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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Dämpfen von Druckstößen bei
Hydrospeichern, insbesondere bei Kolbenspeichern, die Bestandteil
des Speichers ist und die in der Art einer Drossel auf die Fluidströmung einwirkt,
die sich zwischen Teilen des Speicherinneren und einem hydraulischen
Netz einstellt, an das der Speicher anschließbar ist, wobei die Drossel
aus mindestens einer Durchtrittsstelle vorgebbaren Querschnitts
in einem Ventilteil gebildet ist, das in seiner einen Ventilstellung
bis auf die jeweilige Durchtrittsstelle den Fluidstrom unterbricht
und in der anderen Ventilstellung im wesentlichen freigibt.
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Hydrospeicher
sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen
auf dem Markt frei erhältlich.
Die wesentlichen Anwendungen dahingehender Hydrospeicher liegen
in der Energiespeicherung, der Notbetätigung, der Leckölkompensation
sowie der Schockabsorption und Pulsationsdämpfung. Die häufigsten
Bauformen an Hydrospeichern sind solche mit Trennglied und in Abhängigkeit
des jeweils eingesetzten Trenngliedes werden Blasenspeicher, Membranspeicher
und Kolbenspeicher voneinander unterschieden. Die Wirkungsweise
aller dieser Speicher basiert darauf, dass die Kompressibilität eines
Gases zur Flüssigkeitsspeicherung
ausgenutzt wird, wobei häufig
Stickstoff als Energieträger
dient. Somit bestehen die hydropneumatischen Speicher aus einem Flüssigkeits-
und einem Gasteil mit ei nem gasdichten Trennelement. Der Flüssigkeitsteil
steht dabei mit dem hydraulischen Netz in Verbindung, so dass beim Ansteigen
des Druckes das Gas auf der Gasseite im Speicher komprimiert wird.
Analog kann bei einem Druckabfall auf der Netzseite das verdichtete
Gas im Speicher expandieren und die gespeicherte Hydraulikflüssigkeit
wird dadurch wieder in das Netz verdrängt.
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Der
klassische Aufbau eines Kolbenspeichers ist durch ein äußeres Zylinderrohr
als Speichergehäuse
charakterisiert, in dem ein Kolben mit seinem Dichtungssystem längsverfahrbar
aufgenommen ist. Stirnseitige Verschlußdeckel am Speichergehäuse begrenzen
zwei Arbeitsräume
im Speicher, von denen wiederum der eine das Gas aufnimmt und der
andere fluidführend
an das hydraulische Netz angeschlossen ist.
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Um
auftretende Druckstöße im Speicherinneren
eines Hydrospeichers zu mindern, sind im Stand der Technik bereits
Dämpfungsvorrichtungen (Membranspeicher
SB 0210-0,32E2 der Firma Hydac) vorgeschlagen worden, die an der
Fluideintrittsseite des Speichers und als integraler Bestandteil desselben
ein in Längsrichtung
des Speichers verfahrbares Ventilteil aufweisen, das in einem Ventilgehäuse geführt und
mit einer Durchtrittsstelle für
Fluid versehen ist. Kommt es von seiten des hydraulischen Netzes
zu einem Druckstoß,
gelangt dieser an die Fluidanschlußstelle des Hydrospeichers
und der Druckstoß im
hydraulischen Netz schließt
gegen den Fluidinnendruck des Speichers das Ventilteil, das dergestalt
in schließende
Anlage mit dem Ventilgehäuse
gelangt. Über
eine im Ventilteil angeordnete mittige Durchtrittsbohrung als Durchtrittsstelle
gelangt jedoch nach wie vor, aber nunmehr in gedrosselter Form,
Fluid vom hydraulischen Netz ins Innere des Speichers, und zwar
bezogen auf seine Fluidseite.
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Durch
die dahingehende Androsselung des Fluidstromes bei geschlossenem
Ventilteil über
die in der Art einer Drossel konzipierte Durchtrittsstelle in Form
der Längsbohrung
ist der Druckstoß reduziert, wobei
jedoch nach wie vor Fluid nunmehr mit geringerer Einströmmenge in
das Innere des Speichers eintritt. Im umgekehrten Fall, also bei
Abnahme des Fluiddruckes auf der hydraulischen Netzseite, veranlaßt der Speicherdruck
ein Öffnen
des Ventilteils und Fluid strömt
vom Inneren des Speichergehäuses über freigegebene Öffnungsquerschnitte
im Ventilteil ab, wobei in Abhängigkeit
der Drucksituation noch ein Teil des Fluidstromes über die
Durchtrittsstelle in der Art einer Drossel geführt wird. Aufgrund der Ausgestaltung
der Drosselstellung bei der bekannten Lösung in der Art einer Bohrung
mit kurzer Kanallänge kommt
es beim Durchströmen
derselben zu Turbulenzen und mithin zu Kavitätserscheinungen an den die
Durchtrittsstelle begrenzenden Werkstoffteilen des Ventilteils und/oder
des Speichergehäuses.
Neben der schädlichen
Kavitätswirkung
bewirken die Turbulenzen aber auch, dass der Fluidstrom in und aus
dem Speicher gestört
ist, was sich nachteilig auf die gesamte Energiebilanz von Speichern
nebst hydraulischem Netz auswirken kann. Des weiteren ist das Öffnen und
Schließen
des Ventilteils mit einer relevanten Geräuschentwicklung verbunden,
was beim Betrieb dahingehender hydraulischer Anlagen sich sehr störend auswirken
kann.
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Durch
die
DE 102 14 871
A1 ist eine Vorrichtung zum Dämpfen von Druckstößen bekannt,
insbesondere in der Art eines Druckmittelspeichers mit einem Gehäuse, dessen
Innenraum durch ein Medientrennungselement in zwei Kammern unterteilt
ist, wobei die erste Kammer mit einem Gas und die zweite Kammer
mit einer Flüssigkeit
gefüllt
ist und wobei in einem hydraulischen Anschluß ein Bodenventil vorgesehen
ist, das ein Befüllen
der zweiten Kammer mit Flüssigkeit
ermöglicht
und ein vollständiges
Entleeren der zweiten Kammer verhindert, dessen Schließkörper durch
das Medien trennungselement betätigbar
ist. Ferner sind Mittel zum Drosseln des während des Füllvorganges der zweiten Kammer
zuzuführenden
Druckmittelvolumenstroms vorgesehen, die erst nach vollständiger Öffnung des
Bodenventils den vollen Druckmittelvolumenstrom freigeben.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
die bekannten Dämpfungsvorrichtungen
dahingehend weiter zu verbessern, dass Geräuschemissionen weitestgehend
im Betrieb vermieden sind, dass die Gesamt-Energiebilanz von dahingehenden
Speicherlösungen
verbessert ist und es nicht zu materialschädigenden Kavitätserscheinungen
kommt. Eine dahingehende Aufgabe löst eine Vorrichtung mit den
Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit.
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Dadurch,
dass gemäß dem kennzeichnenden
Teil des Patentanspruches 1 die jeweilige Durchtrittsstelle an mindestens
einem ihrer freien Enden mit einer trichterförmigen Erweiterung versehen
ist, wobei die Erweiterung sich in Richtung des Speicherinneren
oder des hydraulischen Netzes orientiert, kommt es aufgrund des
Trichtereffektes zu einer deutlichen Reduzierung an Geräuschemission
während
des Betriebes, insbesondere beim Dämpfen der einzelnen Druckstöße im hydraulischen
Netz. Die trichterförmige
Erweiterung führt
aber nicht nur zu einer Geräuschreduzierung,
sondern der in die Durchtrittsstelle eingeleitete Druckstoß wird fluidmechanisch
derart beherrscht, dass Turbulenzen und mithin Kavitätserscheinungen
am Ventilteil vermieden sind. Des weiteren hat es sich gezeigt,
dass durch die trichterförmige
Erweiterung für
die jeweilig Durchtrittsstelle insgesamt das laminare Ein- und Ausströmverhalten
für das
Fluid in bzw. aus dem Speicher verbessert ist, was sich gesamt-energiebilanzmäßig günstig auf
den Betrieb einer Hydraulikanlage auswirkt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung
ist die jeweilige Durchtrittsstelle aus einem Mittenkanal im Ventilteil
gebildet, wobei die trichterförmige
Erweiterung an beiden Enden des Mittenkanals vorhanden ist. Vorzugsweise
ist dabei auch nur eine Durchtrittsstelle im Ventilteil entlang
seiner Längsachse
vorhanden. Der genannte Mittenkanal läßt sich von seiner Gesamtlänge her
entsprechend groß auslegen,
was sich günstig
auf das Gesamt-Strömungsverhalten
innerhalb der Durchtrittsstelle in den beiden endseitig angeordneten
trichterförmigen
Erweiterungen auswirkt.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung
ist das Ventilteil in der Art eines Ventilkolbens ausgebildet, der über stegartige
Verlängerungen
an einem seiner Enden verfügt.
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Die
dahingehenden Verlängerungsstege
erlauben eine sichere Führung
des Ventilteils in seinem Ventilgehäuse oder entlang von Teilen
des Speichers im Bereich der Fluidanschlußstelle. Vorzugsweise sind
hierfür
die stegartigen Verlängerungen
außenumfangsseitig
mit zylindrischen Führungsflächen entlang
des Gehäuses
des Ventilteils geführt, über das
sich das Ventilteil an einem Gehäuseende
des Speichers festlegen läßt.
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Mit
der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung,
im wesentlichen bestehend aus dem in einem Ventilgehäuse geführten Ventilteil
nebst Durchtrittsstelle mit endseitig angeordneten trichterförmigen Erweiterungen
sowie den stegartigen Verlängerungen,
ist eine Art Wechsel-Drosselsystem gebildet, das es erlaubt, entweder
beim Fluideintritt in den Speicher druckstoßbedingt das Ventilteil zu
schließen
und den Druckstoß über die
Durchtrittsstelle anzudrosseln, wobei dann in umgekehrter Richtung über das Öffnen des
Ventilteils im wesentlichen der Fluidweg freigegeben wird für eine ungehemmte
Fluidströmung
vom Inneren des Speichers in das hydraulische Netz; es besteht aber
auch die Möglichkeit,
die genannte Einbaufolge umzudrehen, insbesondere das Ventilteil
um 180° gedreht
in seinem Ventilgehäuse
anzuordnen mit der Folge, dass dann das Ausströmen aus dem Speicher in Richtung
des hydraulischen Netzes durch Schließen des Ventilteils und über die
Durchtrittsstelle angedrosselt wird, wohingegen in umgekehrter Richtung
bei Einströmen von
Fluid vom hydraulischen Netz in den Speicher dies entlang den stegartigen
Verlängerungen
im wesentlichen ungestört
vonstatten geht, wobei der freie Fluidquerschnitt der drosselartigen
Durchtrittsstelle noch mit einbezogen ist.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung
sind Gegenstand der sonstigen Unteransprüche.
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Im
folgenden wird die erfindungsgemäße Dämpfungsvorrichtung
anhand eines Ausführungsbeispiels
nach der Zeichnung näher
erläutert.
Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die
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1 einen Längsschnitt
durch die Dämpfungsvorrichtung,
eingebaut in die Fluidanschlußstelle
eines nicht näher
dargestellten Hydrospeichers, insbesondere in Form eines Kolbenspeichers;
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2 in der Art einer Explosionszeichnung die
wesentlichen Teile der Dämpfungsvorrichtung, bestehend
aus einem Ventilgehäuse
und dem Ventilteil.
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Die
in den Zeichnungen dargestellte Vorrichtung dient dem Dämpfen von
Druckstößen bei
Hydrospeichern, insbesondere bei Kolbenspeichern üblicher
Bauart, wobei in der 1 nur
ein Teil einer Speichergehäusewandung 10 eines
Kolbenspeichers wiedergegeben ist, das auch den Deckelteil eines üblichen
Speichergehäuses
bilden kann. Der Aufbau von Kolbenspeichern ist im Stand der Technik allgemein
bekannt und beispielsweise im „Hydrauliktrainer", Band 3, der Mannesmann-Rexroth
AG eingehend beschrieben. Soweit in der 1 ein Teil 10 des Gesamtspeichergehäuses dargestellt
ist, betrifft der dahingehende Ausschnitt die Fluideintrittsstelle 12 des
Speichers und über
eine Anschlußstelle 14 läßt sich
die dahingehende Fluideintrittsstelle 12 des Speichergehäuses 10 an
ein nicht näher
spezifiziertes und dargestelltes hydraulisches Netz mit weiteren hydraulischen
Einrichtungen, beispielsweise in Form von Arbeitszylindern, Hydropumpen
od. dgl., anschließen.
Auch der dahingehende Aufbau und Anschluß von Speichern an hydraulische
Netze ist im Stand der Technik hinreichend bekannt, so dass an dieser
Stelle hierauf nicht mehr näher
eingegangen wird. Zwischen Fluideintrittsstelle 12 und
Anschlußstelle 14 ist
das Kammervolumen des Speichers zur Aufnahme eines als Ganzes mit 16 bezeichneten Ventilteils
erhöht.
Das dahingehende Ventilteil 16 ist längsverfahrbar entlang einer
vor gebbaren Wegstrecke in einem kreiszylindrischen Ventilgehäuse 18 geführt, das
an seinem in Blickrichtung auf die 2 gesehen
oberen Ende mit einem Gewinde 20 versehen ist zum Einschrauben
des Ventilgehäuses 18 entlang
der Innenwand des Speichergehäuses 10 (in 1 nicht dargestellt). Die 1 betrifft des weiteren
einen Längsschnitt
durch das Ventilteil 16 nebst Ventilgehäuse 18, wie dies in
der 2 in der Art einer
Explosionszeichnung dargestellt ist.
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Mit
dem genannten Ventilteil 16 läßt sich dergestalt auf die
Fluidströmung
einwirken, die sich zwischen Teilen des Speicherinneren und dem
hydraulischen Netz einstellt, also zwischen der Fluideintrittsstelle 12 und
der Anschlußstelle 14 an
das Netz. Für die
dahingehende Ansteuerung weist das Ventilteil 16 entlang
seiner Längsachse 22,
die deckungsgleich ist mit der Längsachse
des Speichergehäuses 10,
eine einzige Durchtrittsstelle 24 in der Art eines Mittenkanals
auf. Der dahingehende Mittenkanal weist an seinen beiden Enden jeweils
eine trichterförmige
Erweiterung 26, 28 auf, wobei die in Blickrichtung
auf die 1 gesehen obere
trichterförmige
Erweiterung 26 sich in Richtung der Fluideintrittsstelle 12 erweiternd
in diese mündet.
Die weitere trichterförmige
Erweiterung 28 am gegenüberliegenden
unteren Ende erweitert sich trichterförmig in Richtung der Anschlußstelle 14 an
das nicht näher
dargestellte hydraulische Netz. Des weiteren ist die Gesamtlänge der
beiden Erweiterungen 26, 28 gemessen in Richtung
der Längsachse 22 etwas
geringer als die Gesamtlänge
des sich zwischen den beiden Erweiterungen 26, 28 erstreckenden
kreiszylindrischen Mittenkanals, der neben den beiden Erweiterungen 26, 28 die
Durchtrittsstelle 24 bildet. Des weiteren ist der größte Durchmesser
der jeweiligen Erweiterung 26, 28 kleiner gewählt als
der Durchmesser der benachbart zuordenbaren Fluideintrittsstelle 12 bzw.
Anschlußstelle 14.
Aufgrund der Erweiterungen 26, 28 sind scharfkantige
Materialübergänge vermieden, was
sich unter anderem günstig
auf ein niedriges Geräuschemissionsverhalten
auswirkt.
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Wie
sich des weiteren aus der 2 ergibt, ist
das Ventilteil 16 in der Art eines Ventilkolbens ausgebildet,
der in Blickrichtung auf die 2 gesehen an
seinem unteren Ende mit drei stegartigen Verlängerungen 30 versehen
ist. In Umfangsrichtung des Ventilteils 16 betrachtet weisen
alle drei stegartigen Verlängerungen 30 einen
konstanten Abstand voneinander auf. Gemäß der Längsschnittdarstellung ist in
der 1 nur der in Blickrichtung
auf die 2 gesehen äußerst rechte
Verlängerungssteg 30 dargestellt
und der nachfolgende Verlängerungssteg 30 in stirnseitiger
Ansicht, wobei die dahingehende Ansichtsfläche in den Figuren mit 32 wiedergegeben
ist. Die stegartigen Verlängerungen 30 sind
außenumfangsseitig
mit zylindrischen Führungsflächen 34 versehen,
die dergestalt das Entlanggleiten des Ventilkolbens entlang des
Innenumfangs 36 des kreiszylindrischen Ventilgehäuses 18 erlauben.
Das Ventilteil 16 ist an seinen beiden einander gegenüberliegenden
Enden mit ebenen Abschlußflächen 38, 40 versehen,
von denen in Blickrichtung auf die 1 gesehen
die obere in Anlage bringbar ist mit einer ebenso eben verlaufenden
Anlagefläche 42 des
Ventilgehäuses 18,
bzw. an die sich an der gegenüberliegenden
Unterseite die stegartigen Verlängerungen 30 anschließen. Des
weiteren beträgt
die Teilbaulänge des
Ventilteils 16 mit der Durchtrittsstelle 24 mehr
als die Hälfte
der Gesamt-Baulänge des
Ventilteils 16 mit den Verlängerungsstegen 30.
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Wie
sich des weiteren aus der 2 ergibt, ist
das Ventilteil 16 außenumfangsseitig
im Bereich der Durchtrittsstelle und zwischen den Verlängerungsstegen 30 verlaufend
mit ebenen Flächen 44 ausgestattet,
die mit der kreiszylindrischen Innenumfangsfläche 36 des Ventilgehäuses 18 drei
Fluiddurchlässe 46 begrenzen
(vgl. 1). Ferner enden die
stegartigen Verlängerungen 30 in
einer gemeinsamen horizontalen Ebene, die parallel verläuft zu den
Abschlußflächen 38 und 40 des
Ventilteils 16. Das Ventilteil 16 kann sich innerhalb
seines Ventilgehäuses 18 in
Abhängigkeit
von den Druck- und Strömungsverhältnissen
entlang seiner Längsachse 22 von
seiner in der 1 gezeigten
Schließstellung nach
unten hin in eine geöffnete
Stellung bewegen, bei der die freien Enden der Verlängerungsstege 30 in
Anlage kommen mit der unteren Abschlußwand 48 des Speichergehäuses 10,
das in diesem Bereich die Anschlußstelle 14 randseitig
begrenzt. Der dahingehende axiale Verfahrweg ist gemäß der Darstellung nach
der 1 etwas kleiner
als die Höhe
einer der trichterförmigen
Erweiterungen 26, 28.
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Bei
der in der 1 gezeigten
Betriebsstellung hat sich über
das hydraulische Netz an der Anschlußstelle 14 ein hydraulischer
Druckstoß eingestellt,
der das Ventilteil 16 in seine in der 1 gezeigte Schließstellung gebracht hat, bei
der die Abschlußfläche 38 in
Anlage ist mit der Anlagefläche 42 des
Ventilgehäuses 18.
Der Fluiddurchtritt von der Anschlußstelle 14 zur Fluideintrittsstelle 12 und
mithin ins Innere des Speichergehäuses 10 erfolgt somit ausschließlich über die
drosselartige Durchtrittsstelle 24 mit ihren beiden trichterförmigen Erweiterungen 26, 28.
Durch die dahingehende Drosselstelle wird zum einen der Druckstoß gemindert,
so dass dieser keine schädigende
Wirkung im Inneren des Speichergehäuses 10 ausüben kann,
und zum anderen wird über
die kontinuierlich verlaufenden Erweiterungen 26, 28 der
Fluidstrom über
den Mittenkanal als Durchtrittsstelle 24 derart gerichtet,
dass schädliche Kavitätswirkungen
in den Randbereichen des Ventilteils 16 oder der Fluideintrittsstelle 12 vermieden sind.
Ferner wird über
die lange Führungsstrecke
des Mittenkanals eine laminare Vorgabe für die Fluidströmung erreicht,
so dass Strömungsverluste
vermeiden sind, was sich wiederum günstig auf die Gesamt-Energiebilanz
des hydraulischen Systems (nicht dargestellt) auswirkt. Die trichterförmigen Erweiterungen 26, 28 haben
dabei noch den Effekt, dass es zu einer Entspannung der hochlaminaren Strömung im
Mittenkanal kommt, was sich günstig auf
die Geräuschemissionsentwicklung
auswirkt und es ist für
einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet hydraulischer Systeme
und Hydrospeicher überraschend,
dass er durch Einsatz der genannten Erweiterungen 26, 28 eine
derart deutliche Geräuschminderung
erhält,
dass verbleibende Restgeräusche
für das
Bedienpersonal der hydraulischen Anlage kaum wahrnehmbar sind.
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Sinkt
der hydraulische Druckstoß und
mithin der Hydraulikdruck an der Anschlußstelle 14 ab, wird in üblicher
Einbaulage des Ventilteils 16 schwerkraftunterstützt und
mit dem verbleibenden Innendruck im Hydrospeicher dieses in Blickrichtung
auf die 1 nach unten
geschoben und die freien Enden der stegartigen Verlängerungen
schlagen an der unteren Abschlußwand 48 an.
Dergestalt ist dann aber der Fluiddurchtrittsweg von der Fluideintrittsstelle 12 zum Fluiddurchlaß 46 freigegeben
und dergestalt kann Fluid vom Inneren des Speichers und weiter über die Abstände zwischen
den stegartigen Verbreiterungen 30 in Richtung der Anschlußstelle 14 und
von dort aus in das hydraulische Netz zurückgelangen. Dabei kommt es
zu einer Aufteilung der Fluidströme
zwischen den drei Fluiddurchlässen 46 begrenzt
durch den Außenumfang
des Ventilteils 16 und seiner Mittenausnehmung in Form
der Durchtrittsstelle 24. Dergestalt entspricht der freie Öffnungsquerschnitt
im wesentlichen dem Fluidquerschnitt ohne Ventilteil 16, so
dass im wesentlichen verlustfrei der Austragvorgang an hydraulischer
Energie vom Inneren des Speichergehäuses an das hydraulische Netz
vonstatten gehen kann.
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Die
vorliegende Einrichtung ist als Wechseldrosselkonzept ausgelegt
und es besteht die Möglichkeit,
quer zur Längsachse 22 gesehen
das Ventilteil 16 um 180° verschwenkt
in das Ventilgehäuse 18 einzusetzen,
so dass dergestalt dann in Blickrichtung auf die 1 gesehen die stegartigen Verbreiterungen 30 sich
in Richtung des Speichers und mithin in Richtung der Fluideintrittsstelle 12 erstrecken und
die Abschlußfläche 38 des
Ventilsteils 16 in Richtung zu der Anschlußstelle 14 weist.
Im dahingehenden Fall kann bei bestimmten Speicherkonzeptionslösungen dann
vorgesehen sein, dass ein vom hydraulischen Netz kommender Druckstoß an die
Anschlußstelle 14 über die
drei Fluiddurchlässe 46 ungehindert
in das Speicherinnere gelangen kann, wobei ein Anteil des Fluidstromes
wiederum über
die Durchtrittsstelle 24 gelangt, wohingegen dann ein Fluidabgabevorgang
von selten des Speichers gedämpft
erfolgt, indem das Ventilteil 16 mit seiner Abschlußfläche 38 die
Anschlußstelle
an das hydraulische Netz 14 verschließt und der Durchtritt an Fluid ausschließlich über die
drosselnde Durchtrittsstelle 24 mit ihren trichterförmigen Erweiterungen 26, 28 erfolgt.
Somit lassen sich also dem Grunde nach bei umgekehrter Einbaulage
der als Wechseldrossel konzipierten Lösung vom Speicher, insbesondere vom
Kolbenspeicher stammende Druckstöße mindern.
Mit der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung
ist also ein Gesamt-System geschaffen, das sich ohne größere Umbaumaßnahmen
an verschiedene Anwendungsfälle
und deren Vorgaben anpassen läßt.