung 24 abfließen. Somit ist der Kolben 16 mit dem Federelement 38, das eine Federkraft aufbringt, und mit dem Magnetaktor 32, der zum Aufbringen einer Magnetkraft vorgesehen ist, längsverschiebbar gekoppelt. Im Betrieb des Hydraulikventils 10 wird ein am Kolben 16 angreifendes Kräftegleichgewicht zwischen einer durch den Magnetaktor 32 induzierten Magnetkraft, einer Federkraft des Federelementes 38 sowie anliegender Strömungskräfte des Hydraulikfluids angestrebt.
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Aufgrund des Fluidstromes, welcher durch aktives Öffnen und Schließen der Durchströmöffnungen 18, 20, 22, 24, 26 mit Hilfe des durch die Verschiebevorrichtung 30 bewegbaren Kolbens 16 geregelt ist, treten im Wegeventil 10 unerwünschte Strömungskräfte, so genannte Störkräfte des Hydraulikfluids am Kolben 16 auf, die das angestrebte Kräftegleichgewicht stören und beeinflussen.
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4 zeigt eine Q-I-Kennlinie eines bekannten Wegeventils 10 ohne Strömungskraftkompensation, mit anderen Worten ohne Reduzierung oder Eliminierung der Störkräfte, bei einem gleichbleibenden Versorgungsdruck pV, wobei Q einem Volumenstrom des Hydraulikfluids und I einer angelegten Stromstärke entspricht, welcher durch die Versorgungsdrucklinie 50 dargestellt ist. Es ist ersichtlich, dass sich eine Einfahrkennlinie 52 deutlich von einer Ausfahrkennlinie 54 unterscheidet. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass, je nach Bewegung des Kolbens 16, in Richtung des ersten Arbeitsanschlusses 1 oder in Richtung des zweiten Arbeitsanschlusses B, zur Erzielung eines gleichen Volumenstromes Q eine unterschiedliche Strömstärke I am ersten Verschiebeteil 32 anzulegen ist.
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In 5 sind die Q-I-Kennlinien des bekannten Wegeventils 10 ohne Strömungskraftkompensation bei unterschiedlichen Versorgungsdrücken pV dargestellt, wobei eine Einfahrkennlinie 520 bzw. eine Ausfahrkennlinie 540 die Q-I-Kennlinie bei einem Versorgungsdruck pV in Höhe von 30bar, eine Einfahrkennlinie 521 bzw. eine Ausfahrkennlinie 541 die Q-I-Kennlinie bei einem Versorgungsdruck in Höhe von 10bar und eine Einfahrkennlinie 522 bzw. eine Ausfahrkennlinie 542 die Q-I-Kennlinie bei einem Versorgungsdruck in Höhe von 10bar kennzeichnen. Es ist deutlich, dass der Störfaktor wesentlich von dem Versorgungsdruck pV abhängt.
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Um eine Reduzierung oder Eliminierung der Störfaktoren und Minimierung der Versorgungsdruckabhängigkeit herbeizuführen, die durch eine Strömungskraftkompensation zu realisieren sind, weist der Kolben 16 ein Kompensationselement 60 auf, welches der ersten Steuernut 28 zugeordnet ist. Mit anderen Worten weist die erste Steuernut 28 zur Kompensation von Strömungskräften, die die Reduzierung oder Eliminierung der Störfaktoren herbeiführt, eine strömungskraftkompensierte Steuerkantengeometrie auf.
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Wie 2 zu entnehmen ist, welche den vergrößerten Ausschnitt Z des erfindungsgemäßen Wegeventils 10 in der zweiten Schaltstellung zeigt, weist die erste Steuernut 28 eine dem ersten Verschiebeteil 32 zugewandt ausgebildete erste Steuerkante 44 auf, wobei die erste Steuerkante 44 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der ersten Durchströmöffnung 18 des Versorgungsanschlusses P zugeordnet ist. Eine zweite Steuerkante 46 der ersten Steuernut 28 ist dem zweiten Verschiebeteil 38 zugewandt angeordnet, wobei die zweite Steuerkante 46 der zweiten Durchströmöffnung 20 des Arbeitsanschlusses A zugeordnet ist. Zur Strömungskraftkompensierung der Steuerkantengeometrie ist im Bereich der zweiten Steuerkante 46 eine Drosselstelle vorgesehen, welche in Form des als Drossel ausgestalteten Kompensationselements 60 ausgeführt ist.
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Das Kompensationselement 60 ist absatzartig ausgestaltet, wobei in radialer Richtung R zwischen dem Kompensationselement 60 und der zweiten Steuerkante 46 ein erster Radialabstand R1 ausgebildet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel, welches eine ringnutförmige erste Steuernut 28 zeigt, kann aufgrund einer rotationssymmetrischen Ausführung des Kolbens 16 das Kompensationselement 60 auch mittels Durchmesser D1, D2 des Kolbens 16 beschrieben werden, wobei ein erster Durchmesser D1 der zweiten Steuerkante 46 größer ist als ein zweiter Durchmesser D2 des Kompensationselementes 60. Wäre die erste Steuernut 28 auch in einer von einer Ringnut abweichenden Form ausgeführt, ist zur Beschreibung des Kompensationselementes 60 der erste Radialabstand R1 heranzuziehen.
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Eine in Richtung der Längsachse L ausgebildete erste Länge L1 des Kompensationselementes 60 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel größer als die Hälfte der Differenz des ersten Durchmessers D1 und des zweiten Durchmessers D2. Wäre die erste Steuernut 28 nicht als Ringnut ausgeführt, ist die erste Länge L1 größer ist als der radiale erste Abstand R1.
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3, welche die erste Steuernut 28 des erfindungsgemäßen Wegeventils 10 mit Strömungslinien des Hydraulikfluids in der ersten Schaltstellung zeigt, ist zu entnehmen, dass mit Hilfe des Kompensationselementes 60 eine Drosselung und dadurch eine Strömungskraftkompensierung erzielt ist.
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Das Kompensationselement 60 besitzt eine Elementkante 62, die zwischen der ersten Steuerkante 44 und der zweiten Steuerkante 46 positioniert ist. Diese Elementkante 62 ist so positioniert, dass bei einer maximalen Öffnung eines an der ersten Steuerkante 44 ausgebildeten Strömungsquerschnitts S zwischen einer dritten Steuerkante 48 der zweiten Durchströmöffnung 20, die der ersten Durchströmöffnung 18 zugewandt angeordnet ist, ein Abstand zwischen der Elementkante 62 und der dritten Steuerkante 48 vorliegt, welcher eine zweite Länge L2 aufweist. Der Abstand ist hier als Überdeckung ausgeführt. Dieser kann auch als Unterdeckung ausgeführt sein. Das heißt mit anderen Worten, dass zwischen der Elementkante 62 und der dritten Steuerkante 48 eine weitere Drosselstelle ausgeführt ist. Dies ist ebenfalls der 3 zu entnehmen.
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Ein Absatz 70 der ersten Steuernut 28 ist im Bereich der ersten Steuerkante 44 ausgebildet. Der Absatz 70 weist einen dritten Durchmesser D3 auf. Der dritte Durchmesser D3 kann gleich oder kleiner dem zweiten Durchmesser D2 sein, wie in 2 bzw. 3 dargestellt ist. Sofern die erste Steuernut 28 nicht in Form einer Ringnut ausgestaltet ist, ist ein zwischen der ersten Steuerkante 44 und dem Absatz 70 ausgebildeter zweiter Radialabstand R2 gleich oder kleiner dem ersten Radialabstand R1 auszuführen.
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In 6 sind Q-I-Kennlinien des erfindungsgemäßen Wegeventils 10 bei einem dem in 4 entsprechenden Versorgungsdruck pV dargestellt. Ein zwischen der Einfahrkennlinie 52 und der Ausfahrkennlinie 54 ausgebildeter, so genannter Hystereseabstand ∆I ist im Vergleich mit dem Hystereseabstand ∆I des Wegeventils 10 des Standes der Technik wesentlich reduziert. Ebenso ist der Volumenstrom Q bei dem dargestellten Versorgungsdruck pV für beide Kennlinien 52, 54 identisch.
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7 zeigt Q-I-Kennlinien des erfindungsgemäßen Wegeventils 10 mit den unterschiedlichen Versorgungsdrücken pV in Höhe von 10bar, 20bar und 30bar. Ebenfalls kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Wegeventils 10 eine Versorgungsdruckabhängigkeit der für einen bestimmten Volumenstrom Q anzulegenden Stromstärke I weitestgehend reduziert werden, wie ein Vergleich eine Versorgungsdruckdifferenz ∆Ip der in 5 dargestellten Kennlininen mit den in 7 dargestellten Kennlinien zeigt.
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Es ist ersichtlich, dass die Nachteile des Wegeventils 10 des Standes der Technik durch das erfindungsgemäße Wegeventil 10 weitgehend reduziert werden können.
