DE2015618A1 - Regeleinrichtung für einen Hydraulikmotor - Google Patents

Description

Patentanwälte 9 01^618

Dipl.-Ing.W.Beyer ^^υ '^

Dipl.-Wirtsch.-Ing.B.Jochem

6000 Frankfurt am Main . Freiherr-vom-Stein-Straße 18

Atlas Copco
Äktiebolag
Nacka / Schweden

Regeleinrichtung für einen Hydrau-1ikmotor

Priorität der schwedischen Patentanmeldung No. 4859/69 vom 3. April 1969

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für einen Hydraulikmotor mit DruckmittelVersorgung durch eine von einem Preßluftmotor angetriebene Pumpe. Geregelt werden sowohl der Druck als auch die Menge des' an den -den Hydraulikmotor.;, gelieferten Druckmittels..

Derartige Antriebssysteme werden benutzt, wenn Elektromotoren als Antriebsaggregat für die Hydraulikpumpe ungeeignet sind

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oder aus bestimmten Gründen grundsätzlich nicht in Frage Dies ist häufig der Fa]I bei hydraulisch angetriebenen Bohrma schinen im Bergbau.

harmonieren dir» eh η r. \k tr-r i..-1-1.:-.<:!. >-ü Lei $tunq$kurv€h Pt*e(iluf tnoto^S nicht mit d^nen einer Hydraulik pump'.-. Eine läuft ein unbelasteter Preßluftmotor in hohe Drehzahlen, denen f ϊ 11 r« Hydraul ikpurnp^ nicht- r.tnndhält, und auf der anderen S^ L te sinkt mit zunehmender Bolastumj, also o.inem stoitjoiv'pn DiHun..-ment, die Drehzahl des Preßluftmotors sehr schnell ab, während der Druck der von einer hydraulischen Verdrängerpumpe geliefer ten Hydraulikflüssigkeit proportional ist dem an der Pumpe auf

" gewandten Drehmoment. Die Folge ist, daß sich eine Hydraulikpumpe in einem Antriebssystem der eingangs genannten Art nicht ohne eine besondere Regeleinrichtung so betreiben lässt, daß sich ihre Liefermenge selbsttätig in Abhängigkeit von einem Druckanstieg der geförderten Hydraulikflüssigkeit verringert; diese Art Regelung ist dagegen gebräuchlich bei durch Elektromotoren angetriebenen hydraulischen Axialkolbenpumpen, liegen der aufgezeigten Zusammenhänge lässt sich auch weder die Hydraulikpumpe noch der Hydraulikmotor in solch einem System mit optimaler Leistung betreiben, da maximaler Durchfluß und höchster Druck nicht gleichzeitig auf der Einlaßseite des Hydraulikmotors auftreten und weil bei zunehmender Belastung ein unerwünscht starker Druckanstieg und umgekehrt beim Schwin den der Belastung ein zu starkes Ansteigen der Fördermenge in Kauf genommen werden müssen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aufgezeigten Mangel mittels einer Regeleinrichtung der eingans genannten Art zu beseitigen, so daß sich sowohl die Hydraulikpumpe als auch der Hydraulikmotor bä. höchster spezifischer Leistung betreiben lassen.

Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Dro sselstelle in der Druckleitung des Hydraulikmotors, ein

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Hauptventil in der Preßluftleitung des Preßluftmotors und ein das Hauptventil'in Drossel- bzw. Schließrichtung betätigendes Schaltorgan, welches sowohl auf einen bestimmten Maximaldruck in der hydraulischen Druckleitung als auch auf ein bestimmtes Druckgefälle an der Drosselstelle anspricht.

Die vorgeschlagene Regeleinrichtung bringt im übrigen den Vorteil, daß der Preßluftverbrauch gesenkt wird.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden nachstehend in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigen: ·

Fig. 1 einen Schaltplan, aus dem die Verbindung der

Hauptteile des geregelten Antriebssystems untereinander hervorgeht, ■

Fig. 2 ein den Zusammenhang zwischen Druck'und Durchfluß auf der Eingangsseite des in den Schaltplan nach Fig. 1 einbezogenen Hydraulikmotors veranschaulichendes Diagramm,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine praktische Ausführungsform einer in dem Schaltplan nach Fig. angedeuteten Regeleinrichtung,

Fig. 4 im Schnitt ein modifiziertes Detail aus Fig. 3,

Fig. 5 .einen Längsschnitt durch eine weitere praktische Ausführungsform einer Regeleinrichtung.

In allen Zeichnungsfiguren sind identische oder funktionsgleiche Teile immer mit denselben Bezugszeichen versehen. Bezugnehmend zunächst auf Fig. 1, ist dort ein Preßluftmotor 11, beispielsweise in der Bauart eines Flügelzellenmotors, angedeutet. Die Preßluftzufuhr zum Motor 11 erfolgt über eine

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Preßluftleitung 12, die Anschluß hat an eine nicht gezeigte Preßluftquelle. In der Preßluftleitung 12 liegt ein Hauptventil 13, welches je nach Stellung seines Absperrgliedes die Preßluftzufuhr zum Motor 11 drosselt oder ganz abschließt. Zwischen dem Preßluftmotor 11 und einer Hydraulikpumpe 14 besteht eine feste mechanische Verbindung, beispielsweise in Form einer Zwischenwelle 15. Die Pumpe 14 kann z.B. eine Flügelzellenpumpe sein. Sie saugt die hydraulische Druckflüssigkeit aus einem Tank 16 an und fördert sie über eine hydraulische Druckleitung 17 zu einem Hydraulikmotor 18.

In der Druckleitung 17 ist eine Drosselstelle 19 angeordnet, " und es führen Verbindungsleitungen 2o und 23 von stromaufwärts bzw. stromabwärts der Drosselstelle 19 gelegenen Änschlußpunkten an der Druckleitung 17 zu Zylinderkammern 21 bzw. 24 beidseits eines doppelt beaufschlagten Kolbens 25 in einem Zylinder 26. Die ganze Zylindereinheit wird im folgenden als Steuerzylinder 22 bezeichnet.

Der Kolben 25 des Steuerzylinders 22 wirkt über eine Kolbenstange 28 in Richtung zunehmender Drosselung bzw. Schließrichtung auf das Hauptventil 13, welches in Öffnungsrichtung durch eine Feder 27 vorbelastet ist. Eine sich entgegengesetzt zur Kolbenstange 28 erstreckende weitere Kolbenstange 29 ist selbst als Kolben mit einer Kolbenfläche 31 ausgebildet, der mit einem Zylinder 3o als ein weiterer Steuerzylinder des Hauptventils 13 zusammenwirkt. Der Zylinder 3o kann mittels eines Hilf-sventils 32 einerseits an einen drucklosen Sammelraum für die Hydraulikflüssigkeit, beispielsweise den Tank 16, andererseits über eine Zwischenleitung 33 an die Verbindungsleitung 2o, "und damit an die Druckleitung 17, angeschlossen werden.

Das Hilfsventil 32 wird normalerweise durch eine Feder 34 in der in Fig. 1 gezeigten Stellung gehalten, in welcher der

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Zylinder 3o mit dem,Tank 16 kommuniziert, also drucklos gehajten ist. Wenn jedoch der Druck in der Druckleitung 17 bis auf einen bestimmten Grenzwert ansteigt, weil z.3„ der Hydraulikmotor 18 bis zum Stillstand belastet wird, so genügt dieser hohe Druck, der über eine Steuerleitung 35 von der Druckleitung 17 an das Steuerorgan des Hilfsventils 32 gelangt, um dieses entgegen der Wirkung der Feder 34 umzuschalten, so daß nunmehr über die Leitungen 2o und 33 die Druckleitung 17 selbst mit dem Zylinder 3o verbunden wird. Die Kolbenfläche 31 ist so groß gewählt, daß der Druck der Druckleitung 17 im Zylinder 3o ausreicht, um das Hauptventil 13 entgegen der Wirkung der Feder 27 zu schließen, so daß die Preßluftzufuhr zum Preßluftmotor 11 unterbrochen ist/ . , ■ * - "

Statt des einen in Fig» I angedeuteten Hydraulikmotors 18 können auch mehrere, sogar verschiedenartige Motoren angeordnet sein, beispielsweise ein hydraulischer Motor für den Drehantrieb und ein hydraulischer Vorschubmotor eines rotierend betriebenen Bohrwerkzeuges, insbesondere ein" Kernbohrgerät mit einer Diamantbohr krone. Die beiden Hydraulikmotoren können dabei alternativ oder gleichzeitig angeschlossen sein. Wenn nur ein einzelner Vorschubmotor in Form eines herkömmlichen Kraftzylinders mit axial verschieblichem Kolben an die Druckleitung 17 angeschlossen ist, so tritt die vorstehend beschriebene Regeleinrichtung für das Hauptventil 13 auch dann in Aktion, wenn ein Endanschlag die Vorschubbewegung begrenzt. Im Betrieb wird der Druck in der Druckleitung 17 in der Höhe des eingestellten Grenzwertes aufrechterhalten, das nach dem Abschalten das Hauptventil 13 selbsttätig'wieder öffnet, wenn der Druck in der Leitung 17 fällt.

In Fig. 2, wo der Zusammenhang zwischen Druck P und Druchflußmenge Q der Druckleitung 17 grafisch dargestellt is't,- ist der Grenzwert für den Druck durch eine gerade Linie 36 schematisch angedeutet. Der Druck kann diesen Grenzwert nicht überschreiten. - .

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Wenn auf der anderen Seite der Motor entlastet wird, wie es beispielsweise der Fall ist, wenn der Motor für den Drehantrieb eines rotierend betriebenen Bohrgerätes mit dessen Werkzeug, also einem Bohrstahl oder einem rohrförmigen Bohrstrang, über ein Spannfutter verbunden ist und·dieses Spannfutter nicht fest greift, dann würde ohne eine Regeleinrichtung·der Preßluftmotor 11 und damit auch die Hydraulikpumpe 14 hochdrehen. Aus der steigenden Drehzahl resultiert ein verstärkter Durchfluß Q in der Druckleitung 17, was wiederum eine Beschleunigung des Hydraulikmotors 18 zur Folge hat. Wollte man diese Drehzahlsteigerung sich voll auswirken lassen, so wurden der Hydraulikmotor 18 und die Hydraulikpumpe 14 bis zum Zusamnenp bruch überdreht werden. Da jedoch das Druckgefälle an der Drosselstelle 19 sich proportional zum Quadrat der Durchflußmenge ändert, entsteht bei einer bestimmten Durchflußmenge eine so große Druckdifferenz am Kolben 25, daß diese ausreicht, um mittels der Kolbenstange 28 das Hauptventil 13 entgegen der Wirkung der Feder 27 in Schließrichtung der Preßluftleitung 12 zu betätigen.

Die Durchflußmenge Q hat somit durch die beschriebene Regeleinrichtung einen bestimmten oberen Grenzwert, v/elcher fast unabhängig vom Druck P ist. Der Grenzv/ert ist in Fig. 2 durch die gerade Linie 37 schematisch angedeutet. Die Einstellung der Regeleinrichtung erfolgt vorzugsweise so, daß die Grenz-" linien 36 und 37 jeweils etwas unterhalb des im Hinblick auf die Komponenten des hydraulischen Systems zulässigen Höchstdruckes bezw. der höchstzulässigen Durchflußmenge liegen. So kann z.B. der Grenzwert für den Druck in der Druckleitung 17, bei welchem das Hauptventil 13 schließt, 2oo Bar betragen. Für die Betätigung des Hauptventils 13 durch den Steuerzylinder 22 genügt ein Druckgefälle von 1 bis 2% des Druckes in der Druckleitung 17 an der Drosselstelle 19. Die Kapazitätseinbuße durch die Drosselstelle 19 ist wegen dieser geringen Größenordnung vernachlässigbar. Weil der Druckverlust an dar Drosselstelle 19 so geringfügig ist, spielt es auch keine

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Rolle, ob der an den Zylinder 3o gelangende Druck vor oder hinter der Drosselstelle abgeleitet wird.

Ohne Regeleinrichtung ergäbe sich für Druck und Fördermenge der Hydraulikflüssigkeit in der Druckleitung 17 bei einem aus einem Preßluftmotor, einer Hydraulikpumpe und einem Hydraulikmotor bestehenden Antriebssystem die in Fig. 2 mit 38 bezeichnete Kurve, wenn man von bestimmten Kennwerten der genannten Einzelteile ausgeht. Mit Regeleinrichtung hingegen werden sich Druck und Durchflußmenge des Hydraulikmotors 18 nur längs des voll ausgezogenen TeilStückes der Kurve 38und dann ungefähr entlang der Grenzlinien 36 und 37 bewegen. Wenn die letzteren nicht ein wenig geneigt sind, ergibt sich kein stabiles Antriebssystem. Praktisch ist die Neigung jedoch vorhanden, so daß die gestrichelt gezeichnete Linie 38a zustande kommt. Die Neigung der Grenzwertlinien hat zur Voraussetzung, daß sich die Druckgrenze ein wenig mit der Durchflußmenge und deren Grenze wiederum ein wenig mit dem Druck verändert.

Wenn keine Regeleinrichtung gemäß der Erfindung benutzt wird, muß ein Preßluftmotor geringerer Leistung genommen werden, so daß sich mit diesem die In Fig. 2 mit 39 bezeichnete Kurve ergibt, bei der durch die geringe Leistung des Preßluftmotors sichergestellt ist, daß der hydraulische Druck oder die Fördermenge ihre zulässigen Höchstwerte nicht überschreiten. Weil nun aber die abgegebene Leistung des Hydraulikmotors 18 sich nach dem Produkt von Druck und Liefermenge des hydraulischen Druckmittels bestimmt, erhielte man auf diese Weise nur eine Leistung, die kaum 25% der unter Zuhilfenahme der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung entsprechend der Kurve- 38 zur Verfügung stehenden Leistung beträgt. In dem erfindungsgemäß geregelten Antriebssystem kann der Hydraulikmotor 18 beispielsweise ein Axialkolbenmotor der Bauart mit Taumelscheibe uriäselbsttätig veränderlichem Durchfluß sein, so daß sich dieser bei einem zu regelnden Druck in der Druckleitung 17

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gerade unterhalb der Grenzlinie 36 vergrössert.

Die Schnittdarstellung nach Pig. 3 zeigt als Baueinheit daa Hauptventil 13, den Steuerzylinder 22 und das Hilfsventil Letzteres besitzt einen Steuerkolben 4o, der vom Druck in _t den Leitungen 33, 35 beaufschlagt wird, die in Fig. 1 als zwei getrennte Leitungen dargestellt sind. Über die Leitungen 33, gelangt einseitig an den Steuerkolben 4o der Druck aus der Verbindung sleitung 2o. Das Hauptventil 13 in der Preßluftleitung

12 hat im Beispielsfall die Form eines mit einem Sitz zusammen-·· wirkenden Ventiltellers 41, der in Öffnungsrichtung unter dem

. ■ Einfluß der Feder 27 steht und durch die Kolbenstange 28 in * Drossel- bzw. Schließrichtung verschoben werden kann. Die Kol~ benstangen 28, 29 werden durch eine einzige zylindrische Stange dargestellt, die in einer Umfangsnut einen Sprengring 42 als Mitnehmer zwischen dem Kolben 25 und der Kolbenstange trägt. Der Kolben 25 i'st bis zur einseitigen Anlage am Mitnehmer 42 leicht verschieblich auf der»Kolbenstange 28, 29 geführt. Auf diese Weise wird erreicht, daß nur die Kolbenstange 28, 29, nicht auch ofer Kolben 25, axial verschoben wird, wenn in den Zylinder 3o Druckmittel eingeleitet wird, so daß das Hauptventil 13 sehr schnell schließen kann. Im Zylinder 26 ist ein fester Anschlag 43 für den Kolben 25 vorgesehen, welcher so gelegt ist, daß durch Bewegung des Kolbens 25 mit Bezug auf Fig. 3 nach links gegen den Anschlag 43 das Hauptventil

13 nicht qanz, sondern nur bis in eine bestimmte Drosselstellung schließt. Dessen ungeachtet kann jedoch das Hauptventil 13 bei jeder Stellung des Kolbens 25 durch die V/irkung des SteuerZylinders 29, 3o, 31 ganz geschlossen werden, wenn in der Druckleitung 17 ein bestimmter Höchstdruck erreicht wird. Mit 45 ist eine drucKlose Rückführleitung bezeichnet, welche durch das Hilfsventil 32 hindurch den',Zylinder 3o und im übrigen auch einen Zwischenraum 46 entleert.

In Fig. 4 ist nur eine weitere Gestaltungsmöglichkeit des Kolbens 25 dargestellt.

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In-diesem" Pall, ist der letztere einstückig mit der Kolbenstange 18, 29 ausgebildet, und es ist im Kolben ein Einwegventil 44 vorgesehen,, welches ein schnelles Verschieben des Kolbens 25 im Zylinder 26 gestattet, wenn der Zylinder 3o unter Druck gesetzt wi.rd.

Fig. 5 bringt ein weiteres Ausführungsbeispiel für den das Hauptventil 13 betätigenden Steuerzylinder 22. In diesem Fall sitzt der Kolben 25 fest auf der Kolbenstange 28, 29, und es führt als Verbindungskanal eine Bohrung 47 längs durch die gesamte Kolbenstange von einer unter dem Druck der Preßluft stehenden Ventilkammer 49 des Hauptventils 13 zu einer mit dem entgegengesetzten Ende der Kolbenstange zusammenwirkenden Endkammer 48. Hierdurch wird der axiale Drück der Preßluft auf die Kolbenstange ausgeglichen. Der Kolben 25 wird wiederum entsprechend Fig. 1 beidseitig vom Druck der Druckleitung 17 vor bzw. hinter der Drosselstelle 19 beaufschlagt, wobei diesmal ein Hilfsventil So vorgesehen ist, welches in ähnlicher. Weise wie das in Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebene Hilfsventil 32 einen Steuerkölben 51 aufweist, der in Übereinstimmung mit dem oben beschriebenen Steuerkolben 4o unter dem Einfluß des Druckes in der Verbindungsleitung 2o steht. Wenn der eingestellte Grenzwert für den Druck erreicht wird, öffnet der Steuerkolben 51 einen Entlastungskanal 52, durch den Druckmittel aus der Zylinderkammer 24 zur drucklosen Rückführleitung 45 .abfließt. Bei dieser Anordnung sollte die Verbindungsleitung 23 mit einer Drosselstelle 53 versehen sein, damit die Regeleinrichtung auf das Erreichen des Druckgrenzwertes sehr schnell reagiert.

Weitere Ausgestaltungen der vorstehend beschriebenen Ausführungen lassen sich unter anderem dadurch gewinnen, 'daß die den Ventilteller 41 vorbelastende Druckfeder 27 durch eine Luftfeder oder durch einen unter konstantem Luftdruck stehenden Kolben ersetzt wird, oder auch dadurch, daß als Kolben

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25 eine Membran dient. Die Funktion der Feder 27 würde auch erfüllt durch eine in der Zylinderkammer 24 angeordnete Druckfeder, welche auf die Kolbenstange 28 und den Zylinder 25 wirkt. Schließlich ist die Erfindung auch nicht auf besondere Anv/endung beschränkt, denn der Hydraulikmotor 18 kann beispielsweise auch die Antriebseinheit eines hydraulisch angetriebenen Schlagwerkzeuges oder ein irgendv/elchen sonstigen Zv/ecken dienender Hydraulikmotor sein.

Ansorüche

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Claims (9)

1. Anspruch«

   RegeleitJrl.e!iiaing fiir einen Hydraulikmotor mit Druckiversorgung durch eine von einem Preßluftmotor angetriebene Pumpe, g eic en η ζ ei c h η e t d u r c h eine Drosselstelle Cl9) in der Druckleitung (17) des Hydraulikmotors (183, ein Hauptventil C13, 41) in der Preßluftleitung (12) des Preßlüftrtiotbrs (11) und ein das Hauptventil (13, 41) in Drossel- bzw. Schließrichtung betätigendes Schaltorgan (Steuerzylinder 22, 3o bzw. 5o), welches sowohl auf einen bestimmten Höchstdruck in Her hydraulischen Druckleitung (17) als auch auf ein bestimmtes Druckgefälle an der Drosselstelle (19) anspricht.
2. 2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch g ek en η ze i c h η et, daß das Schaltorgan aus einem doppelt wirkenden Steuer zylinder (22.) mit einem Kolben (25) mit beidseitig gleicher Kolbenfläche, deren eine vom hydraulischen Druck oberhalb und deren andere vom Druck unterhalb der Drosselstelle (19) beaufschlagt ist, und weiterhin aus einem zweiten Steuerzylinder (3o, 31) besteht, der über ein erst bei einem bestimmten Kaximaldruck in der Druckleitung (17) öffnendes Hilfsventil (32) mit deren Druck beaufschlagbar ist.
3. 3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kplben (25) des ersten Steuerzylinders (22) axial verschieblich auf dem das Hauptventil (13) betätigenden Kolben (29, 31) des zweiten Steuerzylinders (3o) sitzt und die relative Verschieblichkeit nur nach der Seite der Betätigung des Hauptventils (13) durch einen Mitnehmer (42) begrenzt ist, so daß der Kolben (29, 31) des zweiten Steuerzylinders (3o) in Drossel- bzw. Schließ-

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   richtung bewegbar ist, ohne den äusseren Kolben (25) mitzunehmen.
4. 4. Regeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg des äusseren KoI-bens (25) in Drossel- bzw. Schließrichtung des Hauptventils (13) durch einen festen Anschlag (43) begrenzt ist und der innere Kolben (28, 29, 31) über den Mitnehmer (42) bis zur Anlage des äusseren Kolbens (25) am Anschlag (43) nur bis zu einer bestimmten Drosselstellung des Hauptventils (13) mitnehmbar ist.
5. 5. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeic hnet, daß das Schaltorgan aus einem doppelt wirkenden Steuerzylinder (22) mit einem Kolben (25) mit beidseitig gleicher Kolbenfläche, deren eine vom hydraulischen Druck oberhalb und deren andere vom Druck unterhalb der Drosselstelle (19) beaufschlagt ist, sowie aus einem erst bei einem bestimmten Maximaldruck in der Druckleitung (17) umschaltenden Hilfsventil (5p, 51) besteht, welches dann die der Betätigung des Hauptventils (13) entgegenwirkende Seite (24) des Steuerzylinders (22) vom Druck entlastet.
6. 6. Regeleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zur entlasteten Seite (24) des Steuerzylinders (22) führende Druckleitung (17, 23) eine Drosselstelle (53) enthält.
7. 7. Regeleinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit dem Kolben (25) fest verbundene, sich nach beiden Seiten erstreckende Kolbenstange (28, 29) zur Betätigung des Haüptventils (13) dort in eine unter dem Druck der Preßluft stehende Ventilkammer (49) hineinragt und auf der anderen Seite dicht in einem abgeschlossenen Zylinder (48) geführt ist, der über einen Verbindungs-

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   kanal (47) ebenfalls mit dem Drück der Ventilkammer (49) be-_% aufschlagt ist. .

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8. 8. Regeleinrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e ν k e η η zeichne t, daß der Verbindungskanal eine Bohrung (47) in axialerRichtung durch die Kolbenstange (28, 29) ist.
9. 9. Regeleinrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e η η 7- e i c hn e t, daß das Hauptventil (13, 41) in Öffnungsrichtung federbelastet (Feder 27) ist. ·

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