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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schalt- und/oder Stetigventil im Einzelnen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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In der Hydraulik sind Schalt- und Stetigventile beispielsweise als Kolbenschieberventile bekannt. In einem Ventilgehäuse wird ein Ventilschieber (Kolben) relativ zu Steuerkanten im Ventilgehäuse derart bewegt, dass sich gewünschte Strömungsquerschnitte für ein zu steuerndes, durch das Ventil geleitetes Strömungsmedium in verschiedenen Schaltstellungen des Ventilschiebers ergeben. Eine andere Ausführungsform hingegen sieht beispielsweise vor, dass das Ventil als Drehschieberventil ausgeführt ist und somit die verschiedenen Schaltstellungen durch verschiedene Verdrehpositionen des Drehschiebers relativ zu Steuerkanten im Gehäuse definiert werden. Da die vorliegende Erfindung bei jeglichen Schalt- und/oder Stetigventilen anwendbar ist, werden sowohl Drehschieber in einer Ausführungsform des Ventils als Drehschieberventil als auch Kolbenschieber bei einer Ausführungsform des Ventils als Kolbenschieberventil als Ventilkörper bezeichnet und die zusammen mit dem Ventilkörper den Strömungsquerschnitt bestimmenden Steuerkanten werden als Ventilsitz bezeichnet. Die Erfindung ist darüber hinaus nicht nur bei Kolbenschieberventilen und Drehschieberventilen, sondern weiteren Ventilen mit wenigstens einem Ventilkörper und einem Ventilsitz anwendbar.
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Es werden vorgesteuerte und direktgesteuerte Ventile unterschieden. Bei vorgesteuerten Ventilen wird der Ventilkörper hydraulisch bewegt, wobei zur Erzeugung der hydraulischen Vorsteuerkräfte wiederum hydraulische Ventile verwendet werden, welche dann in der Regel deutlich kleiner und schneller als die dargestellte Hauptstufe arbeiten müssen. Bei direktgesteuerten Ventilen arbeitet hingegen ein Aktuator, beispielsweise angetrieben durch einen Elektromotor oder einen Elektromagnet, direkt auf den Ventilkörper der Hauptstufe. Direktgesteuerte Ventile sind einfacher im Aufbau, jedoch durch die aufzubringenden Steuerkräfte in der Baugröße und der Stellgeschwindigkeit des Ventilkörpers begrenzt.
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Unabhängig von der Betätigungsart wird von Hydraulikventilen oft verlangt, dass bei Wegfall eines Ansteuersignals oder beim Schalten der Steuerkreise in einen energiefreien Zustand der Ventilkörper in eine konstruktiv definierte Stellung verbracht wird. Diese Stellung wird im Allgemeinen als Fail-Safe-Stellung bezeichnet. Diese Schaltstellung bei energiefreiem Steuerkreis, vorliegend auch als Ausgangsstellung bezeichnet, soll einen hydraulisch definierten und beherrschbaren wie ungefährlichen Zustand zur Folge haben.
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Herkömmlich werden bei Kolbenschieberventilen die Kolbenschieber (Ventilkörper) an ihren beiden axialen Enden mit jeweils einer Federkraft beaufschlagt, um dadurch den Kolbenschieber mechanisch in eine zentrierte Fail-Safe-Stellung zu schieben, wenn Vorsteuerdrücke oder Stellsignale abgeschaltet werden, siehe beispielsweise Murrenhoff, H., Grundlagen der Fluidtechnik, 2005, Teil 1: Hydraulik, S. 227, ISBN 3-8265-9446-0. Das Prinzip der Federzentrierung weist jedoch Nachteile auf. So ist die federzentrierte Position definiert durch das Kräftegleichgewicht der an den beiden Stirnseiten positionierten Zentrierfedern. Unvermeidliche Reibung und Hysterese haben zur Folge, dass die Fail-Safe-Stellung nur mit einer Unsicherheit beziehungsweise Varianz eingestellt werden kann. Ferner wirkt die Federzentrierkraft beider Federn ständig, das heißt auch im Nennbetrieb des Ventils. Die Betätigungskraft des Ventils ist stets gegen die Zentrierkraft gerichtet, wodurch eine vergleichsweise höhere Betätigungskraft aufgebracht werden muss, was wiederum nachteilig hinsichtlich der Einstellgenauigkeit sowie der Kosten und Größe des Ventilantriebs ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schalt- und/oder Stetigventil anzugeben, das eine sehr exakt reproduzierbare Fail-Safe-Stellung beziehungsweise Ausgangsstellung aufweist und bei welchem vorteilhaft die Zentrierkraft im Nennbetrieb die Verstellkraft nicht ungünstig beeinflusst.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Schalt- und/oder Stetigventil mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Schalt- und/oder Stetigventil umfasst einen Ventilantrieb und wenigstens einen vom Ventilantrieb mittelbar oder unmittelbar betätigten Ventilkörper. Der Ventilkörper kann auch als Ventilschieber oder Kolben bezeichnet werden, beispielsweise als Drehschieber, wenn das Ventil als Drehschieberventil ausgeführt ist, oder als Kolbenschieber, wenn das Ventil als Kolbenschieberventil ausgeführt ist.
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Das erfindungsgemäße Ventil (Schalt- und/oder Stetigventil) weist wenigstens einen Ventilsitz auf, der zusammen mit dem Ventilkörper einen Strömungsquerschnitt für durch das Ventil geleitetes Strömungsmedium begrenzt. Der Ventilsitz kann beispielsweise durch ein Ventilgehäuse gebildet werden und insbesondere durch Steuerkanten in diesem, die zusammen mit dem Ventilkörper beziehungsweise entsprechenden Steuerkanten auf dem Ventilkörper den Strömungsquerschnitt für das Strömungsmedium, das durch das Ventil strömt, begrenzen.
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Der Strömungsquerschnitt wird in Abhängigkeit der Position oder der Stellung des Ventilkörpers relativ zum Ventilsitz verändert, um so in einer Schaltstellung den Strömungsquerschnitt stärker oder vollständig zu reduzieren und in einer anderen Schaltstellung stärker oder vollständig freizugeben.
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Der Ventilantrieb umfasst einen Drehantrieb, der einen über einer Drehachse verdrehbaren Aktuator aufweist. Der Aktuator ist mit dem Ventilkörper derart, insbesondere mechanisch, gekoppelt, dass sich die Position oder die Stellung des Ventilkörpers relativ zum Ventilsitz in Abhängigkeit der Drehstellung des Aktuators ändert. Das bedeutet, dass durch Drehantreiben des Aktuators der Strömungsquerschnitt zwischen Ventilkörper und Ventilsitz mehr oder minder geöffnet oder geschlossen wird.
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Beispielsweise kann der verdrehbare Aktuator durch einen Elektromotor, Hydromotor oder pneumatischen Motor angetrieben werden, wobei die Antriebswelle des Motors fluchtend, insbesondere einteilig oder drehstarr angeschlossen mit dem Aktuator ausgeführt ist. Alternativ kann zwischen der Antriebswelle und dem Aktuator ein Getriebe oder eine andere mechanische oder auch nicht mechanische, beispielsweise hydraulische oder pneumatische Triebverbindung vorgesehen sein, um die Drehbewegung der Antriebswelle des Motors auf den Aktuator zu übertragen. Der Motor ist beispielsweise als Schrittmotor ausgeführt.
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Erfindungsgemäß ist nun dem Aktuator ein exzentrisch auf der Drehachse des Aktuators gelagertes Exzenterelement zugeordnet, das drehstarr am Aktuator angeschlossen ist, insbesondere einteilig mit diesem ausgeführt ist und somit zusammen mit dem Aktuator umläuft beziehungsweise verschwenkt wird. Das Exzenterelement kann auch zugleich den Aktuator ausbilden. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann das Exzenterelement auf einer eigenen (weiteren) Drehachse drehbar gelagert sein und in einer Triebverbindung, insbesondere mechanischen Triebverbindung, beispielsweise über ein Getriebe, mit dem Aktuator stehen. Hierbei kann das Getriebe beispielsweise eine Übersetzung aufweisen, um das Drehmoment des Aktuators bei der Übertragung auf das Exzenterelement zu erhöhen.
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Erfindungsgemäß ist dem Exzenterelement eine federbetätigte Rückstellvorrichtung zugeordnet, die im Sinne eines Rückdrehens des Exzenterelementes über seiner Drehachse in eine Ausgangsstellung, der sogenannten Fail-Safe-Stellung, wirkt. Die Rückstellvorrichtung weist einen Stößel auf, der mittels einer Feder gegen das Exzenterelement gepresst wird. Die Feder kann dabei als mechanische Feder, beispielsweise als Druckfeder oder Zugfeder ausgeführt sein, jedoch kommen auch andere Federn, beispielsweise pneumatische oder hydraulische Federn in Betracht.
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Um eine ungünstige Auswirkung der rückstellenden Federkraft über den Stößel auf den Aktuator im Sinne einer Beeinflussung der notwendigen für die Betätigung des Ventils im Nennbetrieb aufzubringenden Verdrehkraft zu vermeiden, weist die Rückstellvorrichtung erfindungsgemäß eine über ein Steuersignal oder einen Steuerdruck insbesondere aktiv betätigbare Ausrückeinrichtung auf, die mit dem Stößel entgegen der Kraft der Feder wirkend gekoppelt ist, um bei Vorliegen des Steuersignals oder des Steuerdruckes ein Abheben des Stößels vom Exzenterelement zu bewirken. Somit kann im Nennbetrieb des Ventils erreicht werden, dass sich das Exzenterelement frei über seiner Drehachse, die insbesondere mit der Drehachse des Aktuators zusammenfällt, verdrehen kann. Im Auslösefall der Rückstellvorrichtung hingegen, wenn das Steuersignal oder der Steuerdruck nicht wirkt, entfällt die abrückende Kraft der Ausrückeinrichtung, sodass sich der Stößel aufgrund der Federkraft gegen das Exzenterelement anlegt und dieses in die Ausgangsstellung zurückdreht.
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Wenn das Ventil als Drehschieberventil ausgeführt ist, kann der Ventilkörper in einer Triebverbindung zur gemeinsamen Verdrehung mit dem Aktuator stehen. Alternativ ist der Ventilkörper drehstarr am Aktuator angeschlossen oder einteilig mit dem Aktuator ausgeführt.
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Wenn das Ventil als lineares Kolbenschieberventil ausgeführt ist, so ist der Ventilkörper über ein Getriebe zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Linearbewegung am Aktuator angeschlossen, beispielsweise über ein exzentrisch zu der Drehachse des Aktuator angeschlossenes und ferner am Ventilkörper angeschlossenes Pleuel oder eine entsprechende Pleuelstange. Besonders günstig ist es, wenn das Exzenterelement den Anschlusspunkt für das Pleuel oder die Pleuelstange trägt. Beispielsweise kann das Exzenterelement unmittelbar auf der Abtriebswelle eines Antriebsmotors, insbesondere Schritt- oder Servomotors positioniert sein oder in drehstarrer Verbindung mit dieser stehen und exzentrisch zu der Drehachse den Anschlusspunkt für das Pleuel beziehungsweise die Pleuelstange tragen, der/die mit seinem/ihrem anderen axialen Ende am Ventilkörper, insbesondere einem Kolbenschieber mit Steuerkanten, der in einem Ventilgehäuse reziprok linear gleitet, angeschlossen sein. Als Getriebe zur Umwandlung der Drehbewegung in eine Linearbewegung kommen auch andere Ausführungsformen in Betracht, nur beispielhaft wird auf andere Kurbelgetriebe oder Kurvengetriebe, letzteres beispielsweise mit einem Exzenter der am Ventilkörper angreift, verwiesen.
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Um eine besonders zuverlässige und zugleich reibungsarme Rückstellung des Exzenterelementes in die Ausgangsstellung mittels der federbetätigten Rückstellvorrichtung, im Einzelnen durch drehendes Zurückschieben mit dem Stößel zu erreichen, kann der Stößel eine dem Exzenterelement zugewandte konkave Öffnung aufweisen, in welche eine entgegengesetzte konvexe, insbesondere zylindrische oder sphärische Oberfläche des Exzenterelementes, zumindest in der Ausgangsstellung bei anliegender Stellung des Stößels an dem Exzenterelement eintaucht. Gemäß einer Ausführungsform taucht das Exzenterelement dabei nur teilweise in die Öffnung ein, die beispielsweise derart ausgebildet ist, dass der Stößel ein dem Exzenterelement zugewandtes gabelförmiges Ende aufweist.
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Besonders günstig ist es, wenn die sich einander zugewandten Oberflächen des Exzenterelementes und des Stößels derart ausgeführt sind, dass sich eine punktförmige oder linienförmige Berührung, insbesondere an genau zwei Stellen, nämlich bei einer gabelförmigen Ausgestaltung an jeder Gabel eine genaue Stelle, ergibt.
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Die Ausrückeinrichtung, mittels welcher der Stößel entgegen der Federkraft vom Exzenterelement teilweise oder vollständig abgehoben wird, kann beispielsweise einen Antrieb mit einem Elektromagneten oder einem hydraulischen oder pneumatischen Kolben oder dergleichen aufweisen. Auch andere Ausführungsformen, beispielsweise mit mechanischen Hebeln, die am Ventilkörper angeschlossen sind oder durch diesen betätigt werden, kommen in Betracht.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Stößel der Rückstellvorrichtung eine Doppelfunktion auf. So dient er nicht nur dem rückstellenden Beaufschlagen des Exzenterelementes mit einer Rückstellkraft, zumindest wenn die Ausrückeinrichtung deaktiviert ist, sondern er bildet zugleich wenigstens einen Anschlag oder vorteilhaft jeweils einen Anschlag pro Drehrichtung für das Exzenterelement und damit unmittelbar oder mittelbar auch für den Aktuator aus, um den Verstellweg des Ventils zu begrenzen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Exzenterelement als exzentrisch auf seiner Drehachse gelagerte(r) Kreisscheibe oder Zylinder ausgeführt. Andere Ausführungsformen sind möglich.
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Günstig ist es, wenn in der Ausgangsstellung des Exzenterelementes der Anschlusspunkt des Pleuels beziehungsweise der Pleuelstange, der Drehachse des Exzenterelementes sowie die Wirkrichtung der Federkraft der den Stößel beaufschlagenden Feder auf einer Linie liegen.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels exemplarisch beschrieben werden.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines linearen Kolbenschieberventils mit motorischer Ventilbetätigung, bei welcher die Erfindung angewendet werden kann;
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2 ein Exzenterelement und eine federbetätigte Rückstellvorrichtung für das Kolbenschieberventil gemäß der 1 in verschiedenen Schaltstellungen.
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In der 1 ist ein erfindungsgemäßes Ventil in Form eines Stetigventils nach der Kolbenschieberbauart dargestellt, umfassend einen Ventilantrieb 1, der einen Ventilkörper 2 betätigt, damit dieser mit einem Ventilsitz 3 innerhalb eines Ventilgehäuses 4 zusammenarbeitet, um den Strömungsquerschnitt eines Strömungsweges 5 durch das Ventil mehr oder minder zu begrenzen. In Abhängigkeit der Stellung des Ventilkörpers 2 strömt ein Strömungsmedium vom exemplarisch dargestellten Einlass 6 über den Strömungsweg 5 zum Auslass 7.1 oder zum Auslass 7.2, je nachdem ob der Ventilkörper 2 ausgehend von seiner in der 1 oben dargestellten Ausgangsstellung (X) in die eine oder andere Richtung verschoben wird. In der Ausgangsstellung ist im gezeigten Beispiel der Strömungsweg vom Einlass 6 zu, bei Auslässen 7.1, 7.2 durch den Ventilkörper 2 unterbrochen.
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Der Ventilantrieb 1 weist einen Aktuator 8 auf, der über der Drehachse 9 verdrehbar ist. Am Aktuator 8 ist exzentrisch zur Drehachse 9 ein Pleuel 10 angeschlossen, welcher mit seinem zweiten Ende am Ventilkörper 2 angeschlossen ist, um so die Drehbewegung des Aktuators 8 in eine Linearbewegung des Ventilkörpers 2 umzuwandeln.
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Wie im Einzelnen in der 2 dargestellt ist, ist nun der Aktuator 8, wenn dieser selbst das Exzenterelement 11 ausbildet oder (nicht dargestellt) ein zusätzlich zu dem Aktuator 8 vorgesehenes und an diesem angeschlossenes Exzenterelement derart exzentrisch auf der Drehachse 9 gelagert, dass dieses zusammen mit dem Anschlusspunkt 12 (siehe auch die 1) über der Drehachse 9 verschwenkt oder verkippt wird, wenn der Ventilantrieb 1 betätigt wird. Bei einem Antrieb des Ventilantriebs 1 aus der Ausgangsstellung X0 in die Stellung +X1 wird das Exzenterelement 11 zusammen mit dem Anschlusspunkt 12 in eine erste Richtung verdreht. Bei der Verstellung aus der Ausgangsstellung X0 in die Stellung –X1 erfolgt hingegen eine Verschwenkung in eine zweite, zur ersten Richtung entgegengesetzte Richtung.
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Mit einer Verschwenkung des Exzenterelementes 11 über der Drehachse 9 erfolgt eine seitliche Auslenkung gegenüber dem federbetätigten Stößel 13 der Rückstellvorrichtung 14, bezogen auf die Kraftrichtung der Feder 15. Diese Kraftrichtung der Feder 15 ist vorliegend mit 16 beziffert.
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Die seitliche Auslenkung gegenüber der Kraftrichtung 16 beim Übergang in die Position –X1 ist entgegengesetzt zu der seitlichen Auslenkung beim Übergang in die Position +X1, zugeordnet zu dem Verdrehwinkel –α beziehungsweise dem Verdrehwinkel +α, wie in der 2 dargestellt.
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Der Stößel 13 wird mittels der Kraft der Feder 15 mit seinem dargestellten gabelförmigen Ende, gebildet durch die konkave Öffnung 18, gegen das Exzenterelement 11 gepresst, solange die Ausrückeinrichtung 17 nicht aktiviert ist. Die Ausrückeinrichtung 17 kann beispielsweise durch einen Elektromagneten gebildet werden und wirkt im Sinne einer Verschiebung des Stößels 13 entgegen der Kraft der Feder 15, um den Stößel 13 vom Exzenterelement 11 abzuheben. Ganz links in der 2 ist der nicht aktivierte Zustand der Ausrückeinrichtung 17 dargestellt, in welchen somit die Feder 15 die Anlage des Stößels 13 am Exzenterelement 11 bewirkt. In den übrigen Darstellungen ist der aktivierte Zustand der Ausrückeinrichtung 17 dargestellt, in welchem der Stößel 13 vom Exzenterelement 11 abgehoben ist.
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Wie man leicht aus der 2 erkennen kann, bewirkt nun im seitlich ausgelenkten Zustand des Exzenterelementes 11 ein Ausschalten der Ausrückeinrichtung 17, dass der Stößel 13 durch die Federkraft der Feder 15 gegen das Exzenterelement 11 gedrückt wird und dieses im Sinne eines Rückstellens in die Ausgangsstellung in der Position X0 wirkt. Gleichzeitig wird hierdurch über den Aktuator 8, separat zum Exzenterelement 11 oder gebildet durch das Exzenterelement 11 der Ventilkörper 2 (siehe die 1) in seine Ausgangsstellung, die sogenannte Fail-Safe-Stellung bewegt.
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Obwohl die Erfindung vorliegend anhand eines Kolbenschieberventils erläutert wurde, ist sie genauso bei anderen Ventilbauarten anwendbar, beispielsweise bei einem Drehschieberventil. In einem solchen Fall könnte das Exzenterelement starr an einem entsprechenden Drehschieber angeschlossen sein oder teilweise durch diesen gebildet sein oder in einer Triebverbindung mit diesem stehen, um bei seiner Bewegung in die Ausgangsstellung auch den Drehschieber in die Ausgangsstellung zu bewegen.
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Das gabelförmige Ende des Stößels 13 bildet, wie man in den seitlich ausgelenkten Stellungen des Exzenterelementes 11 erkennen kann, in jeder Drehrichtung des Exzenterelementes 11 einen Anschlag zur Begrenzung der Verdrehung des Exzenterelementes 11 über der Drehachse 9 und damit ebenfalls zur Begrenzung der Verdrehung des Aktuators 8 und somit der Bewegung des Ventilkörpers 2.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Murrenhoff, H., Grundlagen der Fluidtechnik, 2005, Teil 1: Hydraulik, S. 227, ISBN 3-8265-9446-0 [0005]
