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Die Erfindung betrifft ein direktgesteuertes Druckbegrenzungsventil
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und einen Bausatz für ein Druckbegrenzungsventil
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12.
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Druckbegrenzungsventile (DBV) sollen
einen Systemdruck auf einer vorgegebenen Druckhöhe halten. Wenn dieser Einstelldruck
erreicht ist, öffnet
das DBV und leitet den überflüssigen Volumenstrom
vom System in einen Behälter
zurück.
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Ein direktgesteuertes DBV ist in
der
DE 25 41 155 A1 beschrieben.
Bei diesem Ventil ist ein Ventilkegel in einem Ventilgehäuse über eine
Feder gegen einen Ventilsitz vorgespannt und federraumseitig mit
einem Tank verbunden. Da bei zunehmenden Hub des Ventilkegels die
Federkennlinie der Feder ansteigt, kann der eingestellte Soll-Einstelldruck
des Ventils durch einen sich bei Öffnung des Ventils einstellenden
Ist-Einstelldruck beträchtlich überschritten werden
und somit nicht genügend
Systemdruck über das
Ventil abgebaut werden.
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Um den Soll-Einstelldruck unabhängig vom Hub
halten zu können,
ist bei der bekannten Lösung dem
ersten Ventilsitz ein Stauraum mit einem konstanten und einem variablen Öffnungsquerschnitt zum
Behälter
nachgeschaltet. Der Stauraum ist axial durch eine mit einem zweiten
Ventilsitz zusammenwirkende Kegelkante des Ventilkegels begrenzt.
Der konstante Öffnungsquerschnitt
wird durch zwei Nachdrosselspalte gebildet, von denen der eine als Radialbohrung
durch das Ventilgehäuse
und der andere als eine Kerbe im zweiten Ventilsitz ausgebildet ist.
Der variable Öffnungsquerschnitt
wird durch den Hub der Kegelkante vom zweiten Ventilsitz bestimmt. Dabei
wirken bei geöffnetem
Ventil Impulskräfte
des strömenden
Druckmittels auf eine Ringstirnfläche der Kegelkante und wirken
so einer steigenden Federkennlinie entgegegen.
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Nachteilig an der vorbeschriebenen
Lösung ist,
daß bei
der Fertigung des DBV aufgrund der zwei Ventilsitze äußerst enge
Toleranzen eingehalten werden müssen,
um Undichtigkeiten am ersten Ventilsitz zu vermeiden.
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Des Weiteren ist nachteilig, daß aufgrund
der verschiedenen Drosselquerschnitte eine Vielzahl von einzelnen
Fertigungsschritten durchgeführt
werden müssen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein direktgesteuertes Druckbegrenzungsventil zu schaffen,
das die vorgenannten Nachteile beseitigt sowie einfach und kostengünstig herzustellen
ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
ein direktgesteuertes Druckbegrenzungsventil mit den Merkmalen nach
dem Patentanspruch 1. Die Aufgabe wird des Weiteren durch einen
Bausatz für
ein Druckbegrenzungsventil mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch
12 gelöst.
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Das erfindungsgemäße direktgesteuerte Druckbegrenungsventil
(DBV) hat ein Ventilgehäuse, in
dem ein Schließkörper gegen
einen Ventilsitz vorgespannt ist. Stromabwärts des Ventilsitzes ist ein Stauraum
ausgebildet, der schon bei geschlossenem Ventilsitz zu einem Arbeitsanschluß über eine
umlaufende Schieberkante geöffnet
ist, wobei ein Durchflußquerschnitt
zwischen dem Stauraum und dem radialen Arbeitsanschluß in jeder Position
des Schließkörpers größer ist
als der Durchflußquerschnitt
am Ventilsitz.
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Durch die erfindungsgemäße Öffnung des Stauraums
zum radialen Arbeitsanschluß wirkt
die Schließkörperkante
als Schieberkante und nicht als Sitzkante. Folglich ist in dem Ventilgehäuse nur
ein Ventilsitz auszuarbeiten und die Fertigung entsprechend einfach.
Des Weiteren ist die umlaufende Schieberkante sehr einfach herzustellen,
so dass der fertigungstechnische Aufwand minimal ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
sind der Schließkörper und
der Ventilsitz kegelig ausgebildet, wobei ein Kegelwinkel des Schließkörpers kleiner
als ein Kegelwinkel des Ventilsitzes gewählt ist. Vorzugsweise hat der
Schließkörper einen
Kegelwinkel von 30° und
der Ventilsitz einen Kegelwinkel von 45°.
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Aus fertigungstechnischer Sicht ist
es besonders günstig,
wenn der kegelige Ventilsitz in eine zylindrische Innenumfangwandung übergeht,
die sich vom Ventilsitz bis zum radialen Arbeitsanschluß erstreckt.
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Um Impulskräfte des Druckmittels zum Abheben
des Ventilkegels effektiv nutzen zu können, ist bei einem Hub eine
Flächenänderung
des Öffnungsquerschnitts
zwischen dem Stauraum und dem radialen Arbeitsanschluß kleiner
oder gleich einer Flächenänderung
des Öffnungsquerschnitts
des Ventilsitzes.
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Damit das DBV nicht nur in eine Strömungsrichtung,
sondern mit minimalen Änderungen
in beide Richtungen verwendbar ist, ist es von Vorteil, wenn der
Schließkörper in
beide Richtungen – ohne die
Berücksichtigung
des Drucks im Federraum – mit etwa
gleichen Druckkräften
beaufschlagbar ist, um den Ventilkegel vom Ventilsitz abzuheben.
Dazu ist eine Ringfläche
im Bereich des Stauraums gleich einer Ventilsitzfläche.
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Es ist vorteilhaft, wenn ein axialer
Abstand zwischen dem radialen Arbeitsanschluß und dem Ventilsitz von solcher
Größe vorhanden
ist, daß eine Axialströmung des
abfließenden
Druckmittels am Schließkörper entlang
auf tritt.
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Zum Abgreifen des Drucks am radialen
Arbeitsanschluß zum
Federraum ist der Schließkörper abschnittsweise
außen
radial zurückgesetzt,
so daß sich
ein vom radialen Arbeitsanschluß und
einer Querbohrung im Schließkörper axial
begrenzter Ringraum ergibt. Die Querbohrung steht mit einer Axialbohrung,
die in den Federraum mündet,
in Verbindung.
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Zur Dämpfung einer Hubbewegung des Schließkörper ist
vom Ringraum aus betrachtet der Querbohrung ein Dämpfungselement
vorstellbar. Bevorzugterweise ist das Dämpfungselement eine im Schließkörper angeordnete
Radialdichtung.
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Bei einer Ausführungsform hat der Schließkörper einen
im Federraum aufgenommenen Federteller, der beweglich am Schließkörper abgestützt ist.
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Der erfindungsgemäße Bausatz für ein Druckbegrenzungsventil
hat ein Ventilgehäuse,
in dem für
den Betrieb des Ventils notwendige Komponenten wie ein Schließkörper, eine
Feder und ein Ventilsitz angeordnet sind. Dabei werden mehrere Ventilgehäuse zur
Verfügung
gestellt, die bei identischem inneren Aufbau individuell an verschiedene Einbaubohrungen
angepaßt
sind. Somit ist es möglich,
bzgl. der Komponenten eine Serienproduktion zu etablieren, die unabhängig der
herstellerspezifischen Einbaubohrungen in die jeweiligen Ventilgehäuse eingepaßt sind.
D.h. der innere Aufbau bzw. die Ausbildung der einzelnen inneren
Komponenten des Ventilgehäuses
sind von äußeren Bedingungen, wie
der Geometrie der Einbaubohrungen, entkoppelt.
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Sonstige vorteilhafte Ausführungsformen sind
Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im Folgenden erfolgt eine ausführliche
Erläuterung
der Erfindung anhand schematischer Darstellungen. Es zeigen
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1 eine
bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Druckbegrenzungsventils,
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2 eine
vergrößerte Darstellung
eines ventilsitzseitigen Bereiches der Ausführungsform nach 1,
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3 eine
weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Druckbegrenzungsventils
und
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4 einen
Bausatz für
Druckbegrenzungsventile.
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1 zeigt
eine geschnitte Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform
eines direktgesteuerten Druckbegrenzungsventils 2 (DBV)
mit einer einstellbaren Vorspanneinrichtung 4. Das DBV hat
ein Ventilgehäuse 6 mit
einer Längsbohrung 48, in
der ein Schließkörper 8 aufgenommen
ist. Der Schließkörper 8 ist
in seiner Grundstellung über
eine Feder 10 gegen einen Ventilsitz 12 vorgespannt.
Die Feder 10 ist in einem Federraum 14 angeordnet
und greift mit ihrem einen Endabschnitt 16 an einem Federteller 18 des
Schließkörpers 8 an.
Mit ihrem zweiten Endabschnitt 20 stützt sich die Feder 10 an
einem Vorspannteller 22 der Vorspanneinrichtung 4 ab.
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Das Ventilgehäuse 6 ist zweiteilig
ausgeführt und
hat ein Federraumgehäuse 24 und
ein Schließkörpergehäuse 26.
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Das Federraumgehäuse 24 begrenzt den Federraum 14 und
ist mit seinem stufenartigen Endabschnitt 28 in eine stirnseitige
entsprechend ausgebildete Ausnehmung 30 des Schließkörpergehäuses 26 eingeschraubt.
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In dem Schließkörpergehäuse 26 sind ein axialer
Arbeitsanschluß A
und ein radialer Arbeitsanschluß B
zum Anschluß von
Arbeitsleitungen (nicht dargestellt) und der Ventilsitz 12 ausgebildet.
Zum Arbeitsanschluß A
hin ist die Längsbohrung 48,
in der Ventilsitz 12 ausgebildet ist, offen. Zwischen der Längsbohrung 48 und
dem Arbeitsanschluß B
erstrecken sich mehrere Radialbohrungen 27 gleichmäßig verteilt
durch das Schließkörpergehäuse 26 hindurch.
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Die Längsbohrung 48 ist
in Richtung des Federraums 16 über vier Stufen 38, 40, 42, 44 radial
erweitert. Die erste Stufe 38 ist zwischen den beiden Arbeitsanschlüssen A,
B ausgeformt und dient zur Ausbildung des Ventilsitzes 12.
Die zweite Stufe 40 dient in vorgespannter Grundstellung
des Schließkörpers 8 zur
Aufnahme des Federtellers 18 und des an der Rückseite
des Federtellers 18 angreifenden Endabschnitts 16 der
Feder 10. Die dritte und vierte Stufe 42, 44 dienen
zur Aufnahme des stufenartigen Endabschnitts 28 des Federraumgehäuses 26,
wobei zur Begrenzung einer axialen Einsetztiefe des Federraumgehäuses 24 der
stufenförmige
Endabschnitt 28 an einer stirnseitigen Übergangsfläche 104 von der zweiten
zur dritten Stufe anliegt 38, 40.
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Der Schließkörper 8 – eine ausführliche
Beschreibung erfolgt unter 2 – hat stromabwärts vom
Ventilsitz 12 aus betrachtet eine umlaufende Schließkörperkante 66 bzw.
Schieberkante, die einen Stauraum 68 abschnittsweise axial
begrenzt. Der Stauraum 68 ist zu den Radialbohrungen 27 hin über kreissegmentartige
Durchflußquerschnitte 70 zwischen
der Schließkörperkante 66 und
den Innenkanten 124 der Radialbohrungen 27 des
Schließkörpergehäuses 26 geöffnet. Vorteilhafterweise
befinden sind die Schließkörperkante 66 und
die Radialbohrungen 27 in gewisser Entfernung vom Ventilsitz 12 bzw.
vom axialen Arbeitsanschluß A,
so daß eine
Axialströmung
des abfließenden
Druckmittels am Schließkörper 8 entlang
gegen eine Ringstirnfläche 34 auftritt.
Von den Radialbohrungen 27 aus bis zu einer in dem Schließkörper 8 eingebrachten
Querbohrung 56 ist der Schließkörper 8 radial zurückgesetzt, so
daß zwischen
gegenüberliegenden
Umfangsflächen 58, 60 der
Längsbohrung
und des Schließkörpers 8 ein
enger Ringraum 62 gebildet ist. Die Querbohrung 56,
die ebenfalls als Bohrungsstern ausgeführt sein kann, kreuzt eine
Axialbohrung 94, die im Federraum 14 mündet. Somit
steht der Druck vom Arbeitsanschluß B statisch im Federraum 14 an.
Wegen des engen Ringraums 62 ist nur ein gedrosselter Druckmittelaustausch
zwischen dem Arbeitsanschuß B
und dem Federraum 14 möglich,
so daß die
Bewegung des Schließkörpers 8 gedämpft ist.
Außerdem wird
der Einfluß von
Strömungturbulenzen
im Arbeitsanschluß B
auf den Druck im Federraum 14 gering gehalten.
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Eine radiale Führung des Schließkörpers 8 in der
Längsbohrung 48 erfolgt
lediglich über
seine Außenwandung 72 zwischen
der Querbohrung 56 und dem Federteller 18. Zur
weiteren Dämpfung
einer Hubbewegung des Schließkörpers 8 ist
in dieser Außenwandung 72 eine
Umfangsnut 78 zur Aufnahme eines Dämpfungselements (nicht dargestellt)
ausgebildet. Vorzugsweise ist das Dämpfungselement eine Radialdichtung.
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Die einstellbare Vorspanneinrichtung 2 ist
im wesentlichen im hinteren Bereich des Federtellergehäuses 24 angeordnet.
Sie weist die Feder 10, den Vorspannteller 22,
eine Vorspannschraube 74 und eine Feststellmutter 76 auf.
Die Vorspannschraube 76 ist in einer stirnseitigen Durchgangsbohrung 78 mit
Innengewinde in dem Federraumgehäuse 24 aufgenommen.
Sie liegt stirnseitig an dem Vorspannteller 22 an, so daß dieser
bei einer Drehung der Vorspannschraube 74 axial im Federraumgehäuse 24 verschoben
wird und die Vorspannung der Feder 10 veränderbar
ist. Der Vorspannteller 22 ist über seine Umfangswandung 80 in
dem Federraumgehäuse 24 aufgenommen.
Zur Feststellung der eingestellten Vorspannung steht außerhalb
des Federraumgehäuses 24 die
Feststellmutter 76 mit der Vorspannschraube 74 im
Wirkeingriff.
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2 zeigt
eine vergrößerte Seitenansicht des
Schließkörpers 8 und
des Schließkörpergehäuses 26 zwischen
der Umfangsnut 78 zur Aufnahme des Dämpfungselementes und dem axialen
Arbeitsanschluß A
zum Anschluß einer
Druckleitung.
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Der Ventilsitz 12 ist im
Bereich der ersten Stufe 38, d.h. im Übergang von dem axialen Arbeitsanschluß A in die
Längsbohrung 48,
mit einer kegeligen Sitzfläche 82 ausgebildet.
Dabei geht die kegelige Sitzfläche 82 direkt
in eine zylindrische Innenumfangswandung 86 der Längsbohrung 48 über. Der Schließkörper 8 hat
eine entsprechend ausgebildete Schließkörperfläche 84, wobei ein
Kegelwinkel α der Schließkörperfläche 84 kleiner
als ein Kegelwinkel β der
Sitzfläche 82 gewählt ist.
Vorzugsweise beträgt der
Kegelwinkel α =
30° und
der Kegelwinkel β =
45°.
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Der Stauraum 68 ist axial
von dem Innendurchmesser des Ventilsitzes 12 und von der
die Schließkörperkante 66 bildenden
Ringstirnfläche 34 begrenzt.
Radial ist der Stauraum 68 von einem Außenumfangsabschnitt 90 des
Schließkörpers 8,
der sich von der Schließkörperfläche 84 bis
zur Schließkörperkante 66 erstreckt,
und eines gegenüberliegenden
Innenumfangsabschnitt 92 der Längsbohrung 48 begrenzt.
Der Stauraum 68 ist erfindungsgemäß über die Durchflußquerschnitte 70 zum
radialen Arbeitsanschluß B
hin geöffnet,
so daß in
vorgespannter Grundstellung des Schließkörpers 8 Druckmittel
aus dem Stauraum 68 abströmen kann.
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Bei Erhöhung des Volumenstroms nimmt
der Hub des Schließkörpers 8 und
somit die Stauchung der Feder 10 zu, wodurch die Kraft
der Feder 10 erhöht
wird. Zusätzlich
steigen die Strömungskräfte an. Der
Druckabfall über
dem Ventil 2 wird größer. Dem Anstieg
des Druckabfalls wird beim erfindungsgemäßen DBV durch das Vorsehen
des Stauraums 68 entgegengewirkt. Dabei wirkt der Stauraum 68 aufgrund der
begrenzten Durchflußquerschnitte 70 zu
den Radialbohrungen 27 als Hubhilfe für den Schließkörper 8.
Der Durchflußquerschnitt 70 wird
von der als Schieberkante zu betrachtenden Schließkörperkante 66 bestimmt,
wobei der Durchflußquerschnitt 70 selber
die in Öffnungsrichtung
auf die Ringstirnfläche 34 des
Schließkörper 8 wirkenden
Impulskräfte
bestimmt. Somit beaufschlagen die Impulskräfte den Schließkörper 8 in Öffnungsrichtung
und wirken der steigenden Federkennlinie entgegen.
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Damit genügend Staudruck in dem Stauraum 68 aufgebaut
wird und nicht das Druckmittel bei abgehobenen Schließkörper 8 ohne
auf die Ringfläche 34 zu
wirken über
den Ventilsitz 12 abfließt, ist der Öffnungsquerschnitt
des Ventilsitzes 12 und der Drosselquerschnitt der Durchflußquerschnitte 70 so gewählt, daß bei einem
Hub des Schließkörpers 8 eine
jeweilige Flächenänderung
des Drosselquerschnitts der Durchflußquerschnitte 70 kleiner
oder gleich einer jeweiligen Flächenänderung
des Öffnungsquerschnitts
am Ventilsitz 12 ist.
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Zur Verwendung des DBV nicht nur
in eine Strömungsrichtung,
sondern in beide Richtungen, sind eine in Öffnungsrichtung wirksame Ringfläche des
Schließkörpers 8 im
Bereich des radialen Arbeitsanschlusses B und eine wirksame Ventilsitzfläche etwa
gleich groß ausgebildet.
Es ist selbstredend, daß die
interne Bohrungen (Querbohrung 56, Axialbohrung 94)
entsprechend der Strömungsrichtung
anzupassen sind. Die Ringfläche
hat in Öffnungsrichtung
die radiale Breite, die sich aus dem Außendurchmesser des Schließkörpers 8 minus
dem Innendurchmesser des Ventilsitzes 12 ergibt.
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Der Ringraum 62 ist stromabwärts zwischen den
Radialbohrungen 27 und der Querbohrung 56 durch
eine Radialstufe 88 des Schließkörpers 8 ausgebildet.
Somit ist der Schließkörper 8 in
diesem Bereich mit seiner Umfangsfläche 60 von der gegenüberliegenden
Umfangsfläche 58 der
Längsbohrung 48 beabstandet.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform (untere
Hälfte
der 3) eines erfindungsgemäßen direktgesteuerten
DBV 2, die an ihrer Längsachse der
vorbeschriebenen Ausführungsform
(obere Hälfte
der 3) gegenübergestellt
ist. Diese weitere Ausführungsform
ist ähnlich
der vorbeschriebenen aufgebaut, jedoch sind Schließkörper 8 und
Federteller 18 zweistückig
ausgebildet und es ist eine Hubhilfe 102 vorhanden. Der
Federteller 18 liegt mit einer Kugelfläche auf einer Kante des Schließkörpers 8 auf.
Der Raum innerhalb der Kante zwischen dem Federteller 18 und
dem Schließkörper 8 ist
zur Axialbohrung 94 offen. Der Raum außerhalb der Kante zwischen
dem Federteller 18 einerseits und dem Schließkörper 8 und
dem Boden 106 des Federraums 14 andererseits ist
außen
um den Federteller 18 herum zum Federraum 14 offen.
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Die Hubhilfe 102 ist stirnseitig
am Ventilkegel 8 als zylindrischer Zapfen mit einer umlaufenden
Umfangskerbe 110 ausgebildet. Ihre Stirnfläche 32 ist abschnittsweise
axial konisch verjüngt,
so daß sich eine
trichterförmige
Ausgestaltung der Stirnfläche 32 ergibt.
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4 zeigt
erfindungsgemäße Bausätze 116a, 116b, 116c für Druckbegrenzungsventile
mit unterschiedlichen Schließkörpergehäusen 26 zur
Anpassung an verschiedene Einbaubohrungsmuster unterschiedlicher
Hersteller. Den Schließkörpergehäusen 26 ist
jeweils ein Federraumgehäuse
(nicht dargestellt) zugeordnet, so daß sich ein komplettes Ventilgehäuse 6 ergibt.
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Erfindungsgemäß verfügen sämtliche Ventilgehäuse 6 über einen
identischen inneren Aufbau, wie ausführlich in den 1 bis 3 beschrieben,
so daß sich
die Geometrie der Längsbohrung 48 und folglich
auch die Geometrie der einzelnen im Ventilgehäuse 6 aufgenommen
Komponenten wie ein Schließkörper oder
eine Feder unabhängig
von wechselnden äußeren Abmessungen
der Schließkörpergehäuse 26 nicht ändern. D.h.
die Ventilgehäuse 6 werden über ihre äußeren Abmessungen
an die verschiedenen herstellerspezifischen Einbaubohrungsmuster
individuell angepaßt,
während
das "Innenleben" gleich bleibt.
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Dies ist insofern vorteilhaft, als
daß die
erfindungsgemäß hergestellten
Druckbegrenzungsventile so herstellerübergreifend verwendet werden
können
und eine höhere
Flexibilität
bei einer Auswahl von Druckbegrenzungsventilen zum Bau oder zur Wartung
einer Anlage realisiert ist.
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Offenbart ist ein direktgesteuertes
Druckbegrenzungsventil mit einem stromabwärts vom Ventilsitz ausgebildeten
Stauraum, der schon bei geschlossenem Ventilsitz zu einem Arbeitsanschluß über eine
umlaufende Schieberkante geöffnet
ist, wobei der Durchflußquerschnitt
zwischen dem Stauraum und dem radialen Arbeitsanschluß in jeder
Position des Schließkörpers größer ist
als der Durchflußquerschnitt
am Ventilsitz. Offenbart ist des Weiteren ein Bausatz für Druckbegrenzungsventile
mit Ventilgehäusen
deren Außenabmessungen
bei identischen inneren Aufbau an verschiedene herstellerspezifische
Einbaubohrungsmuster angepaßt
ist.
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- 2
- Druckbegrenzungsventil
- 4
- Vorspanneinrichtung
- 6
- Ventilgehäuse
- 8
- Schließkörper
- 10
- Feder
- 12
- Ventilsitz
- 14
- Federraum
- 16
- Endabschnitt
- 18
- Federteller
- 20
- zweiter
Endabschnitt
- 22
- Vorspannteller
- 24
- Federraumgehäuse
- 26
- Schließkörpergehäuse
- 27
- Radialbohrung
- 28
- stufenartiger
Endabschnitt
- 30
- Ausnehmung
- 32
- Stirnfläche
- 34
- Ringstirnfläche
- 36
- Längsbohrung
- 38
- erste
Stufe
- 40
- zweite
Stufe
- 42
- dritte
Stufe
- 44
- vierte
Stufe
- 48
- Längsbohrung
- 50
- Mittelbereich
- 52
- Außenumfangsbohrung
- 54
- Innenumfangsbohrung
- 56
- Querbohrung
- 58
- Umfangsfläche
- 60
- Umfangsfläche
- 62
- Ringraum
- 64
- Axialbohrung
- 66
- Schließkörperkante
- 68
- Stauraum
- 70
- Ringspalt
- 72
- Außenwandung
- 74
- Vorspannschraube
- 76
- Feststellmutter
- 78
- Umfangsnut
- 80
- Umfangswandung
- 82
- Sitzfläche
- 84
- Schließkörperfläche
- 86
- Innenumfangswandung
- 88
- Radialstufe
- 90
- Außenumfangsabschnitt
- 92
- Innenumfangsabschnitt
- 94
- Axialbohrung
- 96
- Umfangsnut
- 102
- Hubhilfe
- 104
- Übergangsfläche
- 106
- Boden
- 108
- Stirnfläche
- 110
- Umfangskerbe
- 116
- Bausatz
- 124
- Innenumfangskante