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Die Erfindung betrifft eine frequenzselektive Dämpfeinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Die
DE 10 2012 004 684 A1 beschreibt die Kombination eines elektrisch angesteuerten Verstelldämpfungsventils und eines frequenzabhängigen Ventils gemäß der
EP 1 44 2227 B1 , in der Beschreibungseinleitung der
DE 10 2012 004 684 A1 auch „FSD-Ventil“ der Firma „Koni“ genannt. Dabei wird eine hydraulische Parallelschaltung dieser beiden Ventile im Detail beschrieben. Erwähnt und in einem Ersatzschaubild dargestellt wird auch eine Reihenanordnung der beiden Ventile. Bei einer Reihenschaltung beider Ventile tritt der Effekt auf, dass bei einer Drosselung der Strömung über das Verstellventil eine Dämpfkrafterhöhung über eine gesamte Kennlinie zu verzeichnen ist. Eine zusätzliche frequenzabhängige Erhöhung wird dabei reduziert.
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Wird das Verstelldämpfungsventil maximal geöffnet, dann tritt bei niedrigen Kolbenstangengeschwindigkeiten eine Dämpfkraftreduzierung am Verstelldämpfungsventil und eine Dämpfkrafterhöhung am frequenzabhängigen Dämpfventil auf. In Summe scheint der Regelbereich sehr eingrenzt zu sein.
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Die
DE 10 2015 211 891 A1 offenbart ein frequenzselektives Dämpfventil, bei dem ein Staudruck in einer Steuerkammer ausgenutzt wird, um einen Steuerkolben auf mindestens eine Ventilscheibe einwirken zu lassen, der damit eine variable Schließkraft erzeugt. Bei einer hochfrequenten Anregung wird die Trägheit des Druckaufbaus innerhalb der Steuerkammer ausgenutzt, so dass bei hochfrequenten Anregungen eine geringere Schließkraft auf die Ventilscheibe einwirkt als bei einer niedrigfrequenten Anregung.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Einsatzmöglichkeiten eines frequenzabhängigen Dämpfventils zu erweitern.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der wirksame Querschnitt des Steuerkanals über ein willkürlich betätigbares Strömungsventil einstellbar ist, um den Zustrom von Dämpfmedium in den Steuerraum zu regulieren.
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Der Vorteil der Konstruktion besteht im einfachen Aufbau. Das Strömungsventil erzeugt keine Dämpfkraft und muss deshalb auch nicht in Fahrversuchen abgestimmt werden. Je nach gewählter Auslegung der Dämpfventileinrichtung kann der Einfluss der Frequenzabhängigkeit minimiert oder sogar abgeschaltet werden.
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Bei einer Ausführungsform ist das Strömungsventil als ein Magnetventil ausgeführt, das bei einer höheren Bestromung eine Schließstellung einnimmt. Eine Schließstellung bedeutet, dass die Frequenzabhängigkeit zumindest reduziert ist. Diese Dämpfkraftcharakteristik soll tendenziell seltener vorgesehen sein, so dass über diese Verteilung der Dämpfkrafteinstellung ein reduzierter Stromverbrauch zu verzeichnen sein wird.
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Alternativ kann man auch vorsehen, dass das Strömungsventil als ein Magnetventil ausgeführt ist, das bei einer höheren Bestromung eine Offenhalteposition einnimmt.
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Gemäß einem vorteilhaften Unteranspruch weist das Strömungsventil einen Ventilkörper auf, dessen druckbeaufschlagte Fläche in Wirkrichtung des Strömungsventils unterschiedlich groß ausgeführt ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung des Ventilkörpers besteht darin, dass eine Strömungsventileinstellung von dem momentanen Betriebsdruck am Ventilkörper des Strömungsventils überdrückt werden kann, beispielsweise, wenn Spitzendrücke anliegen. Dadurch wird ein einfaches hydraulisches fail-safe-Verhalten erreicht.
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Optional kann ein Voröffnungsquerschnitt als Strömungsverbindung zwischen einer Zulauf- und einer Abflussseite der Dämpfventileinrichtung vorliegen, der von dem Steuerkolben angesteuert wird und ebenfalls mit dem Strömungsventil einstellbar ist. Der Voröffnungsquerschnitt dient zur Absenkung der Dämpfkraft bei einer niedrigen Anströmungsgeschwindigkeit der Dämpfventileinrichtung. Bei bestimmten Randbedingungen kann der Voröffnungsquerschnitt jedoch auch nachteilig im Sinne einer zu geringen Dämpfkraft sein. Dieser Mangel wird mit dem Strömungsventil ebenfalls minimiert.
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Des Weiteren kann das Strömungsventil einen ersten und einen zweiten Ventilkörper aufweisen, wobei ein erster Ventilkörper eine Anschlussöffnung zwischen dem Steuerkanal und dem Steuerraum und ein zweiter Ventilkörper einen wirksamen Querschnitt eines Kanalabschnitts zum Voröffnungsquerschnitt beeinflusst. Über diese Ausgestaltung können der frequenzselektive Anteil und der durch den Voröffnungsquerschnitt erzeugte Dämpfkraftanteil getrennt beeinflusst werden.
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Im Hinblick auf eine einfache Bauform sind der erste und der zweite Ventilkörper mechanisch miteinander verbunden, so dass nur ein Magnetventil zur Betätigung notwendig ist.
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In einer bevorzugten Ausführung weist die mechanische Verbindung eine Kompensationsfeder auf, die eine Relativbewegung zwischen den beiden Ventilkörpern ausgleicht, wenn einer der beiden Ventilkörper eine Endstellung einnimmt. Diese Ausgestaltung erleichtert den Einsatz eines Sitzventils für die Strömungsventile
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Die Dämpfventileinrichtung ist an einer axial beweglichen Kolbenstange eines Schwingungsdämpfers befestigt, wobei die frequenzselektive Ventileinrichtung an einem Gehäuse des Strömungsventils befestigt ist.
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Ein Anker der Magnetspule ist mechanisch von dem Ventilkörper des Strömungsventils getrennt ausgeführt, so dass der Anker und der Ventilkörper eine Relativbewegung zueinander ausführen können. Folglich kann die frequenzselektive Ventileinrichtung von dem Strömungsventil getrennt montiert werden.
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Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.
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Die 1 zeigt eine frequenzselektive Dämpfventileinrichtung 1 als Teil eines Schwingungsdämpfers 3. Der Schwingungsdämpfer 3 umfasst zumindest einen Arbeitszylinder 5, der mit einem Dämpfmedium gefüllt ist. Ein Kolben 7 an einer Kolbenstange 9 unterteilt den Arbeitszylinder 5 in einen kolbenstangenseitigen und einen kolbenstangenfernen Arbeitsraum 11; 13. Der Kolben 7 verfügt über jeweils ein Dämpfventil 15, das mindestens einen Durchtrittskanal 17 mit einer Austrittsseite aufweist, die zumindest teilweise von mindestens einer Ventilscheibe 19 abgedeckt wird.
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Der Kolben 7 mit den Ventilscheiben 19 bzw. das Dämpfventil 15 ist ein Bestandteil der frequenzselektiven Dämpfventileinrichtung. Eine weitere Baugruppe der Dämpfventileinrichtung wird von einem Steuerkolben 21 gebildet, der in einem Steuerraum 23 eine axiale Betriebsbewegung ausführt. Der Steuerraum 23 wird von einem Topfelement 25 gebildet, das zusammen mit dem Kolben 7 auf einem Kolbenstangenzapfen 27 aufgefädelt und befestigt ist. Das Topfelement 25 verfügt über ein offenes Ende, aus dem der Steuerkolben 21 herausragt und über eine Zwischenschaltung von Federscheiben 29; 31 auf die mindestens eine Ventilscheibe 19 des Dämpfventils 15 in Schließrichtung einwirkt.
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Der Steuerraum 23 ist über einen Steuerkanal 33 mit dem kolbenstangenseitigen Arbeitsraum 11 verbunden. Dafür dienen mindestens eine Radialöffnung 35 im Kolbenstangenzapfen 27 und mindestens ein Radialkanal 37 oberhalb einer Stützscheibe 39 für mindestens eine Ventilscheibe 41 eines zweiten Dämpfventils, das bei einer Einfahrbewegung der Kolbenstange wirksam ist.
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Zusätzlich verfügt der Steuerkanal 33 über radialen Kanalabschnitt 43, der in einen Voröffnungsquerschnitt 45 im kolbenstangenfernen Arbeitsraum 13 mündet und der mit dem Steuerkolben 21 ein verstellbares Schieberventil bildet.
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Räumlich zwischen dem Steuerkanal 33 und dem kolbenstangenseitigen Arbeitsraum 11 ist ein Strömungsventil 47 angeordnet, das willkürlich über einen Aktuator 49 in der Bauform einer Magnetspule 51 und eines Ankers 53 ansteuerbar ist. Der Anker 53 wird bei stromloser Magnetspule 51 von einer mehrteiligen Federanordnung 55 in einer definierten Ausgangsposition gehalten. Der Aktuator 53 ist in einem Gehäuse 57 angeordnet, das stirnseitig an der Kolbenstange 9 befestigt ist. Die Kolbenstange 9 ist hohl ausgeführt und nimmt Versorgungsleitungen 59 für die Magnetspule 51 auf.
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Das Strömungsventil 47 umfasst des Weiteren einen Ventilkörper 61, der von einer Ventilfeder 63 in einer definierten Position zum Anker 53 gehalten wird und mit einer Ventilsitzfläche 67 im Bereich einer Anschlussöffnung 65 des Steuerkanals 33 angeordneten ein Sitzventil bildet.
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Das Gehäuse 57 für den Aktuator 49 umfasst einen Boden 68, in dem der mindestens eine Radialkanal 37 ausführt ist und über den eine Verbindung mit dem Kolbenstangenzapfen 27 besteht. Der Boden 68 trennt den Aktuator 49 von den hydraulisch wirksamen Komponenten der Dämpfventileinrichtung 1.
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In Abhängigkeit der Bestromung der Magnetspule 51 wird der wirksame Querschnitt des Steuerkanals 33, bestimmt durch den Abhubweg des Ventilkörpers 61 von der Ventilsitzfläche 67 und dem Querschnitt des Steuerkanals 33, eingestellt. Über den wirksamen Querschnitt lässt sich der Zustrom von Dämpfmedium je nach Abstimmung der Dämpfventileinrichtung 1 bis zur völligen Blockade des Steuerraums 23 vom kolbenstangenseitigen Arbeitsraum 11 einstellen. Eine völlige Blockade als mögliche Extremstellung führt dazu, dass die Frequenzabhängigkeit der Dämpfventileinrichtung 1 aufgehoben ist. Damit ist wiederum eine Reduzierung der maximal erreichbaren Dämpfkraft verbunden, da der Steuerkolben 21 keine zusätzliche Schließkraft auf die Ventilscheibe 19 und damit auf das Dämpfventil 15 ausüben kann. Umgekehrt kann bei einem maximalen Zustromquerschnitt auch die maximale frequenzabhängige Wirkung des Steuerkolbens 21 ausgenutzt werden. Dahinter steht der Effekt, dass bei einer hochfrequenten Kolbenstangenbewegung der Druckanstieg im Steuerraum 23 der Bewegung der Kolbenstange hinterherhinkt. Diese Trägheit des Systems wird ausgenutzt, um die Schließkraft auf die Ventilscheibe 19 des Dämpfventils 15 zu reduzieren. Bei einer niedrig frequenten aber trotzdem schnellen Kolbenstangenbewegung steigt der Druck proportional zur Kolbenstangengeschwindigkeit, so dass dann im Steuerraum 23 ein erhöhter Druck entsteht, der den Steuerkolben 21 in Richtung der Ventilscheibe 19 bewegt und damit die zusätzliche Schließkraft erzeugt. Diese Schließkraft bedeutet, dass das Dämpfventil eine größere Dämpfkraft erzeugen kann. Man kann vereinfacht zusammenfassen:
- maximal Querschnitt des Strömungsventils => maximale Dämpfkraft der Dämpfventileinrichtung
- Minimaler Querschnitt des Strömungsventils => minimale Dämpfkraft
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Wie man aus der 1 entnehmen kann, verfügt der Ventilkörper 61 beispielhaft über einen pilzförmigen Querschnitt und damit über unterschiedlich große druckbeaufschlagte Flächen in Wirkrichtung des Strömungsventils.
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Bei geschlossenem Strömungsventil 47, bei dem der Ventilkörper 61 auf der stirnseitigen Ventilsitzfläche 67 aufliegt, stellt eine kreisringförmige Ringfläche 69, an der sich auch die Ventilfeder 63 abstützt, eine druckbeaufschlagte Fläche dar. Ein in Richtung des Ankers 53 weisende Stirnfläche 71 kann man durch eine Dichtung 73 gegen den Druck innerhalb des Radialkanals 37 abschirmen, so dass dort kein Betriebsdruck herrscht und folglich auch keine druckbeaufschlagte Fläche vorliegt.
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Für den Fall, dass das Strömungsventil 47 bei einer höheren Bestromung eine Schließstellung einnimmt, kann je nach Auslegung der Schließkraft des Aktuators 49 und der Bemessung der Flächen am Ventilkörper 61 der Effekt ausgenutzt werden, dass die Schließkraft des Aktuators 49 von der Druckkraft des Dämpfmediums auf den Ventilkörper 61 in Öffnungsrichtung überkompensiert wird und der Ventilkörper 61 den Steuerkanal 33 freigibt. Damit sich oberhalb des Ventilkörpers kein Staudruck aufbauen kann, verfügen der Anker 53 wie auch der Ventilkörper 61 über einen axial verlaufenden Druckausgleichskanal 72; 74. Zum besseren Verständnis zeigt die 2 das entsprechende Ersatzschaubild zur 1.
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Dadurch kann ein Sicherheitsgewinn erzielt werden bzw. ggf. kann die Steuerung des Strömungsventils 47 durch diesen hydraulischen Effekt vereinfacht werden.
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Mit der 3 liegt ein Ersatzschaubild zur 4 vor, das eine Konstruktion gemäß der 1 zeigt, aber abweichend die Ventilfeder 63 als eine Schließfeder zwischen dem Gehäuse 57 und dem Ventilkörper 61 aufweist. Gleichzeitig ist das Strömungsventil 47 so ausgeführt, das bei einer höheren Bestromung der Magnetspule eine Offenhalteposition des Strömungsventils 47 eingenommen wird. Zusätzlich kann der Anker 53 des Magnetventils eine Relativbewegung zum Ventilkörper 61 durchführen, da der Anker 53 der Magnetspule 51 von dem Ventilkörper 61 des Strömungsventils 47 mechanisch getrennt ausgeführt ist. Mechanisch getrennt bedeutet, dass zwei separate Bauteile vorliegen, die lediglich stirnseitig einen Berührkontakt aufweisen und damit keine Zugkräfte zwischen den Bauteile übertragen werden können.
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Bei einer geringen Bestromung der Magnetspule 51 hebt der Anker 53 von dem Ventilkörper 61 ab. Die Ventilfeder 63 spannt den Ventilkörper 61 weiterhin auf die Ventilsitzfläche 67 an der Anschlussöffnung 65 des Steuerkanals 33. Tendenziell liegt damit eine reduzierte maximale Dämpfkraft vor. Steigt nun der Druck auf die Ringfläche 69 am Ventilkörper 61, dann hebt der Ventilkörper 61 ab und gibt den Strömungsweg in den Steuerkanal 33 frei, so dass die Frequenzabhängigkeit des Dämpfventils 15 steigt.
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Die Variante nach 5 basiert auf der 1. Zusätzlich ist der Voröffnungsquerschnitt 45 als Strömungsverbindung zwischen einer Zulauf- und einer Abflussseite der Dämpfventileinrichtung, die von dem Steuerkolben 23 angesteuert wird, ebenfalls mit dem Strömungsventil 47 einstellbar. Die Zulaufseite wird dabei von der Anschlussöffnung 65 gebildet.
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Dafür ist das Strömungsventil 47 mit zwei Teilventilen 47A; 47B ausgeführt und weist deshalb einen ersten und einen zweiten Ventilkörper 75; 77 auf, wobei der erste Ventilkörper die Anschlussöffnung bzw. die Radialöffnung 35 zwischen dem Steuerkanal 33 und dem Steuerraum 23 und der zweite Ventilkörper 77 einen wirksamen Querschnitt des Kanalabschnitts 43 zum Voröffnungsquerschnitt 45 beeinflusst. Der wirksame Querschnitt des Teilventils 47B entspricht dem wirksamen Querschnitt des Strömungsventils 47 in der Variante nach 1.
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Um mit einem einzigen Aktuator 49 beide Ventilkörper 75; 77 anzusteuern, sind der erste und der zweite Ventilkörper 75; 77 mechanisch miteinander verbunden. Damit wird eine auf den zweiten Ventilkörper 77 einwirkende Kraft auf den ersten Ventilkörper 75 übertragen.
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Die mechanische Verbindung weist eine Kompensationsfeder 79 auf, die eine Relativbewegung zwischen den beiden Ventilkörpern 75; 77 ausgleicht, wenn einer der beiden Ventilkörper 75; 77 eine Endstellung auf jeweils einer Ventilsitzfläche 67; 81 einnimmt. Die Ventilsitzfläche 81 für den zweiten Ventilkörper 77 wird von der konzentrischen Fläche zur Anschlussöffnung 65 in den Steuerkanal 33 gebildet. Für den ersten Ventilkörper 75 ist innerhalb des Steuerkanals 33 eine weitere Ventilsitzfläche 81 angeordnet. Des Weiteren ist im Steuerkanal 33 eine Offenhaltefeder 83 für den ersten Ventilkörper 75 platziert. Die Federraten und Vorspannfeder der Kompensationsfeder 79, der Offenhaltefeder 83 und der Ventilfeder 63 für das zweite Teilventil 47B sind derart aufeinander abgestimmt, so dass der erste Ventilkörper 75 eine Durchlassposition einnehmen kann, wenn auch der zweite Ventilkörper 77 eine Abhubposition einnimmt. Den Verschiebeweg des ersten Ventilkörpers 75 von der Durchlassposition bis in eine Sperrposition des zweiten Ventilkörpers gleicht die Kompensationsfeder aus.
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Mit dieser Variante kann das Dämpfkraftverhalten der Dämpfventileinrichtung 1 insbesondere im Bereich geringer Kolbenstangenhubgeschwindigkeiten verändert werden. Bei abgehobenem ersten und zweiten Ventilkörper 75; 77 in Verbindung mit einer geringen Kolbenstangengeschwindigkeit oder einer hochfrequenten Kolbenstangenbewegung wirkt sich die frequenzselektive Eigenschaft der Dämpfventileinrichtung 1 nicht aus, da sich im Steuerraum 23 kein signifikanter Druck aufbaut. Wenn in einem ersten Schritt der Zufluss von Dämpfmedium aus dem kolbenstangenseitigen Arbeitsraum 11 in den Steuerraum 23 durch den geschlossenen ersten Ventilkörper 75 unterbunden ist, ändert sich die Dämpfkraftcharakteristik des Dämpfventils 15 praktisch nicht. Der Voröffnungsquerschnitt 45 bleibt konstant geöffnet, da die Hubbewegung des Steuerkolbens 21 über das geschlossene Teilventil 47A blockiert ist. Folglich liegt dann tendenziell für diesen Geschwindigkeitsbereich der Kolbenstange 9 eine sehr komfortable Dämpfkrafteinstellung vor.
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Wird dann durch eine weitere Verstellung des zweiten Ventilkörpers 77 der Zustrom über das Teilventil 47B in den Steuerkanal 33 unterbunden, dann ist auch der Voröffnungsquerschnitt 45 nicht mehr aktiv. Schon bei kleiner Kolbenstangenhubgeschwindigkeiten tritt eine hohe Dämpfkraft auf, die als besonders direkt und sportlich empfunden wird. Der weitere Dämpfkraftanstieg über das Dämpfventil 15 ist jedoch moderat, da bei höheren Kolbenstangengeschwindigkeiten die Verstärkung der Dämpfkraft über die zusätzliche Schließkraft auf die Ventilscheibe 19 nicht zur Verfügung steht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- frequenzselektive Dämpfventileinrichtung
- 3
- Schwingungsdämpfer
- 5
- Arbeitszylinder
- 7
- Kolben
- 9
- Kolbenstange
- 11
- kolbenstangenseitiger Arbeitsraum
- 13
- kolbenstangenferner Arbeitsraum
- 15
- Dämpfventil
- 17
- Durchtrittskanal
- 19
- Ventilscheibe
- 21
- Steuerkolben
- 23
- Steuerraum
- 25
- Topfelement
- 27
- Kolbenstangenzapfen
- 29
- Federscheiben
- 31
- Federscheiben
- 33
- Steuerkanal
- 35
- Radialöffnung
- 37
- Radialkanal
- 39
- Stützscheibe
- 41
- Ventilscheibe
- 43
- Kanalabschnitt
- 45
- Voröffnungsquerschnitt
- 47
- Strömungsventil
- 47A
- Teilventil
- 47B
- Teilventil
- 49
- Aktuator
- 51
- Magnetspule
- 53
- Anker
- 55
- Federanordnung
- 57
- Gehäuse
- 59
- Versorgungsleitung
- 61
- Ventilkörper
- 63
- Ventilfeder
- 65
- Anschlussöffnung
- 67
- Ventilsitzfläche
- 68
- Boden
- 69
- Ringfläche
- 71
- Stirnfläche
- 72
- Druckausgleichskanal
- 73
- Dichtung
- 74
- Druckausgleichskanal
- 75
- erster Ventilkörper
- 77
- zweiter Ventilkörper
- 79
- Kompensationsfeder
- 81
- Ventilsitzfläche
- 83
- Offenhaltefeder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012004684 A1 [0002]
- EP 1442227 B1 [0002]
- DE 102015211891 A1 [0004]
