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Die
Erfindung betrifft ein Ventil zur Volumenstromregelung eines Fluids
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Der
elektromagnetische Antrieb zur Erzeugung von Hubbewegungen nach
der
DE 19801529 C2 besteht
aus einem Gehäuse
mit darin angeordneter Erregerwicklung, einer Magnethülse und
einem Magnetanker, wobei die Magnethülse und das Magnetgehäuse kraft-
und formschlüssig
miteinander verbunden und dazwischen magnetisch wirksame Koppelflächen vorhanden
sind.
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Die
DE 10157862 A1 zeigt
ein Solenoidventil, bei dem ein zweiteiliger Stößel in dem Ventil angeordnet ist.
Der Stößel weist
an seinem Kopf eine abgerundete Nase auf, die so bemessen ist, um
mit dem runden, schalenförmigen
Ventilsitz in Eingriff treten zu können. Der Stößel ist
zwischen einer offenen Konfiguration, bei der die abgerundete Nase
von dem Ventilsitz entfernt ist, und einer geschlossenen Konfiguration
bewegbar, bei der die abgerundete Nase mit dem Ventilsitz in Eingriff
steht, um eine Fluidverbindung durch das Ventil hindurch zu blockieren.
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Das
in der
DE 10101247
A1 offengelegte zweistufige Magnetventil enthält eine
Kolbenbaugruppe und Parallelfedern. Die beiden Federn wirken zusammen,
um die Kolbenbaugruppe zu bewegen, um dadurch den Fluidverbindungsweg
zu blockieren, wenn die Spule aberregt ist, wobei die Spule selektiv
erregt wird, um zu veranlassen, dass die Kolbenbaugruppe sich bewegt,
um den Fluidverbindungsweg zu öffnen.
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Die
EP 1 108 638 A1 beschreibt
ein Ventil zur Volumenstromregelung eines Fluids in einer Hilfskraftlenkung.
Ein Anker, an welchem ein Regelstift angeformt ist, wird dabei von
einem Fahrzeug-parameterabhängig
angesteuerten Elektromagneten axial verschoben. Der Regelstift bildet
zusammen mit einem Ventilsitz ein Sitzventil, dessen jeweiliger Öffnungsgrad
so gewählt
wird, dass die von einem Steuerventil der Hilfskraftlenkung einem
Servozylinder zugemessene Fluidmenge möglichst der Durchflussrate
des Sitzventils entspricht. Auf diese Weise kann der Energieverbrauch
einer Lenkhelfpumpe der Hilfskraftlenkung minimiert werden.
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Solche
Sitzventile sind bei der Montage toleranzempfindlich, im Betrieb
schmutzempfindlich und verschleißbehaftet. Sie erzeugen zudem
Betriebsgeräusche
durch hydraulisches Anschlagen usw.. Zudem ist der interne Fluid-
oder Ölausgleich
solcher Ventile zur Volumenstromregelung nicht optimal.
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Es
sind Ventile zur Volumenstromregelung bekannt, bei denen zum Zweck
des internen Fluid- oder Ölausgleiches
der Anker und Regelstift eine zentrale, axiale Bohrung aufweisen.
Die Bohrungslänge
zusammen mit dem geringen Bohrungsdurchmesser erfordern jedoch einen
entsprechenden Fertigungsaufwand.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil zur Volumenstromregelung
eines Fluids zu schaffen, das bei einfacher Fertigung und Montage
einen gleichbleibenden energiesparenden Betrieb einer Pumpe ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird mit einem Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1
gelöst.
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Um
das Ventil toleranzunempfindlich in der Fertigung und Montage zu
gestalten, ist vorgesehen, den Anker und den Regelstift als getrennte
Bauteile auszubilden, die vorzugsweise ausschließlich kraftschlüssig aneinander
liegen und somit in Bezug auf axiale Bewegungen des Ankers wirkverbunden
miteinander sind. Dadurch lässt
sich die axiale Länge
von Anker und Regelstift im Vergleich zu der bekannten Baueinheit
von Anker und Regelstift verkürzen.
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Anker
und Regelstift lassen sich in gewissen Grenzen in der Montage und
im Betrieb innerhalb eines Gehäuses
des Wandlers radial gegeneinander verschieben, was ein Verklemmen
im Betrieb des Wandlers und Ventils vermeidet und die Dynamik des
Ventils und auch den betriebsbedingten Verschleiß deutlich verbessert. Der
Viskositätseinfluss
des Fluids kann insbesondere durch ein vergleichsweise groß gewähltes Spiel
der Regelstiftführung
minimiert werden.
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Bevorzugt
wird der Regelstift durch ein Federelement in axialer Richtung an
den Anker angelegt, wobei die Vorspannung des Federelementes justierbar
sein kann. Durch diese Justagemöglichkeit
ist der Beginn und das Ende des elektrischen Regelbereiches des
Wandlers einstellbar.
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Zum
internen Fluid- oder Ölausgleich
sind in dem Anker und in dem Regelstift jeweils eine zentrale, axiale
Bohrung vorgesehen, die etwa zentrisch im montierten Zustand von
Anker und Regelstift zueinander liegen. Die Bohrlänge der
Bohrungen ist durch die einzelne Fertigung von Anker und Regelstift
im Vergleich zu einer verbundenen Bauweise von Anker und Regelstift
deutlich verkürzt.
Dadurch ist der Fertigungsaufwand dieser Bohrungen minimiert.
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Zur
Selbstzentrierung des Regelstiftes gegenüber dem Anker ist es sinnvoll,
die zentrale, axiale Bohrung in dem Anker mit einem größeren Durchmesser
als die zentrale, axiale Bohrung in dem Regelstift zu versehen.
Insbesondere, wenn das an dem Anker und dessen zentraler, axialer
Bohrung anliegende Regelstiftende konvex oder konisch gebildet ist,
ist auf einfache Weise ein dichtender, zentrierter Sitz des Regelstiftes
an dem Anker ermöglicht.
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Ist
der Regelstift aus Vollmaterial gebildet, so kann es zweckmäßig sein,
die zentrale, axiale Bohrung in dem Regelstift als Stufenbohrung
auszubilden. An dem, dem Anker abgewandten Regelstiftende ist der Bohrungsdurchmesser,
entsprechend des dort vorzugsweise sich verjüngenden Querschnitts oder des
konischen Querschnittverlaufs des Regelstifts kleiner als im Regelstift
selbst. Der Regelstift lässt
sich aber auch vereinfacht aus Rohrmaterial mit konstantem Innendurchmesser
darstellen.
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Zum
Fluid- oder Ölausgleich
des Ventils kann es ferner zweckmäßig sein, in dem Anker mit
radialem Abstand zu der zentralen, axialen Bohrung ein oder mehrere
axiale Bohrungen durch den Anker zu führen. Alle Bohrungen in dem
Anker und Re gelstift können
durch zwei kurze in axial entgegengesetzter Richtung, von beiden
Seiten des Ankers und des Regelstiftes aus durchgeführte Bohrungen
dargestellt werden.
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Das
Ventil ist so gebildet, dass der in die Blende ragende Regelstift
in jeder Betriebsposition einen freien Ringquerschnitt zwischen
Blende und Regelstift offen lässt.
Die Blende weist somit einen größeren Innendurchmesser
als der in sie eingreifende Regelstiftabschnitt auf.
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Zur
leichten Austauschbarkeit des Wandlers ist es vorgesehen, die Blende
in einem von dem Gehäuse des
Wandlers separaten Gehäuse,
das beispielsweise das Gehäuse
der Lenkhelfpumpe sein kann, anzuordnen. Die Blende kann als eigenständiges Bauelement
des Ventils in einem Sitz des Lenkhelfpumpen-Gehäuses verpresst sein, wobei
die axiale Position der Blende relativ zu dem Wandler oder dessen
Regelstift in einem Toleranzbereich wählbar ist.
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Um
mit nur einer einzigen Blende die Regelung der Durchflussrate an
dem Ventil zu bewirken, ist vorzugsweise der Regelstift an seinem
der Blende zugewandten Ende verjüngt
oder konisch ausgebildet. Zudem kann es zweckmäßig sein, anstelle oder zusätzlich zu
der Verjüngung
des Regelstiftendes die Blende so auszubilden, dass diese sich zu
dem Regelstift hin erweitert. Diese konstruktiven Maßnahmen
bewirken außerdem
ein verbessertes Kaltstartverhalten der Anordnung bestehend aus
Ventil und Lenkhelfpumpe.
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Ein
Einschraubzylinder birgt und führt
den Anker und den Regelstift und dient zur einfachen, patronenartigen
Festlegung des Wandlers an einem Gehäuse. Den Einschraubzylinder
umgibt im Axialbereich des Ankers ein Elektromagnet. Der Einschraubzylinder
kann auch in einem Einschraubstück
verschraubt sein, wobei das Einschraubstück die Führung des Regelstiftes übernehmen
kann. Zu diesem Zweck ist eine Lagerbuchse in dem Einschraubstück vorgesehen,
wobei die axiale Position der Lagerbuchse einstellbar sein kann.
Auf der Lagerbuchse kann sich im Inneren des Einschraubstückes eine
Schraubenfeder abstützen,
die um den Regelstift angeordnet ist. Die Schraubenfeder drückt über ihre
Anlage an einem Bund des Regelstiftes den Regelstift gegen die zentrale,
axiale Bohrung des Ankers. Durch Verstellen der axialen Position
der Lagerbuchse kann die Federkraft der Schraubenfeder beeinflusst
und eingestellt werden.
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Durch
den patronenartigen Aufbau des Wandlers mit dem Einschraubzylinder
ergeben sich eine Reduzierung der Dichtstellen und ein geringer
Einbauraum. Der Wandler ist leicht montierbar und nicht ungewollt manipulierbar.
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Der
Einschraubzylinder kann aus magnetischem und/oder unmagnetischem
Werkstoff gebildet sein, wobei durch eine Abfolge von magnetischem
und unmagnetischem Werkstoff in axialer Richtung des Einschraubzylinders
eine magnetische Trennung ermöglicht
ist. Unmagnetischer Werkstoff wird bevorzugt im Bereich der Trennstelle
zwischen dem Anker und dem Regelstift angewandt. Der Einschraubzylinder
kann in diesem Bereich aus Messing gebildet sein.
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Um
eine verlustarme Strömungsumlenkung
an dem Regelstiftende und durch die Blende zu erzielen, ist die
Stirnseite des Einschraubstückes,
welche der Blende zugewandt ist, konkav ausgebildet. Dieser konkave
Ringquerschnitt an dem Einschraubstück stellt eine geeignete Umlenkgeometrie
zur gerichteten Strömungsführung auf
die Blende hin dar.
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An
seinem, dem Einschraubstück
gegenüberliegenden
Ende, ist der Einschraubzylinder mit einem Deckel oder Boden versehen,
welcher im Inneren des Einschraubzylinders einen Ringkeil aufweist.
Der Ringkeil bildet mit dem Fluid zwischen Anker und Deckel einen
Dämpfer
und Anschlag für
den Anker. Fluid wird dabei in der zentralen, axialen Bohrung des
Ankers, den weiteren Bohrungen in dem Anker und der zentralen, axialen
Bohrung in dem Regelstift bewegt.
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In
einer besonders bevorzugten Anordnung des Ventils zur Volumenstromregelung
in einem Gehäuse wird
das Fluid durch das Ventil um etwa 145° umgelenkt und von dem Einschraubstück an dem
Einschraubzylinder des Wandlers weg durch die Blende geführt. Das
Ventil ist dabei druckseitig in einem Gehäuse einer als Flügelzellenpumpe
ausgebildeten Lenkhelfpumpe angeordnet und beeinflusst, unabhängig von
der Drehzahl der Lenkhelfpumpe, den Volumenstrom der Lenkhelfpumpe.
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Das
Ventil bewirkt eine Volumenstromabsenkung am Ausgang der Lenkhelfpumpe
und eine Absenkung des Fluiddruckes.
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Bevorzugt
ist die Längsachse
des Ankers und des Regelstiftes etwa 90° zu der Längsachse einer Ventilbohrung
eines Stromregelventils der Lenkhelfpumpe ange ordnet. Das Stromregelventil
bildet die Druckwaage in der Lenkhelfpumpe.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung gezeigt. In der
Zeichnung zeigt:
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1 Einen
Längsschnitt
durch ein Ventil zur Volumenstromregelung,
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2 eine
Ansicht des Ventils in 1 in einem teilweise geschnitten
dargestellten Gehäuse
einer Lenkhelfpumpe,
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3 einen
Längsschnitt
durch ein Regelstiftende und ein Einschraubstück eines Ventils zur Volumenstromregelung,
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4 einen
teilweisen Längsschnitt
durch einen Regelstift in einer Lagerbuchse.
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In 1 ist
ein Längsschnitt
durch ein Ventil 1 zur Volumenstromregelung eines Fluids 2 entlang
einer Längsachse 29 des
Ventils 1 gezeigt.
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Das
Ventil 1 ist als elektromagnetisch betätigtes Proportionalventil ausgebildet
und besteht aus einem Wandler 4, welcher im wesentlichen
aus einem Einschraubzylinder 22 mit einem darin geführten Anker 5 und einem
Regelstift 7 gebildet ist. Der Einschraubzylinder 22 ist
im axialen Bereich des Ankers 5 von einem Elektromagneten 6 umgeben,
welcher den Anker 5 um einen axialen Weg s auf den Regelstift 7 zu
bewegen kann.
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Der
Regelstift 7 tritt an einem axialen Ende 33 des
Einschraubzylinders 22 aus diesem aus und ragt mit seinem
Ende 14 in Ruheposition über seinen Abschnittsbereich 17 in
eine Blende 8. Die Blende 8 ist in einem Gehäuse 19 angeordnet,
das von einem Gehäuse 18,
welches den Wandler 4 umgibt, getrennt ausgebildet ist.
An seinem, dem axialen Ende 33 gegenüberliegenden Ende 26 ist
der Einschraubzylinder 22 mit einem Boden 27 abgeschlossen.
Der Boden 27 trägt
einen Ringkeil 34, der in das Innere des Einschraubzylinders 22 ragt
und als Anschlag für
den Anker 5 dient. Der Regelstift 7 und der Anker 5 sind
als getrennte Bauteile gebildet, wodurch zentrale, axiale Bohrungen 9, 10 zum
Fluidausgleich in den Anker 5 und den Regelstift 7 einfach
einbringbar sind. In den gezeigten Ausführungsbeispielen sind diese
Boh rungen 9, 10 durch zwei kurze, in jeweils axial
entgegengesetzter Richtung, also von beiden Seiten des Ankers 5 und
des Regelstiftes 7, geführte
Bohrungen dargestellt. Die Bohrungen 9, 10 fluchten
im montierten Zustand von Anker 5 und Regelstift 7 und
haben die gemeinsame Längsachse 29.
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In
den Anker 5 sind, wie die 1 zeigt,
zwei weitere axiale Bohrungen 15 mit Abstand von der Längsachse 29 und
sich gegenüberliegend
angebracht. Die Bohrungen 15 dienen ebenso zum Fluidausgleich
im Bewegungsbereich des Ankers 5 in dem Einschraubzylinder 22.
Der Anker 5 und der Regelstift 7 sind kraftschlüssig mit
Hilfe einer zylindrischen Schrauben-Druckfeder 35 aneinander
gehalten. Die Schrauben-Druckfeder 35 stützt sich
an einem ringförmigen
Boden 36 des Einschraubzylinders 22 und einem
Bund 37 an dem Regelstiftende 21, welches dem
Anker 5 benachbart ist, ab.
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Wie 4 zeigt,
kann anstatt des Bodens 36 des Einschraubzylinders 22 eine
in den Einschraubzylinder 22 eingeschraubte oder eingepresste
Lagerbuchse 24 als Anschlag für die Schrauben-Druckfeder 35 dienen.
Die Lagerbuchse 24 dient zur Führung des Regelstiftes 7 und
als verstellbarer Anschlag mit Hilfe dessen die Federkraft der Schrauben-Druckfeder 35 und
damit Beginn und Ende des elektrischen Regelbereiches des Ventils 1 eingestellt
werden kann. Insgesamt bildet der Wandler 4 eine kompakte,
rasch austauschbare, aber von außen nicht manipulierbare Einheit.
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Das
Regelstiftende 14, welches der Blende 8 zugewandt
ist, und das dem Anker 5 zugewandte Ende 21 des
Regelstiftes 7 verjüngen
sich zum Beispiel konisch. Da der Durchmesser 11 der zentralen,
axialen Bohrung 9 in dem Anker 5 größer als
der Durchmesser 12 der Bohrung 10 in dem Regelstift 7 ist,
kann das konisch geformte Ende 21 des Regelstiftes 7 sich
an der Bohrung 9 zentrieren und liegt dichtend an dieser
an. Gleichwohl ist aber dadurch ein Radialspiel des Regelstiftes 7 ermöglicht.
Dies führt
zu einer verschleißarmen,
die Dynamik des Ventils 1 verbessernden Führung des
Regelstiftes 7. Der in den 1 bis 4 dargestellte
Regelstift 7 ist aus Vollmaterial, wie etwa aus Messing
gebildet. Im Gegensatz zu Rohrmaterial, welches ebenfalls zum Einsatz
kommen kann, ist dadurch eine Stufenbohrung mit einem kleineren
Durchmesser 13 an dem, dem Anker 5 abgewandten
Regelstiftende 14 als der Durchmesser 12 der Bohrung 10 in
dem Regelstift 7 darstellbar.
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In 1 ist
der Anker 5 und der Regelstift 7 in einer Ruheposition
gezeigt. Die Schrauben-Druckfeder 35 drückt an dem Bund 37 des
Regelstiftes 7 den Regelstift 7 axial gegen den
Anker 5. Der Anker 5 stützt sich an dem Ringkeil 34 des
Bodens 27 am axialen Ende 26 des Einschraubzylinders 22 ab.
Bei Bestromung des Elektromagneten 6 kann der Anker 5 in
Richtung auf den Regelstift 7 bis zum Anschlag an eine
Scheibe 38 bewegt werden. Die Scheibe 38 ist im
Bundbereich des Regelstiftes 7 in den Einschraubzylinder 22 eingepresst
und wird in der Ruheposition des Regelstiftes 7 von seinem
axialen Ende 21 durchragt. Die Scheibe 38 ist
aus Messing gebildet.
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Der
Anker 5 legt bis zu der Scheibe 38 den Weg s zurück. Eine
weitgehende magnetische Trennung übernimmt in dem Einschraubzylinder 22 ein
ringförmiger
Wandabschnitt 39 des Einschraubzylinders 22. Der Wandabschnitt 39 ist
aus unmagnetischem Material und liegt in der Kontur des Einschraubzylinders 22.
Im übrigen
kann der Einschraubzylinder 22 aus magnetischem Material
oder gänzlich
aus unmagnetischem Material gebildet sein.
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Wie
die 1 und 4 zeigen, ragt der Regelstift 7 mit
seinem, dem Anker 5 abgewandten Regelstiftende 14 über seinen
axialen Abschnittsbereich 17 in die Blende 8,
die etwa in einem Gehäuse 20 einer Lenkhelfpumpe 3 angeordnet
sein kann (vgl. 2). Die Blende 8 hat
in Ruheposition und in allen Betriebspositionen des Regelstiftes 7 einen
größeren Innendurchmesser 16 als
der Außendurchmesser
des in sie eingreifenden Regelstift-Abschnittes 17. Die
Blende 8 kann u. a. auch deshalb in einem Toleranzbereich
in axialer Richtung zu dem Regelstsift 7 eingebaut sein.
In 1 ist die Blende 8 sich konisch zu dem
Regelstift 7 erweiternd dargestellt, während sie in 4 innen
zylindrisch dargestellt ist. Mit nur einer Blende kann auf diese Weise
die Volumenstromregelung über
den gesamten notwendigen Volumenstrombereich dargestellt werden.
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Der
Regelstift 7 und auch die Blende 8 lassen sich
flexibel, in Abhängigkeit
von der gewünschten Kennlinie
des Ventils 1 austauschen, sodass verschiedene geometrische
Verhältnisse
im Bereich der Blende 8 darstellbar sind. Dadurch, dass
kein Sitzventil oder Schieberventil gebildet ist, entsteht im Bereich
der Blende 8 keine Reibung und auch kein Verschleiß. Brummgeräusche oder
Geräusche
durch hydraulisches Anschlagen entstehen durch die erfindungsgemäße Ventilkonstruktion
ebensowenig, wie Aufschlaggeräusche
des Regelstiftes 7 bei hochdynamischen Lastwechseln.
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Wie 2 zeigt,
ist das Ventil 1 in dem Gehäuse 20 einer als Flügelzellenpumpe 28 ausgebildeten Lenkhelfpumpe 3 so
eingebaut, dass die Längsachse 29 des
Wandlers 4 etwa 90° zu
einer Längsachse 30 einer
Ventilbohrung 31 eines Stromregelventils 32 angeordnet
ist. Ein nicht gezeigter Steuerkolben, der sich in der Ventilbohrung 31 axial
verschieben lässt,
bildet eine Druckwaage. Die Druckwaage kann mit dem Ventil 1 verstimmt
werden. Zu diesem Zweck ist ein Kanal 40 von einem druckseitigen
Abgang der Flügelzellenpumpe 28 schräg mit einem
Winkel α von
etwa 35° zu
der Längsachse 29 des
Wandlers 4 an ein Einschraubstück 23 geführt. Das
Einschraubstück 23 ist
in 3 in einem Längsschnitt
vergrößert dargestellt.
In dem Einschraubstück 23 ist
der Einschraubzylinder 22 festgelegt und über ein
Gewinde 41 wiederum in dem Gehäuse 20 der Lenkhelfpumpe 3 festgelegt.
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Wie 3 zeigt,
weist das Einschraubstück 23 auf
seiner, der Blende 8 zugewandten Stirnweite 25 einen
konkaven Ringquerschnitt auf. Dieser konkave Ringquerschnitt wird
von Fluid 2, welches sich in dem Kanal 40 bewegt,
angeströmt.
Dabei wird das Fluid 2 verlustarm um etwa 145° an der durch
den konkaven Ringquerschnitt dargestellten Umlenkgeometrie umgelenkt
und gerichtet und beruhigt zu der Blende 8 gelenkt, um
durch den freien Blendenquerschnitt geführt zu werden. Das Fluid 2 gelangt
zu einem Abgang 42 des Gehäuses 20 (vgl. 2)
und wird über
ein Steuerventil einem Verbraucher, wie etwa einem Servozylinder
zugeführt.
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Das
Ventil
1 ermöglicht
eine stark beruhigte Blenden-Anströmung auf kleinstem Raum und
baut sehr kompakt. Ein elektrischer Anschluss
43 für den Wandler
4 ist
leicht zugänglich
zu positionieren. Die Montage des Wandlers
4 kann mit nur
einer an dem Einschraubzylinder
22 angebrachten Schlüsselweite
komplett vorgenommen werden. Der Wandler
4 kann separat
zu der Gehäusemontage
der Lenkhelfpumpe
3 und der Blende
8 aufgebaut
und montiert werden. BEZUGSZEICHENLISTE
1 | Ventil | 26 | Ende,
axial v. 22 |
2 | Fluid | 27 | Boden |
3 | Lenkhelfpumpe | 28 | Flügelzellenpumpe |
4 | Wandler | 29 | Längsachse
v. 5, 7 |
5 | Anker | 30 | Längsachse
v. 31 |
6 | Elektromagnet | 31 | Ventilbohrung |
7 | Regelstift | 32 | Stromregelventil |
8 | Blende | 33 | Ende,
axial v. 22 |
9 | Bohrung
in 5 | 34 | Ringkeil |
10 | Bohrung
in 7 | 35 | Schrauben-Druckfeder |
11 | Durchmesser
v. 9 | 36 | Boden
v. 22 |
12 | Durchmesser
v. 10 | 37 | Bund |
13 | Durchmesser
v. 10 | 38 | Scheibe |
14 | Regelstiftende | 39 | Wandabschnitt
v. 22 |
15 | Bohrung | 40 | Kanal |
16 | Innendurchmesser
v. 8 | 41 | Gewinde
an 23 |
17 | Regelstiftabschnitt | 42 | Abgang |
18 | Gehäuse v. 4 | 43 | elektrischer
Anschluss |
19 | Gehäuse | | |
20 | Gehäuse v. 3 | | |
21 | Regelstiftende | | |
22 | Einschraubzylinder | | |
23 | Einschraubstück | | |
24 | Lagerbuchse | | |
25 | Stirnseite
v. 23 | | |
| | | |
| | | |
s | Weg | | |
α | Winkel | | |
| | | |