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Die Erfindung betrifft einen Hydrauliksteuerblock gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine servohydraulische Achse mit dem Steuerblock gemäß Patentanspruch 14.
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Eine servohydraulische Achse, insbesondere Linearachse, vereint die Kraftentwicklung hydraulischer Aktoren, beispielsweise eines Hydrozylinders, insbesondere in geschlossenem Kreis und bei geringem Ölvolumen, mit der Dynamik, Präzision und flexibler Vernetzbarkeit eines elektrisch ansteuerbaren Aktors, beispielsweise Servomotors. Es kann daher mit hoher Axialkraft gepresst, gefügt oder geschlossen werden und gleichzeitig im Mikrometerbereich positioniert werden. Generell handelt es sich um eine Linearbewegung. Konzepte im halbgeschlossenen Kreislauf sind ebenfalls möglich.
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Eine gattungsgemäße servohydraulische Achse zeigt das Datenblatt RD 08137 / 2018 - 02 der Anmelderin. Die kompakt aufgebaute Achse hat einen Servoaktor, einen Hydraulikzylinder, einen Hydrospeicher und Steuerelemente wie beispielsweise Ventile, sowie eine Leistungselektronik.
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Insbesondere im Falle kleiner verfügbarer Bauräume sind kompakte, bauraumoptimierte Lösungen wichtig. Neben aufgelösten Bauformen der Achse, in denen die genannten Komponenten durch Schläuche, Leitungen, Rohre an einen zentralen Hydrauliksteuerblock angebunden sind, sind daher Kompaktbauformen mit direkter mechanischer und hydraulischer und elektrischer Anbindung an den Steuerblock möglich. Deren Verbesserung bezüglich Bauraumausnutzung und Energieeffizienz ist ein dauerhaftes Anliegen.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Hydrauliksteuerblock für eine servohydraulische Achse zu schaffen, der den Bauraumbedarf der Achse bei gleichbleibender oder verbesserter Energieeffizienz verringert. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, eine servohydraulische Achse mit dem Hydrauliksteuerblock zu schaffen.
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Die erste Aufgabe wird gelöst durch einen Hydrauliksteuerblock mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, die zweite durch eine servohydraulische Achse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Hydrauliksteuerblocks sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Ein hydraulischer Steuerblock für eine servohydraulische Achse, insbesondere für eine Linearachse, hat zumindest hydraulische Schnittstellen zur hydraulischen Anbindung eines hydraulischen Aktors, insbesondere Hydrozylinders, der Achse. Vorzugsweise hat er auch mechanische Schnittstellen zur mechanischen Anbindung des Aktors. Vorzugsweise sind auch mechanische Schnittstellen zur Anbindung eines elektrischen, insbesondere eines Servoaktors vorgesehen. In einer (ersten) Kavität des Steuerblocks ist gemäß einer ersten Variante zur Druckmittelversorgung des hydraulischen Aktors eine Hydromaschine, oder sind zumindest Triebwerkskomponenten davon, zumindest abschnittsweise aufnehmbar. Die Hydromaschine kann auch aufgeflanscht oder zum Block verrohrt sein. Erfindungsgemäß ist eine (zweite) Kavität vorgesehen, in der ein Filterelement zur Filterung des Druckmittels zumindest abschnittsweise aufnehmbar oder aufgenommen ist.
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Da der Filter, bzw. das Filterelement nun nicht mehr außerhalb angeordnet ist, sondern im ohnehin vorhandenen, zentralen hydraulischen Bauteil des Steuerblocks, ist eine servohydraulische Achse mit geringerem Bauraumbedarf ermöglicht. Es entfällt ein gesondertes Filtergehäuse, da dieses nun vom Steuerblock gebildet ist. Durch diese Anordnung ist es zudem möglich, den Filter nahe der Hydropumpe über einen äußerst kurzen Zulauf und Ablauf zu bespeisen, zu entlasten. Dies senkt den Druckverlust. In Summe ist der Bauraumbedarf der Achse bei gleichbleibender oder verbesserter Energieeffizienz verringert.
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Der Zylinder kann verrohrt, angeflanscht oder integriert sein. Der Niederdruck kann durch ein zusätzliches Aggregat versorgt werden (halb-geschlossener Kreislauf).
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Vorzugsweise trägt der Steuerblock Schaltventile und ergänzend Sicherheitsventile, sodass verschiedene Antriebsmodi des hydraulischen Aktors und/oder des elektrischen Aktors schaltbar und absicherbar sind.
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Das Filterelement ist vorzugsweise eine Filterpatrone.
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Eine Öffnung der zweiten Kavität ist zum schnellen Wechsel des Filterelements leicht zugänglich an einer Außenfläche des Steuerblocks angeordnet.
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Vorzugsweise sind ein Zulauf und Ablauf der zweiten Kavität jeweils über einen im Steuerblock ausgebildeten Kanal mit einer Saug- und einer Drucköffnung der ersten Kavität oder einer Saug- und Druckseite der Hydromaschine fluidisch verbunden.
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Der Filter kann auch im ND-Kreis vor der Hydromaschine integriert sein.
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Vorzugsweise ist die zweite Kavität nach außen von einem Verschlusselement, insbesondere einer Verschlussschraube verschlossen.
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In einer Weiterbildung sind die Kavitäten in einer Erstreckungsrichtung des Steuerblocks beabstandet und sind in einer Querrichtung dazu mit einer zumindest abschnittsweisen Überdeckung angeordnet, wodurch der Steuerblock in beiden Richtungen klein baut.
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In einer bauraumsparenden Weiterbildung ist ein Außenmantelflächenabschnitt durch einen überwiegend konstanten Offset zur zweiten Kavität oder deren Innenmantelfläche gebildet.
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Eine Weiterbildung ist die Realisierung der Kavitäten teilweise oder im Ganzen durch Gießen.
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Der Steuerblock ist vorzugsweise gegossen, wobei wenigstens eine der Kavitäten mittels Gusskern urgeformt ist. Ergänzend kann die Kavität gebohrt oder gefräst sein, um ihr Endmaß zu erreichen.
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In einer Weiterbildung ist die zweite Kavität derart ausgebildet, dass der Filter, das Filterelement, an unterschiedlichen Stellen bespeisbar ist, wodurch insbesondere eine Zulauf- oder Strömungspfadoptimierung ermöglich ist.
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In einer Weiterbildung ist ein, insbesondere die erste Kavität oder die Hydromaschine mit der zweiten Kavität verbindender Druckmittelströmungspfad, insbesondere Zulaufkanal vorgesehen. Dieser hat eine Zulaufmündung in einer Innenmantelfläche der zweiten Kavität.
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In einer Weiterbildung erstreckt sich die Innenmantelfläche umfänglich um eine Einsetzachse der zweiten Kavität für das Filterelement. Es ist auch eine Zylinderkavität möglich.
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Vorteilhafter Weise hat der Druckmittelströmungspfad zumindest an der Zulaufmündung eine zur Innenmantelfläche tangentiale Richtungskomponente.
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Die Zulaufmündung kann optional durch Gusskern noch strömungsoptimierter ausgeführt werden.
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Um die Abscheidung zu verbessern, einen Druckverlust über das Filterelement zu verringern und dessen Standzeit zu erhöhen, weist in einer Weiterbildung die Innenmantelfläche der zweiten Kavität eine Vertiefung auf, die sich helixförmig um die Einsetzachse der zweiten Kavität erstreckt. Diese prägt dem Druckmittel eine zyklonale Strömungsform (einen „Drall“) auf, die (der) zu einer von der filtrierenden Wirkung des Filterelements unabhängigen Abscheidung an einem Boden der zweiten Kavität führt.
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In einer Weiterbildung entspringt die Vertiefung einer Zulaufmündung der zweiten Kavität direkt, oder sie entspringt beabstandet dazu.
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In einer Weiterbildung erstreckt sich die Vertiefung umfänglich oder wenigstens einmal vollumfänglich um die Einsetzachse.
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Ein strömungstechnisch günstige Querschnittsform ist dabei ein abgeflachter halbkreis- oder ellipsenförmiger Querschnitt der Vertiefung.
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Ein Verhältnis aus Tiefe zu Breite des Querschnitts der Vertiefung liegt vorzugsweise zwischen 1:10 und 1:5, insbesondere bei etwa 1:7.
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Die Helixform kann gefräst oder durch zusätzliches Bauteil realisiert werden.
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In Varianten sind Einsetzachsen der ersten Kavität für die Hydromaschine oder Triebwerkskomponenten und der zweiten Kavität für das Filterelement parallel, quer oder senkrecht zueinander.
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Eine servohydraulische Achse hat einen hydraulischen Steuerblock, der gemäß wenigstens einem Aspekt der vorhergehenden Beschreibung ausgebildet ist. Zudem hat sie einen daran zumindest hydraulisch angebundenen hydraulischen Aktor, eine Hydromaschine zu dessen Druckmittelversorgung, die oder deren Triebwerkskomponenten in der ersten Kavität aufgenommen ist oder sind, und ein Filterelement zur Filterung des Druckmittels, das in der zweiten Kavität aufgenommen ist.
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Da der Filter, bzw. das Filterelement nun nicht mehr außerhalb angeordnet ist, sondern im ohnehin vorhandenen, zentralen hydraulischen Bauteil des Steuerblocks, weist die servohydraulische Achse einen geringeren Bauraumbedarf auf. Es entfällt das ansonsten notwendige, gesonderte Filtergehäuse. Dieses nun vom Steuerblock gebildet. Durch diese Anordnung ist zudem der Filter nahe der Hydropumpe über einen äußerst kurzen Zulauf und Ablauf bespeist und entlastet. Dies senkt den Druckverlust. In Summe ist der Bauraumbedarf der Achse bei gleichbleibender oder verbesserter Energieeffizienz verringert.
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Je ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hydrauliksteuerblocks und einer erfindungsgemäßen servohydraulischen Achse sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnung wird die Erfindung nun mehr erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen servohydraulischen Achse gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 2 einen erfindungsgemäßen Hydrauliksteuerblock der servohydraulischen Achse gemäß 1 in einer teiltransparenten Ansicht von unten,
- 3 den Hydrauliksteuerblock gemäß 2 in einer teilperspektivischen Ansicht, 4 den Hydrauliksteuerblock gemäß den 2, 3 in einer teiltransparenten Ansicht von oben,
- 5 den Bereich einer Filteraufnahme des Hydrauliksteuerblocks gemäß den vorangegangenen Figuren in einer teiltransparenten Seitenansicht, und
- 6 die Filteraufnahme gemäß 5 mit eingesetztem Filterelement in einem Längsschnitt.
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Eine servohydraulische Achse 1 hat gemäß 1 einen als Hydraulik- oder Hydrozylinder ausgestalteten hydraulischen Aktor 2, über den Axialkräfte zum Pressen, Fügen, Schließen und/oder Positionieren auf ein Werkzeug oder Werkstück aufbringbar sind, des Weiteren einen elektrischen Aktor 4, der als Servomotor ausgestaltet und von einer Leistungselektronik 6 versorgt ist, einen Hydrospeicher 8 zur Speicherung und Rekuperation hydrostatischer Energie des Hydrozylinders 2, sowie einen Hydrauliksteuerblock 10, der zentral angeordnet ist, und an den die genannten Komponenten 2, 4 und 8, sowie weitere Ventilsteuereinrichtungen 12 zur Steuerung des Hydrozylinders 2 angeordnet und/oder befestigt und/oder angeflanscht und/oder verrohrt sind. Die in 1 gezeigte kompakte Bauweise ist besonders bauraumsparend, kann jedoch auch teilweise oder vollständig in aufgelöster Anordnung ausgestaltet sein. In diesem Falle sind insbesondere die genannten hydraulischen Komponenten 2 und 8 (nur 2 ist auch möglich) vom Steuerblock 10 deplatziert und mit einer hydraulischen Verrohrung oder Verschlauchung angebunden.
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Ein im Betrieb verwendetes Druckmittel des Hydrozylinders 2 strömt im geschlossenen hydraulischen Kreis, der im Wesentlichen aus dem Steuerblock 10, einer darin aufgenommenen Hydropumpe (nicht dargestellt) und dem Hydrozylinder 2 gebildet ist. Dabei ist eine fortwährende Filterung des Druckmittels nötig. Die servohydraulische Achse 1 weist daher auch einen hydraulischen Filter mit einem Filterelement (in 1 nicht dargestellt) auf, das erfindungsgemäß in den Hydraulik-Steuerblock 10 integriert ist, was anhand der folgenden Figuren genauer dargestellt wird. Der Niederdruckkreislauf kann auch durch ein Aggregat bespeist werden.
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Die 2 bis 4 zeigen jeweils eine Ansicht des Steuerblocks 10 gemäß 1 von oben, perspektivisch und von unten. Die Darstellung ist teiltransparent gewählt, wobei die Außenwandungen des Steuerblocks 10 die Einsicht in dessen Inneres gewähren, und Kavitäten, Druckmittelkanäle und sonstige Ausnehmungen im Steuerblock 10 hingegen mit intransparenter Wandung dargestellt sind. Insbesondere 3 zeigt eine als Filterelementaufnahme ausgebildete zweite Kavität 14, in die ein Filterelement einsetzbar ist.
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Durch eine im Steuerblock 10 integrierte Anordnung eines Filterelementes, bzw. eines Filters, sind eine direktere hydraulische Ansteuerung und Druckmittelbeaufschlagung des Filterelementes der servohydraulischen Achse 1 und gleichzeitig deren noch kompakterer Aufbau ermöglicht. Dies führt zu einem geringeren Bauraumbedarf und zu einer kompakteren Anmutung der servohydraulischen Achse 1, da der Filter nun „unsichtbar“ im Steuerblock 10 untergebracht ist.
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Durch diese Integration ist zudem eine Verkürzung von Zulauf und Ablauf zum und vom Filterelement gegeben, sodass eine Länge zu verbauender Druckmittelrohre oder -schläuche reduziert werden kann. Diese Verringerung druckelastischer Komponenten verbessert die Steuerbarkeit der Achse 1 und verringert zudem einen längenabhängigen Druckverlust entlang der betreffenden Strömungspfade.
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Gemäß 2 hat der Hydraulik-Steuerblock eine sich quer zur Längsachse 16 des Hydrozylinders 2 gemäß 1 erstreckende Längsachse 18, durch die sich eine Symmetrieebene, zumindest was die seitliche Außenmantelfläche des HydraulikSteuerblocks 10 betrifft, erstreckt. Die Erstreckungsachse 21 der Aufnahme 14 ist in dieser Symmetrieebene angeordnet.
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An seinen symmetrisch zur Symmetrieebene angeordneten Längsseiten oder lateralen Seiten 20, 22 weist der Steuerblock 10 erhabene Anschlussflächen 24 zur kompakten und platzsparenden Anbindung von Ventilen der Ventileinrichtung 12 gemäß 1 auf. An seiner Oberseite 26, die abschnittsweise parallel zur Unterseite 28 ist, ist eine Ausnehmung 30 zur Aufnahme der Hydropumpe (nicht dargestellt), oder zumindest von Triebwerkkomponenten der Hydropumpe, vorgesehen.
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Diese Ausnehmung 30 oder erste Kavität 30 weist an ihrem Boden 32 gemäß 4 einen Hochdruckanschluss 34 und einen weiteren Hochdruckanschluss 36 auf, da im geschlossenen Kreislauf ein Druckaufbau in beide Pumpendrehrichtungen möglich ist. Die Hochdruckanschlüsse 34, 36 sind über nicht weiter beschriebene, im Steuerblock 10 ausgebildete Druckmittelkanäle mit Anschlüssen zur Druckmittelversorgung des Hydrozylinders 2 verbunden.
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Für eine noch größere Bauraumersparnis ist die Außenmantelfläche des Steuerblocks 10 gemäß 3 an der Unterseite 28, in einem Bereich der zweiten Kavität 14, nicht parallel zur Oberseite 26, sondern weist lediglich zu einer Innenmantelfläche 38 der zweiten Kavität 14 einen Offset d auf.
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Der Steuerblock 10 ist beidseitig der sich erstreckenden zweiten Kavität 14, das heißt in Richtung der Seitenflächen 20, 22, zumindest abschnittsweise schmaler ausgebildet als ein Restabschnitt des Steuerblocks.
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An wenigstens einem Übergang des schmaleren Abschnitts zum Restabschnitt, insbesondere an einer dort ausgebildeten Schulter des Steuerblocks 10, ist wenigstens eine Anschlusseinrichtung, für eine insbesondere hydraulische Komponente vorgesehen.
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Mit dem gleichen Ziel der Bauraumersparnis weist der Steuerblock 10 an der Oberseite 26 und Unterseite 28 eines der zweiten Kavität 14 oder Filteraufnahme 14 diametral gegenüber angeordneten Endabschnitts 40, eine Verjüngung oder Abdachung 42, 44 auf.
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Gleiches gilt für die Unterseite 28 in lateraler Längserstreckung an einem Mittelabschnitt des Steuerblocks 10, wie in 3 dargestellt. Auch hier sind Abdachungen am Hydraulik-Steuerblock 10 vorgesehen.
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Mit Bezug zu 5 wird nun die zweite Kavität 14 und ein Strömungsverlauf des zu filternden Druckmittels beschrieben. Ein Strömungsverlauf von einem Zulauf A gemäß bis hin zu einem Ablauf F ist in den 5 und 6 skizziert. Gemäß 6, die einen Längsschnitt in der genannten Symmetrieebene des Steuerblocks 10, und damit auch durch die Erstreckungsachse 21 der zweiten Kavität 14, zeigt, ist eine Zulaufmündung 46 des Zulaufs A in einem seitlichen Bodenbereich B der zweiten Kavität 14 angeordnet. An der Zulaufmündung 46 weist ein Druckmittelströmungspfad des zulaufenden Druckmittels, insbesondere der dort einmündende Zulaufkanal, eine zur Innenmantelfläche 38 tangentiale Richtungskomponente auf. Vorzugsweise geht eine Innenmantelfläche der Zulaufmündung 46 tangential in die Innenmantelfläche 38 über.
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Vorzugsweise ist die Zulaufmündung 46 derart ausgestaltet, dass in ihrem Bereich der Druckmittelströmungspfad in einen zwischen einem Filterelement 50 und der Innenmantelfläche 38 ausgebildeten Ringraum 48 weist. Auf diese Weise ist das Filterelement 50 mechanisch geschont, da nicht direkt mit einer radialen Strömung beaufschlagt. Dadurch ist eine erhöhte Haltbarkeit des Filterelements 50 gegeben und ein Wartungsintervall verlängert. Die geringere Beanspruchung kann auch zu einer geringeren Dimensionierung des Filterelements 50 genutzt werden, wodurch wiederum Bauraum eingespart werden kann.
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An die Zulaufmündung 46 schließt in der Innenmantelfläche 38 eine sich helixförmig um die Erstreckungs- oder Einsetzachse 21 erstreckende Vertiefungsausnehmung 52 an. Diese weist, wie aus 6 ersichtlich, einen im Ausführungsbeispiel stark abgeflachten halbellipsoiden Querschnitt auf, was im Bereich C und D gut sichtbar ist. Bei Betrachtung von 5 wird die 3-dimensionale, helixförmige Erstreckung dieser Vertiefung 52 deutlich.
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Ab dem Mündungsbereich B durchströmt das Druckmittel entlang der Vertiefung 52 - aufgrund von Turbulenzen und nichtidealer Strömungsführung auch außerhalb davon - den Ringraum 48, passiert dabei den Querschnitt C, den Querschnitt D und wird dort in radiale Richtung auf das Filterelement 50 umgelenkt. Dort durchströmt es das Filterelement 50 und tritt in dessen zentrales Ablaufrohr 54 ein. Auf der (vorzugsweise linken) Seite zum Ablass befindet sich ein Adapter, der das Element zentriert. Das Druckmittel strömt weiter bis zum Querschnitt F, welcher einen bodenseitigen Austritt des Filterelements 50 repräsentiert. Durch die helixförmige Strömung wird dem Filtereffekt ein zyklonaler Abscheideeffekt überlagert und die Abscheidung von Verunreinigungen ist weiter verbessert.
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Der Durchtrittbereich E erstreckt sich über das ganze Filterelement. Die Helixform bewirkt eine Zirkulation um dieses Element.
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Offenbart ist ein hydraulischer Steuerblock für eine servohydraulische Achse, mit im Steuerblock aufgenommenem Filter oder Filterelement oder zumindest mit einer dafür vorgesehenen Kavität.
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Offenbart ist zudem eine servohydraulische Achse damit.
