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Die Erfindung betrifft ein Schieberventil gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Hydrauliksystem mit einem derartigen Schieberventil.
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Schieberventile sind in großer Vielfalt bekannt. Typischerweise ist ein Ventilschieber in einer genau kreiszylindrischen Bohrung linearbeweglich aufgenommen. Die entsprechende erste Querschnittsform ist dementsprechend kreisrund. Der Ventilschieber hat mehrere Stegabschnitte, welche dichtend an der Bohrung anliegen, wobei die Stegabschnitte über Halsabschnitte, mit gegenüber der Bohrung vermindertem Durchmesser, fest miteinander verbunden sind. Die Stegabschnitte grenzen zwei Druckräume gegeneinander ab. Wenn in diesen beiden Druckräumen stark unterschiedliche Drücke anliegen, kann es zum sogenannten hydraulischen Klemmen kommen. Die Leckagen am betreffenden Stegabschnitt bewirken hydraulische Kräfte, welche den Ventilschieber gegen die Bohrungswand drücken. Die dadurch entstehenden Reibkräfte können so groß werden, dass sich der Ventilschieber überhaupt nicht mehr oder nur unter großem Widerstand bewegt.
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Dieser Effekt soll durch die vorliegende Erfindung vermieden werden.
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Zum Stand der Technik wird weiter auf die
DE 42 24 469 A1 , die
DE 10 2005 030 173 A1 , die
DE 11 2016 000 086 T1 , die
US 4 941 508 und die
US 6 450 194 B1 verwiesen. Dort sind Ventilschieber mit sogenannten Feinsteuerkerben gezeigt. Auch hier ändert sich die zweite Querschnittsform der Stegabschnitte entlang der Längsachse. Die bekannten Schieberventile zeichnen sich aber dadurch aus, dass die Stegabschnitte Bereiche aufweisen, an denen ihre zweite Querschnittsform entlang der Längsachse konstant bleibt. In diesen Bereichen tritt das hydraulische Klemmen auf, welches durch die vorliegende Erfindung vermieden werden soll. Weiter ist die Änderung der freien Querschnittsfläche durch die Feinsteuerkerben sehr viel größer als die mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Änderung der freien Querschnittsfläche am Stegabschnitt.
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Gemäß Anspruch 1 wird vorgeschlagen, dass sich die erste und/oder die zweite Querschnittsform entlang der Längsachse derart ändert, dass einerseits die Beweglichkeit des Ventilschiebers gegeben ist, wobei sich andererseits eine freie Querschnittsfläche, welche als Flächendifferenz zwischen der ersten und der zweiten Querschnittsform an derselben Stelle entlang der Längsachse definiert ist, vom ersten Druckraum zum zweiten Druckraum hin über die gesamte Länge des Stegabschnitts derart monoton abnimmt, dass sich dann, wenn im ersten Druckraum ein höherer Druck anliegt als am zweiten Druckraum und wenn der Stegabschnitt außermittig bezüglich der Bohrung angeordnet ist, eine quer zur Längsachse gerichtete hydraulische Kraft auf den Stegabschnitt ergibt, welche den Ventilschieber in Richtung einer Lage drückt, in welcher der Stegabschnitt mittig bezüglich der Bohrung angeordnet ist.
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Unter einer monotonen Abnahme der freien Querschnittsfläche soll insbesondere verstanden werden, dass die freie Querschnittsfläche an keiner Stelle des Stegabschnitts konstant bleibt oder zunimmt. Anstelle von einer monotonen Abnahme könnten man also auch von einer ausschließlichen Abnahme sprechen. Erfindungswesentlich ist, dass diese monotone Abnahme über die gesamte Länge des Stegabschnitts erfolgt und nicht wie bei den oben angesprochenen Feinsteuerkerben nur über einen Teil des betreffenden Stegabschnitts.
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Wegen der gewünschten Dichtwirkung ist die freie Querschnittsfläche vorzugsweise sehr klein. Sie ist dennoch größer als Null, damit die gewünschte Beweglichkeit des Ventilschiebers gegeben ist. Das Druckfluid fließt vom ersten zum zweiten Druckraum durch die freie Querschnittsfläche, wobei nur ein sehr kleiner Volumenstrom entsteht. Die erfindungsgemäß variable freie Querschnittsfläche bewirkt, dass sich in Richtung der Längsachse entlang des Stegabschnitts eine Druckverteilung ergibt, welche die oben genannte Wirkung hat.
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Die erste und/oder die zweite Querschnittsform sind vorzugsweise kreisförmig bezüglich der Längsachse bzw. der Mittelachse angeordnet. Im Falle einer Änderung der ersten bzw. der zweiten Querschnittsform ändert sich vorzugsweise der Durchmesser der betreffenden Kreisform.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben.
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Es kann vorgesehen sein, dass die erste Querschnittsform entlang der Längsachse konstant ist, wobei sich die zweite Querschnittsform entlang der Längsachse derart ändert, dass sie immer vollständig innerhalb der ersten Querschnittsform angeordnet ist. Damit kann die gewünschte Beweglichkeit des Ventilschiebers auch bei sehr langen Bohrungen bzw. langen Hubwegen auf einfache Weise sichergestellt werden. Es ist denkbar, dass die zweite Querschnittsform entlang der Längsachse konstant ist, wobei sich allein die erste Querschnittsform erfindungsgemäß ändert. Diese Variante kommt in erster Linie bei kurzen Hubwegen des Ventilschiebers in Betracht.
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Es kann vorgesehen sein, dass die freie Querschnittsfläche entlang der Längsachse stetig abnimmt. Die entsprechende erste bzw. zweite Querschnittsform ist einfach herstellbar. Darüber hinaus werden scharfe und damit ggf. instabile Änderungen der Druckverteilung am Stegabschnitt vermieden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die freie Querschnittsfläche entlang der Längsachse knickfrei abnimmt. Die entsprechende erste bzw. zweite Querschnittsform ist einfach herstellbar. Darüber hinaus werden scharfe und damit ggf. instabile Änderungen der Druckverteilung am Stegabschnitt vermieden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die freie Querschnittsfläche entlang der Längsachse zumindest abschnittsweise linear abnimmt. Es ist denkbar, dass die freie Querschnittsfläche über die gesamte Länge des Stegabschnitts linear abnimmt. Das entsprechende Schieberventil ist besonders einfach herstellbar, wobei trotzdem der erfindungsgemäße Effekt erzielt wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Stegabschnitt einen kreiszylindrischen Abschnitt aufweist, dessen Mittelachse in der genannten mittigen Lage mit der Längsachse zusammenfällt, wobei der Stegabschnitt wenigstens eine Nut aufweist, die sich in Richtung der Längsachse erstreckt, wobei die Querschnittsfläche der wenigstens einen Nut jeweils vom ersten zum zweiten Druckraum hin abnimmt. Die zweite Querschnittsform ändert sich dementsprechend ausschließlich im Bereich der wenigstens einen Nut. Der kreiszylindrische Abschnitt kann dementsprechend einfach hergestellt werden, da sich sein Durchmesser entlang der Längsachse nicht ändert.
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Es können wenigstens drei Nuten vorgesehen sein, welche gleichförmig verteilt über den Umfang des Stegabschnitts angeordnet sind, wobei sie untereinander identisch ausgeführt sind. Hierdurch wird erreicht, dass die Druckverteilung über den Umfang des Stegabschnitts näherungsweise konstant ist. Es versteht sich, dass dieser Effekt umso ausgeprägter ist, je höher die Anzahl der Nut ist. Die Verwendung von genau drei Nuten ist aus Kostengründen bevorzugt.
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Es kann vorgesehen sein, dass eine größte freie Querschnittsfläche zwischen 150% und 300% einer kleinsten freien Querschnittsfläche beträgt. Der erfindungsgemäße Effekt wird also gegenüber den eingangs erläuterten Feinsteuerkerben bei einer sehr viel kleineren Variation der freien Querschnittsfläche erreicht.
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Es kann vorgesehen sein, dass eine kleinste freie Querschnittsfläche zwischen 0,0001% und 0,01% einer größten Querschnittsfläche der ersten Querschnittsform beträgt. Wie eingangs erläutert, soll die freie Querschnittsfläche möglichst klein sein, damit die dortigen Leckagen gering sind. Sie soll von Null verschieden sein, damit die gewünschte widerstandsarme Beweglichkeit des Ventilschiebers gegeben ist.
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Schutz wird außerdem für ein Hydrauliksystem mit einer Pumpe, einem Tank, einem Aktuator und einem erfindungsgemäßen Schieberventil beansprucht, wobei die Pumpe an den ersten Druckraum angeschlossen ist, wobei der Tank an den zweiten Druckraum angeschlossen ist. Die beiden genannten Fluidverbindungen bestehen vorzugsweise permanent, wobei sie höchst vorzugsweise einen so geringen Strömungswiderstand aufweisen, dass sich im Betrieb ein geringer Druckabfall ergibt. Hierdurch ergibt sich einerseits die gewünschte Richtung des Druckgefälles am Stegabschnitt, wobei das Druckgefälle besonders groß ausfällt. Der entsprechende Stegabschnitt neigt daher besonders zum hydraulischen Klemmen, welches durch die Erfindung zuverlässig vermieden wird.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- 1 ein Hydrauliksystem mit einem erfindungsgemäßen Schieberventil;
- 2 einen grobschematischen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Schieberventils;
- 3 eine zu 2 analoge Ansicht eines Schieberventils, welches entgegen der Erfindung ausgeführt ist; und
- 4 einen grobschematischen Querschnitt eines Schieberventils gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt ein Hydrauliksystem 10 mit einem erfindungsgemäßen Schieberventil 20. Das Schieberventil 20 umfasst ein Gehäuse 24, welches mit einer Bohrung 25 versehen ist, die über ihre gesamte Länge eine konstante, bezüglich der Längsachse 23 kreisförmige erste Querschnittsform aufweist. In der Bohrung 25 ist ein Ventilschieber 30 in Richtung der Längsachse 23 beweglich aufgenommen. Auf der in 1 linken Seite ist die Bohrung 25 mit einer Verschlussschraube 26 fluiddicht verschlossen, wobei zwischen dem Ventilschieber 30 und der Verschlussschraube 26 eine Feder 27 eingebaut ist. Von der gegenüberliegenden Seite her wird die Bohrung 25 von einem Betätigungsmagnet 14 verschlossen, welcher den Ventilschieber mit einer in Richtung der Längsachse 23 entgegen der Vorspannung der Feder 27 wirkenden Stellkraft beaufschlagen kann. Die Höhe der Stellkraft ist durch Variation des im Betätigungsmagneten 14 fließenden Stroms verstellbar, so dass die Stellung des Ventilschiebers 30 verstellbar ist.
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Der Ventilschieber 30 hat einen hinsichtlich des hydraulischen Klemmens kritischen Stegabschnitt 31 und zwei weitere Stegabschnitte 32, die weniger kritisch sind. Die Stegabschnitte 31; 32 stehen der Bohrung 25 mit sehr geringem Abstand gegenüber, so dass eine Dichtwirkung gegeben ist. Sie sind über Halsabschnitte 33 einstückig miteinander verbunden, wobei die Halsabschnitte 33 einen gegenüber der Bohrung 25 deutlich verminderten Durchmesser haben, so dass dort Druckfluid mit geringem Strömungswiderstand fließen kann. Bei dem Druckfluid handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit und höchst vorzugsweise um Hydrauliköl.
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Quer zur Längsachse 23 münden ein erster, ein zweiter und ein dritter Anschluss 61; 62; 63, die jeweils in Form eines, ggf. gestuften, kreiszylindrischen Kanals ausgeführt sind, in die Bohrung 25 ein. In der in 1 gezeigten Endstellung des Ventilschiebers 30 ist der erste 61 mit dem zweiten Anschluss 62 verbunden, wobei der dritte Anschluss 63 gesperrt ist. In der gegenüberliegenden Endstellung des Ventilschiebers 30 ist der dritte 63 mit dem zweiten Anschluss 62 verbunden, wobei der erste Anschluss 61 gesperrt ist.
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Der erste Anschluss 61 ist an eine Druckfluidquelle in Form einer Pumpe 11 angeschlossen, wobei der dritte Anschluss 63 an eine Druckfluidsenke in Form eines Tanks 12 angeschlossen ist. Der zweite Anschluss 62 ist an einen Aktuator 13 angeschlossen, der beispielsweise in Form eines einfachwirkenden Hydraulikzylinders ausgebildet ist. Das vorliegende Schieberventil 20 ist zur Verwendung mit einer Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise vorgesehen, wobei mit dem vorliegenden Aktuator 13 die Schwenkstellung der entsprechenden Schrägscheibe verstellbar ist.
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Der Stegabschnitt 31 grenzt einen ersten 21 und einen zweiten Druckraum 22 im Wesentlichen fluiddicht voneinander ab, so dass kleine Leckagen vorhanden sind, die gerade die mit Bezug auf 2 und 3 erläuterten Druckverteilungen bewirken. Im ersten Druckraum 21 liegt der Druck am ersten Anschluss 61 an, also ein Hochdruck. Der zweite Druckraum 22 ist über einen Kanal 64 im Ventilschieber 30 und einen Kanal 65 im Gehäuse 24 mit dem dritten Anschluss 63 verbunden, so dass dort ein Niederdruck anliegt.
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Anzumerken ist noch, dass auch die weiteren Stegabschnitte 32 gemäß der Erfindung ausgeführt sein können. Diese sind jedoch hinsichtlich des hydraulischen Klemmens weniger kritisch, weil dort weniger große Druckdifferenzen anliegen. Dementsprechend ist dort zwischen den durch die Erfindung verursachten Kosten und dem technischen Nutzen der Erfindung abzuwägen.
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2 zeigt einen grobschematischen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Schieberventils 20. Anhand der 2 sollen die am Stegabschnitt 31 wirkenden Druckverteilungen 50; 51 erläutert werden, weshalb nur die hierfür maßgeblichen Details des Schieberventils 20 dargestellt sind. Insbesondere wurde auf die Darstellung des Halsabschnitts (Nr. 33 in 1) im ersten Druckraum 21 verzichtet, da dessen Einfluss auf die Druckfelder 50; 51 gering ist. Der erste und der zweite Druckraum 21; 22 sind darüber hinaus gegenüber 1 seitenverkehrt angeordnet.
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In 2 ist die Bohrung 25 mit einer konstanten, bezüglich der Längsachse 23 kreisförmigen ersten Querschnittsform ausgeführt. Der Stegabschnitt 31 hat eine bezüglich der Mittelachse 36 kreisförmigen Querschnittsform, deren Durchmesser sich entlang der Längsachse 23 ändert. Er wird ausgehend vom ersten Druckraum 21 zum zweiten Druckraum 22 hin über die gesamte Länge des Stegabschnitts 31 monoton größer, wobei die Änderung insbesondere linear mit einer konstanten Steigung erfolgt. Die entsprechende Durchmesseränderung ist in 2 sehr stark übertrieben dargestellt. Tatsächlich liegt sie in der Größenordnung von wenigen Mikrometern. Die freie Querschnittsfläche zwischen der ersten und der zweiten Querschnittsform nimmt vom ersten 21 zum zweiten Druckraum 22 hin monoton ab.
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Die Mittelachse 36 ist abseits der Längsachse 23 angeordnet, wobei der Versatz in 2 nach unten gerichtet ist. Diese Exzentrizität ist ebenfalls stark übertrieben dargestellt. Die Exzentrizität bewirkt, dass das Druckfeld 50 im Bereich des größeren Spalts und das Druckfeld 51 im Bereich des kleineren Spalts unterschiedlich verlaufen. Angrenzend an den ersten Druckraum 21 haben beide Druckfelder 50; 51 den gleichen Hochdruck 52, der im gesamten ersten Druckraum 21 anliegt. Angrenzend an den zweiten Druckraum 22 haben beide Druckfelder 50; 51 den gleichen Niederdruck 53, der im gesamten zweiten Druckraum 22 anliegt. Innerhalb des Druckfelds 50 fällt der Druck entlang der Längsachse 23 aber schneller vom Hochdruck 52 zum Niederdruck 53 ab als im Druckfeld 51. Das Druckfeld 50 bewirkt folglich eine kleinere Kraft auf den Stegabschnitt 31 als das Druckfeld 51. Die resultierende Kraft ist dementsprechend in 2 nach oben gerichtet, so dass sich die Mittelachse 36 des Stegabschnitts 31 auf die Längsachse 23 zu bewegt.
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3 zeigt eine zur 2 analoge Ansicht eines Schieberventils 20", welches entgegen der Erfindung ausgeführt ist. Der einzige Unterschied gegenüber 2 besteht darin, dass der Durchmesser des Stegabschnitts 31 vom ersten 21 zum zweiten Druckraum 22 hin abnimmt und nicht zunimmt wie in 2. Die Durchmesseränderung erfolgt ebenfalls linear über die gesamte Länge des Stegabschnitts 31.
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In der Folge nimmt der Druck im Druckfeld 51 des engeren Spalts schneller ab als der Druck im Druckfeld 50 mit dem größeren Spalt. Die Kraft, welche das Druckfeld 50 auf den Stegabschnitt 31 ausübt ist also größer als die Kraft, welche das Druckfeld 51 auf den Stegabschnitt 31 ausübt. Die resultierende Kraft ist in 3 folglich nach unten gerichtet, so dass die Mittelachse 36 des Stegabschnitts 31 von der Längsachse 23 weggedrückt wird. In der Folge wird die Neigung zum hydraulischen Klemmen noch verstärkt.
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4 zeigt einen grobschematischen Querschnitt eines Schieberventils 20' gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Dargestellt sind allein die erste Querschnittsform 41 der Bohrung (Nr. 25 in 1) und die zweite Querschnittsform 42 des Stegabschnitts (Nr. 31 in 1), wobei die Mittelachse 36 mit der Längsachse 23 zusammenfällt.
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Die erste Querschnittsform 41 ist wie bei der ersten Ausführungsform nach 1 und 2 kreisförmig bezüglich der Längsachse 23 ausgeführt, wobei ihr Durchmesser entlang der Längsachse 23 konstant ist.
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Die zweite Querschnittsform 42 ist abseits der Nuten 34 kreisförmig bezüglich der Mittelachse 36 des Stegabschnitts ausgeführt, wobei der entsprechende Durchmesser entlang der Mittelachse 36 konstant ist. Weiter umfasst die zweite Querschnittsform 42 vorliegend drei Nuten 34, welche gleichförmig verteilt um die Mittelachse 36 herum angeordnet sind. Die Querschnittsform einer einzelnen Nut 34 ist vorliegend rechteckig ausgeführt, wobei alle Nuten 34 die gleiche Querschnittsform haben. Die Querschnittsform kann auch halbkreisförmig oder als Rechteck mit verrundeten Ecken ausgeführt sein. Die Breite der Nuten 34 ist entlang der Mittelachse 36 vorzugsweise konstant. Die erfindungsgemäße Änderung der freien Querschnittsfläche wird vorzugsweise allein dadurch erreicht, dass die Tiefe 35 der Nuten 34 variiert wird. Vorzugsweise sind alle Nuten 34 untereinander gleich ausgeführt.
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Da die einzelnen Nuten 34 eine vergleichsweise kleine Querschnittsfläche haben, ist die zur Erzielung des erfindungsgemäßen Effekts notwendige Variation der Tiefe 35 der Nuten 34 vergleichsweise groß. Je nach Anwendungsfall kann sie daher einfacher herstellbar sein, als die vergleichsweise kleine Variation des Durchmessers entsprechend der ersten Ausführungsform der Erfindung.
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Hinzuweisen ist noch darauf, dass die freie Querschnittsfläche 40 die Fläche zwischen der ersten und der zweiten Querschnittsform 41; 42 ist. Diese ist in 4 der Übersichtlichkeit halber stark übertrieben dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hydrauliksystem
- 11
- Pumpe
- 12
- Tank
- 13
- Aktuator
- 14
- Betätigungsmagnet
- 20
- Schieberventil (erste Ausführungsform der Erfindung)
- 20'
- Schieberventil (zweite Ausführungsform der Erfindung)
- 20"
- Schieberventil (entgegen der Erfindung)
- 21
- erster Druckraum
- 22
- zweiter Druckraum
- 23
- Längsachse
- 24
- Gehäuse
- 25
- Bohrung
- 26
- Verschlussschraube
- 27
- Feder
- 30
- Ventilschieber
- 31
- Stegabschnitt
- 32
- weiterer Stegabschnitt
- 33
- Halsabschnitt
- 34
- Nut
- 35
- Tiefe der Nut
- 36
- Mittelachse des Stegabschnitts
- 37
- kreiszylindrischer Abschnitt
- 40
- freie Querschnittsfläche
- 41
- erster Querschnittsform
- 42
- zweite Querschnittsform
- 50
- Druckfeld im Bereich des größeren Spalts
- 51
- Druckfeld im Bereich des kleineren Spalts
- 52
- Hochdruck
- 53
- Niederdruck
- 61
- erster Anschluss
- 62
- zweiter Anschluss
- 63
- dritter Anschluss
- 64
- Kanal im Ventilschieber
- 65
- Kanal im Gehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4224469 A1 [0004]
- DE 102005030173 A1 [0004]
- DE 112016000086 T1 [0004]
- US 4941508 [0004]
- US 6450194 B1 [0004]
