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Die
Erfindung geht von einem elektromagnetischen Schaltventil nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 aus.
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Ein
derartiges elektromagnetisches Schaltventil weist einen Magnetkreis
auf, wie er beispielsweise aus der
DE 42 21 112 A1 bereits bekannt ist. Dieser
Magnetkreis besteht aus einer auf einen Spulenkörper gewickelten Spule, einem
wenigstens abschnittweise in den Spulenkörper hineinragenden Flußleitelement
und einem beweglich geführten
Anker. Der Anker weist eine zentrisch zu seiner Längsachse
verlaufende Durchgangsbohrung auf.
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Diese
Durchgangsbohrung wirkt mit einer Führungsstange zusammen, die
die auf den Anker einwirkenden Querkräfte aufnimmt. Diese Querkräfte werden
von Nebenluftspalten im Magnetkreis hervorgerufen. Nebenluftspalte
können
sich beispielsweise durch Unregelmäßigkeiten zwischen dem Umfang des
Ankers und dem Innendurchmesser der Magnetspule ergeben und stellen
für den
Magnetfluß einen Widerstand
dar, der die Schaltgeschwindigkeit des Ankers reduziert. Ferner
erschweren Querkräfte
auf den Anker dessen Führung,
erhöhen
die in nere Reibung und damit die Hysterese des Magnetkreises und
verschlechtern die Lebensdauer eines Schaltventils.
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Eine
Verringerung dieser Auswirkungen ist durch eine Minimierung der
Nebenluftspalte möglich. Dies
bedingt jedoch eine enge Tolerierung von Magnetspule und Anker,
wodurch die Herstellkosten dieser Bauteile ansteigen. Zudem erhöhen enge
Nebenluftspalte die Empfindlichkeit eines Schaltventils gegenüber Verschmutzungen,
was im Extremfall zum Blockieren der Ankerbewegung führen kann.
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Aus
der
DE 88 13 280 U1 ist
ein elektromagnetisch betätigbares
Steuerventil bekannt, welches einen mit Federmitteln elastisch am
Gehäuse
angelenkten Flachanker und einen von diesem betätigten Steuerkolben aufweist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein preisgünstig
herstellbares Schaltventil mit verbesseerten magnetischen Eigenschaften
zu schaffen.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Schaltventil
weist einen Magnetanker mit einem außerhalb der Magnetspule verlaufenden
Axialsteg auf. Mit diesem Axialsteg stützt sich der Magnetanker am
Flußleitelement, das
die Magnetspule umfangsseitig zumindest teilweise umschließt, ab.
Magnetisch wirksame Nebenluftspalte zwischen Anker und Flußleitelement
bzw. damit einhergehende Querkräfte
auf den Anker entstehen somit nicht. Der Anker führt bei der Betätigung des
Schaltventils eine relativ präzise
Auslenkbewegung um die Abstützung
am Flußleitelement
aus, so daß die
Funktionswerte eines derartigen Schaltventils relativ gering streuen.
Desweiteren wirken auf den Anker hohe Magnetkräfte ein, die entsprechend schnelle
Schaltbewegungen ermöglichen.
Schnell schaltende Anker induzieren in den Magnetspulen hohe Gegenspannungen,
die sich leicht von einer Auswerteschaltung detektieren lassen.
Die vorgeschlagenen Bauformen erlauben zudem eine relativ grobe
Tolerierung für
den Anker und das Flußleitelement.
Dies reduziert neben den Herstellkosten des Schaltventils auch dessen
Empfindlichkeit gegenüber
Verschmutzungen. Das Flußleitelement
läßt sich einteilig
ausbilden und in einem Stanz-/ Biegeverfahren herstellen.
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Weitere
Vorteile oder vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen
oder der Beschreibung.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. 1 zeigt
einen Längsschnitt
durch ein elektromagnetisches Schaltventil, das sich in seiner Grundstellung
befindet. In 2 ist das Detail X nach 1 vergrößert dargestellt.
Ein zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Schaltventils
ist in 3 im Längsschnitt
dargestellt.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Das
in 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel eines elektromagnetischen
Schaltventils 10 weist ein druckmittelführendes Ventilteil 11 und
in ein damit druckdicht verbundenes Magnetteil 12 auf.
Das Magnetteil 12 hat ein aus einem Kunststoffmaterial hergestelltes
Gehäuse 13,
in dessen Innenraum die Einzelteile eines Magnetkreises zumindest
teilweise eingespritzt sind. Der Magnetkreis besteht u.a. aus einer
Magnetspule 14, die mittels nach außen ragenden Kontakten 15 in
einen Stromkreis geschaltet werden kann. Diese Magnetspule 14 ist
auf einen hülsenförmigen Spulenkörper 16 gewickelt.
Mit der Magnetspule 14 wirkt ein Flußleitelement 17 aus
magnetisch leitendem Material zusammen. Dieses Flußleitelement 17 weist
einen topfförmig
ausgebildeten Abschnitt 18 auf, mit dem das Flußleitelement 17 in
den Innendurchmesser des Spulenkörpers 16 eingepaßt ist.
Die Wandung 19 des topfförmigen Abschnitts 18 erstreckt
sich über
ca. 2/3 der Gesamtlänge
der Magnetspule 14 und endet in einem senkrecht zur Wandung 19 verlaufenden
Boden 20. Im Boden 20 ist eine zentrische Durchgangsbohrung 23 vorhanden, die
einen ersten Ventilsitz 24 für das Schaltventil 10 ausbildet.
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An
dem dem Boden 20 axial gegenüberliegenden Ende des topfförmigen Abschnitts 18 begrenzt
dessen Wandung 19 eine Öffnung,
die den Rücklaufanschluß 25 des
Schaltventils 10 bildet.
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Der
topfförmige
Abschnitt 18 des Flußleitelements 17 geht
an seinem rücklaufseitigen
Ende in einen Radialsteg 26 über, der parallel zur Stirnfläche der
Magnetspule 14 verläuft.
Der Radialsteg 26 ragt über
den Außendurchmesser
der Magnetspule 14 hinaus und setzt sich in einem rechtwinklig
abgekröpften
und entlang der Längsseite
der Magnetspule 14 verlaufenden Axialsteg 28 fort.
Dieser Axialsteg 28 ist an seinem dem Rücklaufanschluß 25 zugewandten Endbereich
vom Gehäuse 13 des
Magnetteils 12 umschlossen und erstreckt sich in axialer
Richtung bis über
den Boden 20 des topfförmigen
Teils 18 hinaus. An der Stirnfläche 29 des Axialstegs 28 stützt sich
ein beweglich geführter
Anker 30 ab.
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Der
Anker 30 ist, abgesehen von seinen Abmessungen, im wesentlichen
spiegelsymmetrisch zum Flußleitelement 17 ausgebildet.
Dementsprechend weist der Anker 30 einen topfförmigen Abschnitt 33 auf,
der mit seinem den Ankerboden 34 ausbildenden Ende in das
Innere der Magnetspule 14 hineinragt. Der Ankerboden 34 ist
mit einer zentrischen Bohrung 35 versehen, in die ein Schließelement 36 in
Form einer Kugel eingesetzt ist. Das Schließelement 36 besteht
aus einem magnetisch nicht leitenden Werkstoff und ragt beidseitig
aus dem Ankerboden 34 heraus. Die Wandung 32 des
topfförmigen
Abschnitts 33 des Ankers 30 ragt bis zum Ende
des ersten Drittels der Gesamtlänge
der Magnetspule 14 in diese hinein, so daß zwischen
dem Boden 34 des Ankers 30 und dem Boden 20 des Flußleitelements 17 ein
Arbeitsluftspalt 37 entsteht. Der Außendurchmesser des topfförmigen Teils 33 des
Ankers 30 ist kleiner dimensioniert als der Innendurchmesser
der Magnetspule 14. Dadurch bildet sich zwischen beiden
Bauteilen ein umlaufender Ringspalt 38 aus. In diesem Ringspalt 38 ist
eine Schließfeder 39 angeordnet.
Die Schließfeder 39 zentriert
sich am Umfang des topfförmigen
Abschnitts 33 und beaufschlagt den Anker 30 mit
einer Kraft in Richtung seiner ersten Schaltstellung. Die Abstützung der
Schließfeder 39 erfolgt
am Boden 20 des ortsfesten Flußleitelements 17 und
an einem flanschartig ausgebildeten Bund 40 des Ankers 30. Dieser
Bund 40 setzt sich in einem den Außendurchmesser der Magnetspule 14 überspannendenden und
mit Durchbrüchen 43 versehenen
Radialsteg 44 fort. Der Radialsteg 44 geht in
einen rechtwinklig abgebogenen und längsseits der Magnetspule 14 verlaufenden
zweiten Axialsteg 45 über.
Dieser zweite Axialsteg 45 fluchtet mit dem ersten Axialsteg 28 des Flußleitelements 17,
an dem er sich mit seiner Stirnfläche 46 abstützt. Diese
Abstützung
erfolgt in einer Ebene, in der in der gezeichneten ersten Schaltstellung
des Schaltventils 10 auch das Zentrum des im Boden 34 des
Ankers 30 angeordneten Schließelements 36 liegt.
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In
dieser ersten Schaltstellung drückt
die Schließfeder 39 das
Schließelement 36 des
Ankers 30 auf einen zweiten Ventilsitz 47. Der
zweite Ventilsitz 47 liegt mit dem ersten Ventilsitz 24 auf
einer gemeinsamen Längsachse
durch das Schaltventil 10 und ist auf einem rohrförmig verlängerten
Zulauffortsatz 48 des Ventilteils 11 ausgebildet.
Im Innern des Zulauffortsatzes 48 verläuft ein Zulaufkanal 51,
der zur Vergrößerung seines
Strömungsquerschnitts mehrere
Querschnittserweiterungen aufweist. Am stirnseitigen Ende des Ventilteils 11 endet
der Zulaufkanal 51 in einem nicht erkennbaren Zulaufanschluß.
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Ein
exzentrisch zur Längsachse
des Schaltventils 10 angeordneter Verbraucherkanal 49 verläuft ausgehend
von der Stirn seite des Ventilteils 11 parallel zum Zulaufkanal 51 und
mündet
in einen Ringquerschnitt 50 ein. Dieser Ringquerschnitt 50 besitzt eine
zur Längsachse
des Schaltventils 10 symmetrische radiale Ausdehnung und
umschließt
den Zulauffortsatz 48 umfangsseitig.
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Die
an sich bekannte Funktion des Schaltventils 10 wird im
Folgenden erläutert.
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In
der in 1 dargestellten ersten Schaltstellung des Schaltventils 10 drückt die
Schließfeder 39 den
Anker 30 mit seinem Schließelement 36 auf den
zweiten Ventilsitz 47, und verschließt diesen dadurch. Dementsprechend
ist der erste Ventilsitz 24 und somit der Rücklaufkanal 25 geöffnet, so
daß ein Druckmittel
durch den Verbraucherkanal 49 und die Durchbrüche 43 des
Ankers 30 in den Ankerraum und von dort zum Rücklaufkanal 25 abströmen kann.
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In
der zweiten Schaltstellung des Schaltventils 10 ist die
Magnetspule 14 bestromt. Die Magnetkraft der Magnetspule 14 lenkt
den Anker 30 entgegen der Kraft der Schließfeder 39 aus,
bis das Schließelement 36 am
ersten Ventilsitz 24 des Flußleitelements 17 aufliegt
und diesen ersten Ventilsitz 24 verschließt. Demnach
ist in dieser zweiten Schaltstellung der zweite Ventilsitz 47 des
Schaltventils 10 geöffnet,
so daß der
Zulaufkanal 51 über
den Ankerraum und die Durchbrüche 43 im
Radialsteg 44 mit dem Verbraucherkanal 49 in Verbindung
steht. Ein von einem nicht gezeichneten Druckerzeuger gefördertes
Druckmittel kann somit zum Verbraucherkanal 49 strömen.
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Wird
der Stromfluß zur
Magnetspule 14 unterbrochen, so wird der Anker 30 von
der Druckkraft der Schließfeder 39 in
seine ersten Schaltstellung zurück
verbracht.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Schaltventils 10 wird
durch eine besondere Ausbildung wenig stens einer der einander zugewandten
Stirnflächen 29, 46 des
Ankers 30 bzw. des Flußleitelements 17 erreicht.
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Im
Ausführungsbeispiel
nach 2 ist dies die Stirnfläche 46 des Ankers 30,
es ist selbstverständlich
aber auch möglich
die Strinfläche 29 des Flußleitelements 17 oder
beide Strinflächen 29, 46 zu optimieren.
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Gemäß 2 ist
die Stirnfläche 46 des
Ankers 30 in Teilflächen 46a, 46b aufgeteilt.
Im Ausführungsbeispiel
sind beispielsweise zwei aneinandergrenzende Teilflächen 46a, 46b gezeichnet,
es sind jedoch auch Schaltventile 10 mit einer größeren Anzahl
von Teilflächen
vorstellbar.
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Die
beiden Teilflächen 46a, 46b weisen
unterschiedliche Breiten auf, wobei die breitere erste Teilfläche 46a in
der ersten Schaltstellung des Schaltventils 10 an der ebenen
Stirnfläche 29 des
Flußleitelements 17 anliegt.
Die schmälere
zweite Teilfläche 46b schließt dabei
mit der ersten Teilfläche 46a einen Winkel
ein. Dessen Größe ist vom
Verhältnis
zwischen dem Arbeitsspalt 37 und dem Hebelarm der Auslenkbewegung
des Ankers 30 abhängig.
Dieser Hebelarm beträgt
wenigstens das 20-igfache der axialen Ausdehnung des Arbeitsluftspalts 37,
um eine weitestgehend geradlinige Auslenkbewegung des Ankers 30 zu
ermöglichen.
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Die
beiden Teilflächen 46a, 46b schließen einen Übergang 46c ein,
der als spitzwinklige Kante ausgebildet ist.
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Die
Ausbildung der Teilflächen 46a, 46b ermöglicht zum
Zeitpunkt der Umsteuerung des Ankers 30 von seiner ersten
Schaltstellung in seine zweite Schaltstellung einen relativ ungehinderten
magnetischen Fluß im
Magnetkreis. Der keilförmige
Spalt zwischen der schmalen Teilfläche 46b und der Stirnfläche 29 des
Flußleitelements 17 behindert
diesen magnetischen Fluß nur
unwesentlich. Auf den Anker 30 wirkt demzufolge zunächst eine
große
Magnetkraft ein.
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Sobald
sich der Anker 30 in Richtung seiner zweiten Schaltstellung
bewegt, nähert
sich die zweite Teilfläche 46b der
Stirnfläche 29 des
Flußleitelements 17 an,
während
die erste Teilfläche 46a von der
Stirnfläche 29 des
Flußleitelements 17 abhebt. Der
dabei entstehende Spalt ist aufgrund der Breite der ersten Teilfläche 46a so
groß,
daß der
Magnetfluß nun über die
schmale zweite Teilfläche 46b erfolgt.
Auf den Anker 30 wirkt somit eine geringere Magnetkraft
ein, sobald dieser seine Grundstellung verlassen hat. Die Breite
der zweiten Teilfläche 46b ist dabei
so bemessen, daß die
kleinere Magnetkraft ausreicht, um den Anker 30 in Richtung
seiner zweiten Schaltstellung weiter zu bewegen bzw. um ihn in dieser
zweiten Schaltstellung zu halten.
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Während des
Schaltvorgangs erfolgt die Auslenkbewegung des Ankers 30 über den Übergang 46c zwischen
den beiden Teilflächen 46a, 46b. Dieser Übergang 46c ist
als Kante ausgebildet, um eine möglichst
reibungsfreie Auslenkbewegung zu ermöglichen.
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3 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Schaltventils 10.1.
Dieses Schaltventil 10.1 weist ein einteiliges Gehäuse 13 auf,
in dem übereinstimmend
mit dem ersten Ausführungsbeispiel
ein Magnetteil 12.1 und ein Ventilteil 11.1 angeordnet
sind. Das Magnetteil 12.1 besteht aus einer auf einem Spulenkörper 16.1 gewickelten Magnetspule 14.1,
einem in das Innere der Magnetspule 14.1 hineinragenden
Flußleitelement 17.1 und einem
beweglich geführten
Anker 30.1. Der Anker 30.1 ist auf der vom Ventilteil 11.1 abgewandten
Seite der Magnetspule 14.1 plaziert, während das Flußleitelement 17.1 auf
der dem Ventilteil 11.1 zugewandten Seite liegt. Sowohl
das Flußleitelement 17.1 als auch
der Anker 30.1 haben jeweils einen in das Innere der Magnetspule 14.1 hineinragenden
Abschnitt 18.1, 33.1, einen die Stirnseite der
Magnetspule 14.1 überragenden
Radialsteg 26.1, 44.1 und einen parallel zum Außenumfang
der Magnetspule 14.1 verlaufenden Axialsteg 28.1, 45.1.
Die beiden Axialstege 28.1, 45.1 fluchten miteinander
und stützen
sich im Bereich der Mitte der Magnetspule 14.1 mit ihren Stirnflächen 29.1, 46.1 aufeinander
ab. Auf dieser Höhe
enden auch die im Inneren der Magnetspule 14.1 angeordneten
Abschnitte 18.1, 33.1. Diese Abschnitte 18.1, 33.1 weisen
senkrecht zur Längsachse der
Magnetspule 14.1 verlaufende Abkröpfungen 20.1, 34.1 auf,
die sich in nichtbestromtem Zustand des Magnetteils 12.1 parallel
gegenüberliegen.
Dabei besteht zwischen den Abkröpfungen 20.1, 34.1 ein
Abstand, der den Arbeitsluftspalt 37.1 des Ankers 30.1 bildet.
Beim Bestromen des Magnetteils 12.1 führt der Anker 30.1 eine
Auslenkbewegung um die vom Axialsteg 28.1 gebildete Abstützstelle
des Flußleitelements 17.1 aus.
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An
der dem Anker 30.1 zugeordneten Abkröpfung 34.1 liegt ein
zentrisch zur Längsachse
der Magnetspule 14.1 verlaufendes Betätigungsglied 60 lose
an. Dieses Betätigungsglied 60 weist
einen Stößel 61 und
einen im Durchmesser abgesetzten Dorn 62 auf und durchdringt
eine an der Abkröpfung 20.1 des
Flußleitelementss 17.1 vorhandene
Ausnehmung 63. Das Betätigungsglied 60 erstreckt
sich bis in den Innenraum des Ventilteils 11.1 hinein.
Dieser Innenraum wird von einer in ihrem Innendurchmesser mehrmals
abgesetzten Sacklochbohrung 64 gebildet, in die ein radial
verlaufender und dem Magnetteil 12.1 zugewandter Rücklauf 25.1,
ein ebenfalls radial verlaufender Verbraucherkanal 49.1 und
ein axial verlaufender Zulaufkanal 51.1 einmünden. Zwischen dem
Rücklauf 25.1 und
dem Verbraucherkanal 49.1 ist ein Sitzkörper 65 angeordnet.
Dieser in die Sacklochbohrung 64 eingepreßte Sitzkörper 65 ist
hutförmig
ausgebildet und liegt mit seinem Bund an dem dem Magnetteil 12.1 zugewandten
ersten Absatz dieser Sacklochbohrung 64 an.
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Eine
im Sitzkörpers 65 vorhandene
Axialbohrung 66 stellt eine Druckmittelverbindung vom Zulauf 51.1 zum
Rücklauf 25.1 bzw. über eine
unterhalb des Bundes des Sitzkörpers 65 verlaufende Querbohrung 67,
die die Axialbohrung 66 durchdringt, zum Verbraucherkanal 49.1 her.
Die Durchgangsbohrung 66 des Sitzkörpers 65 hat einen
Innendurchmesser, der kleiner als der Außendurchmesser des Stößels 61 ist
und weist an ihrem dem Zulauf 51.1 zugewandten Ende einen
ersten Ventilsitz 24.1 auf. Dieser erste Ventilsitz 24.1 wird
von einem Schließelement 36.1 in
Form einer Kugel gesteuert. Die Betätigung des Schließelements 36.1 erfolgt
durch den in seinem Außendurchmesser
auf den Durchmesser der Axialbohrung 66 abgestimmten Dorn 62 des
Betätigungsglieds 60.
Dieser Dorn 62 durchdringt die Axialbohrung 66 des
Sitzkörpers 65 und
liegt im nichtbestromten Zustand des Magnetteils 12.1 kräftefrei
am Schließelement 36.1 an.
Zwischen dem Dorn 62 und der Wandung der Axialbohrung 66 verbleibt
ein Ringspalt 68, der im dargestellten nichtbestromten
Zustand des Schaltventils 10.1 eine Druckmittelverbindung
vom Verbraucherkanal 49.1 zum Rücklauf 25.1 durch
die Querbohrung 67 hindurch herstellt. Der Übergang
vom Stößel 61 zum Dorn 62 wird
von einem Schließglied 69 in
Form einer Fase oder eines Radiuses gebildet. Beim Bestromen der
Magnetspule 14.1 verschließt dieses Schließglied 69 infolge
der Auslenkbewegung des Ankers 30.1 den als zweiten Ventilsitz 47.1 wirkenden
Mündungsquerschnitt
der Axialbohrung 66 in die Sacklochbohrung 64.
Durch den Zulauf 51.1 einströmendes Druckmittel strömt somit
durch den Ringspalt 68 und die Querbohrung 67 hindurch
zum Verbraucherkanal 49.1. Nach dem Abschalten der Bestromung der
Magnetspule 14.1 wird das Schließelement 36.1 und
somit auch das Betätigungsglied 60 und
der Anker 30.1 vom Druck des Druckmittels im Zulauf 51.1 auf
seinen ersten Ventilsitz 24.1 gedrückt. Dabei öffnet das Schließglied 69 den
zweiten Ventilsitz 47.1 und gibt eine Druckmittelverbindung
vom Verbraucherkanal 49.1 zum Rücklauf 25.1 frei.
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Neben
der erfindungsgemäßen Vermeidung eines
Nebenluftspaltes im Magnetkreis weist dieses zweite Ausführungbeispiel
eines Schaltventils den Vorteil auf, daß es auch bei Konzentrizitätsfehlern zwischen
den beiden Ventilsitzen 24.1, 47.1 ein sicheres
Schließen
dieser Ventilsitze 24.1, 47.1 durch das Schließelement 36.1 gewährleistet.
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Erreicht
wird dies durch eine separate, d.h. vom Anker 30.1 losgelöste Ausbildung
des Schließelements 36.1 unter
Zwischenschaltung eines schwimmend geführten Betätigungsglieds 60.
Dieses Betätigungsglied 60 zentriert
sich beim Betätigen
des Schaltventils 10.1 am zweiten Ventilsitz 47.1 selbsttätig. Eine
besonders gute Zentrierung des Betätigungsglieds 60 wird
erreicht, wenn die an der Abkröpfung 34.1 des
Ankers 30.1 anliegende Stirnseite des Betätigungsglieds 60 wenigstens
abschnittsweise ballig ausgeformt ist.
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Eine
Weiterbildung des zweiten Ausführungsbeispiels
wäre denkbar,
bei der der Übergang vom
Stößel 61 zum
Dorn 62 beim Betätigen
des Ankers 30.1 den zweiten Ventilsitz 47.1 nicht
vollständig verschließt, sondern
lediglich androsselt. Dadurch ließe sich am Verbraucherkanal 49.1 ein
anwendungsspezifisches Druckniveau einstellen.
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Selbstverständlich sind
weitere Änderungen oder
Weiterbildungen an der beschriebenen Ausführungsform möglich, ohne
vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. So ist es beispielsweise denkbar,
daß mehrere
Ventilteile 11, 11.1 zu einer gemeinsamen Trägerplatte,
in die mehrere Magnetteile 12, 12.1 eingesetzt
werden, zusammengefaßt
sind. Dies würde
eine besonders kompakte Bauweise für ein Hydroaggregat ermöglichen,
wie es insbesondere in der Kfz-Technik zur Steuerung von Automatik-Getrieben
eingesetzt wird.