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Servo-Schieberventil
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Die Erfindung betrifft ein Servoschieberventil mit lilindestens zwei
Arbeitsstellungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Derartige Servoventile
sind in-verschiedenster Ausführung im Einsatz.Typische Verwendungen für derartige
Ventile. sind Druckluft- und Hydraulikkreise von Kraftfahrzeugen, insbesondere Lastwagen.
Für diesen Einsatz zweck müssen derartige Servoventile in verhältnismäßig kleiner
Serie mit unterschiedlichen Kenndaten hergestellt werden, z. B. für Arbeitsdrucke
von 10 oder 16 bar. Bei den bekannten Servoventilen ist es schwierig, zu wirtschaftlich
vertretbaren Kosten Kleinserien nach Kundenwünschen aufzulegen.
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Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein Servoschieberventil
mit mindestens zwei Arbeitsstellungen geschaffen werden, welches leicht mit unterschiedlichen
Kenndaten
in Kleinserje hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Servoschieberventil
gemäß Anspruch 1.
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Das erfindungsgemäße Servoschieberventil hat einen hochmodularen Aufbau.
Die einzelnen Teile können leicht ausgetauscht und Kundenwünschen angepaßt werden.
Zum Beispiel kann man für Einsatzzwecke mit hoher Druckbelastung die Ventileinsätze
aus Metall herstellen, während für geringere Druckbelastungen Ventileinsätze aus
Kunststoff Verwendung finden. In diesem Falle verwendet man dann auch andere Dichtringe
auf den Steuerbunden des Ventilschiebers.
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So sind für Ventileinsätze aus schlagfestem Kunststoff wie Polymethylenoxyd
Dichtringe aus Polyuretangeeignet.
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Für höhere Drucke werden die Ventileinsätze z. B. aus Aluminium hergestellt.
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Bei dem erfindunysgemäßen Servoventil kann man den Gehäusehauptkörper
einfach von einem entsprechenden stranggepreßten Metallprofil abschneiden. Eine
spanende mechanische Bearbeitung entfällt also hier weitgehend.
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Man muß auch zur Herstellung des Gehäusehauptkörpers keine teuren
Spritzformen erstellen.
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Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Servoschieberventil ein Entlüftungsventil
direkt in eine der Stirnplatten
des Ventilgehäuses integriert ist,
erfolgt die Entlüftung des zugeordneten Servokolbens sehr rasch. Man hat also kurze
Schaltzeiten.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen
angegeben.
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Ein Entlüftungsventil, wie es im Anspruch 2 angegeben ist, kann bei
sehr einfachem mechanischem Aufbau die beiden Aufgaben der Steuerung der Druckmittelzufuhr
und Druckmittel abfuhr zum bzw. vom zugeordneten Servokolben vornehmen.
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Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 7 wird erreicht,
daß man unter Verwendung derselben Ventilbauteile wahlweise ein übliches Servoventil
(ein Vorsteuerventil wird verwendet) und ein Impulsventil (Verwendung von zwei Vorsteuerventilen)
herstellen kann.
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Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 9 ist im Hinblick auf
die Verwendung verhältnismäßig großen Durchmesser aufweisender, belastungsfähiger
Befestigungsmittel bei kleinen Abmessungen des Ventilgehäuses von Vorteil.
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Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 11 wird auf einfache
Weise eine dritte Arbeitsstellung des
Schieberventiles erhalten,
nämlich eine neutrale oder Mittenstellung. Bei der Realisierung eines solchen Dreistellungs-Ventiles
können weitestgehend diejenigen Baugruppen verwendet werden, welche auch beim Bau
von Zweistellungs-Ventilen verwendet werden.
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Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 12 wird erreicht,
daß die vom Ventilschieber getragenen Dichtungen beim Vorbeilaufen an einer Steuerkante
stets einen Druckausgleich erfahren.
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Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 13 ist im Hinblick
auf ein einfaches Herstellen eines Ventileinsatzes durch Spritzen von Vorteil, insbesondere
dann, wenn eine der Steueröffnungen mit Druckausgleichskerben versehen ist und die
Trennebene zwischen den beiden Einsatzsegmenten durch diese Steueröffnung gelegt
wird.
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Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 17 wird erreicht,
daß die einzelnen Dichtringe jeweils druckausgeglichen sind, ganz gleich,zu welcher
Seite der zugeordneten Steueröffnung sie stehen.
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Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 18 ist im Hinblick
auf den Einsatz bei sehr hohen Drucken von Vorteil.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen: Fig.
1 einen axialen Schnitt durch ein 5/2-Servoventeil, Fig. 2 einen transversalen Schnitt
durch das Ventil nach Fig. 1 längs der dortigen Schnittlinie II-II; Fig. 3 einen
axialen Schnitt durch ein abgewandeltes 5/2-Servoventil; Fig. 4 einen Schnitt durch
ein 5/3-Servoventil, welches sich unter Verwendung von Bauteilen für das Ventil
nach Fig. 3 zusammensetzen läßt; Fig. 5 einen abgewandelten Ventileinsatz zur Verwendung
im Ventil nach Fig. 4; Fig. 6. eine Aufsicht auf die Stirnseite des Einsatzes nach
Fig. 5, in Fig. 5 von rechts gesehen; Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung des in
Fig, 5 bei VII gezeigten Abschnittes des dortigen Ventileinsatzes; und
Fig.
8 eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 6 bei VIII gezeigten Abschnittes des
dortigen Ventileinsatzes.
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Fig. 1 zeigt eine Ventilmontageplatte 10 mit einer Hochdruckanschlußöffnung
12, zwei Niederdruckanschlußöffnungen 14, 16 sowie zwei Arbeitsanschlußöffnungen
18, 20. Auf die Ventilmontageplatte 10 ist eine Dichtplatte 20 aus elastomerem Material
aufyesetzt, die mit den Anschlußöffnungen 12 bis 20 fluchtende Durchbrechungen aufweist.
Auf der Dichtplatte 22 sitzt ein insgesamt mit 24 bezeichnetes 5/2-Schieberventil,
welches seinerseits ein Magnet-Vorsteuerventil 26 trägt. Die durch Schieberventil
24 und Vorsteuerventil 26 gebildete Ventileinheit ist mittels Gewindebolzen 28 mit
der Montageplatte 10 verschraubt (s. Fig. 2).
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Das Schieberventil 24 hat einen Gehäusehauptkörper 30, der an seinen
Enden durch Stirnplatten 32, 34 verschlossen ist. An einer Gehäusebohrung 36 des
Gehäusehauptkörpers 30 ist mittig ein radial nach innen vorspringender Anschlagbund
38 vorgesehen. An letzterem schlagen von links bzw.
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rechts zwei Ventileinsätze 40, 42 an. Diese sind gleich aufgebaut,
so daß nur der Einsatz 42 im einzelnen beschrieben zu werden braucht. Der Einsatz
42 ist über einen 0-Ring 44 gegen den Anschlagbund 38, einen O-Ring 46 gegen die
Gehäusebohrung 36 und einen O-Ring 48 gegen die Stirnplatte 34 abgedichtet. In der
Mantelfläche des Ventileinsatzes
42 sind zwei breite Umfangsnuten
50, 52 vorgzsehen, welche über eine Mehrzahl in Winkelrichtung verteilter radialer
Verbindungsöffnungen 54, 56 mit einer durch die Innenfläche des hülsenförmigen Ventileinsatzes
42 gebildeten Ventilbohrung 58 in Verbindung stehen.
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Durch die Ventilbohrungen 58 der beiden Ventileinsätze 40, 42 erstreckt
sich ein Ventilschieber 60 gleitend verschiebbar. Der Ventilschieber 60 hat Stirnbunde
62, in welchen O-Ringe 64 einsitzen. Steuerbunde 66, 68 des Ventilschiebers 60 tragen
jeweils zwei O-Ringe 70, 72, deren axialer Abstand etwas größer ist als die. axiale
Erstreckung der Verbindungsöffnunaen 54, 56. Durch die Bunde 62, 66 und 68 sind
in Umfangsrichtung verlaufende Steuernuten 74, 76, 78 des Ventilschiebers 60 vorgegeben,
über welche die Arbeitsanschlußöffnunen 18, 20 wahlweise mit der Hochdruckanschlußöffnung
12 bzw. einer benachbarten der Niederanschlußöffnungen 14, 16 verbindbar sind.
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Der Ventilschieber 60 ist als Hohlkolben ausgebildet, eine innen liegende
abgestufte Sackbohrung 80 steht über eine radiale Verbindungsöffnung 8Z in der Umfangswand
des Ventilschiebers 60 ständig mit der Hochdruckanschlußöffnung 12 in Verbindung.
Im in Fig. 1 rechts gelegenen Abschnitt der Sackbohrung 80 ist ein Kolben angeordnet,
welcher einen Kolbenkörper 84 und eine von diesem getragene Lippendichtung 86 aufweist.
Der Kolbenkörper 84 hat eine axiale Verlängerung 88, welche sich an der Stirnplatte
24
abstüLzL. AuS diese Weise ist der Ventilschieber 60 durch Druckmittelbeaufschlaqung
ständig in die in Fig. 1 wiedergegebene Arbeitsstellung vorgespannt, in welcher
die Hochdruckanschlußöffnung 12 mit der Arbeitsanschlußöffnung 18 kommuniziert,
während die Arbeitsanschlußöffnung 20 über die Steuernut 78 mit der Niederdruckanschlußöffnung
16 verbunden ist.
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Die Hochdruckanschlußöffnung 12 steht ferner über einen Gehäusekanal
90 mit dem Einlaßkanal 92 des Vorsteuerventiles 26 in Verbindung. Ein Ventilkörper
94 des Vorsteuerventiles ist durch einen nicht näher gezeigten Elektromagneten von
einem zugeordneten, durch das Ende des Einlaßkanales 92 vorgegebenen Ventilsitz
95 abhebbar und stellt dann eine Verbindung zu einem Auslaßkanal 96 des Vorsteuerventiles
26 her. Der letztere kommuniziert mit einem im wesentlichen axial verlaufenden Verbindungskanal
97 des Gehäusehauptkörpers 30, welcher in die Stirn fläche des Gehäusehauptkörpers
30 ausmündet. Dort beginnt ein fluchtender Einlaßkanal 98 der Stirnplatte 32, welcher
zu einer in der Stirnplatte 32 ausgebildeten Ventilkammer 100 führt. In der letzteren
ist ein Ventilsitz 102 angeordnet, der mit dem mittigen Abschnitt 104 eines Ventilkörpers
106 zusammenarbeitet, welcher am Umfangsrand mit einer flexiblen Dichtlippe 108
versehen ist, die ein Rückschlagventil darstellt.
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Der in Fig. 1 unter dem Ventilkörper 106 und über dem Ventilsitz 102
liegende Raum-ist über eine Öffnung 110 mit dem in Fig. 1 links gelegenen Ende der
Ventilbohrung 58 des Ventileinsatzes 40 verbunden.
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Der Ventilsitz 102 trägt auslaßseitig einen Schalldämpfer 112, an
dem ein Befestigungsring 114 angreift.
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Die Ventilbohrung 58 des Ventileinsatzes 42 steht mit einer Entlüftungsbohrung
116 der Stirnplatte 34 in Verbindung, welche durch ein Filter. 118 verschlossen
ist.
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Das obenstehend beschriebene Servoventil arbeitet folgen dermaßen:
Wird das Magnet-Vorsteuerventil 26 nicht erregt, so wird der Ventilschieber 60 in
der in Fig. 1 wiedergegebenen ersten Arbeitsstellung gehalten. Bei Erregung des
Magnet-Vorsteuerventiles 26 wird die linke Stirnfläche des Ventilschiebers 60 unter
Verformung der Dichtlippe 108 des Ventilkörpers 106 mit Druck beaufschlagt, so daß
der Ventilschieber 60 nun durch Differenzdruckbeaufschlagung effektiv in Fig. 2
nach rechts bewegt wird, bis er mit seinem rechts gelegenen Ende an der Stirnplatte
34 anschlägt. In dieser Arbeitsstellung ist die Hochdruckanschlußöffnung 12 mit
der Arbeitsanschlußöffnung 20 verbunden, die Arbeitsanschlußöffnung 18 ist mit der
Niederdruckanschlußöffnung
14 verbunden. Wird die Erregung des
Magnet-Vorsteuerventiles 26 beendet, so fällt der Druck im Einlaßkanal 92 ab, der
Ventilkörper 106 wird in Fig. 1 nach oben bewegt und die linke Stirnfläche des Ventilschiebers
60 wird über den Ventilsitz 102 und den Schalldämpfer 112 druckentlastet. Damit
bewegt sich der Ventilschieber 60 wieder in Fig. 1 nach links. Dieses Zurückkehren
in die erste Arbeitsstellung erfolgt sehr rasch, da das Entlüftungsventil 102, 106
direkt in die Stirnplatte 32 integriert ist, so daß das Abströmen der Druckluft
über große Querschnitte und auf einem kurzen Weg erfolgt.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, schneiden Durchgangsbohrungen 120
des Gehäusehauptkörpers 30 zur Aufnahme der Gewindebolzen 28 die Gehäusebohrung
36. Dies ermöglicht es, verhältnismäßig großen Durchmesser aufweisende Gewindebolzen
28 zu verwenden, ohne daß die transversalen Abmessungen des Gehäusehauptkörpers
30 groß werden. Zur Abdichtung der Durchgangsbohrungen 120 dient montageplattenseitig
die Dichtplatte 22 und beim in Fig. 2 oben liegenden Ende der Durchgangsbohrungen
120 ein elastischer Dichtring 122, der in eine Dichtnut 124 eingesetzt ist. Letztere
befindet sich am Boden einer Gegenbohrung 126, welche einen Kopf 128 des zugehörigen
Gewindebolzens 28 aufnimmt. Der Kopf 128 kommt beim Anziehen des Gewindebolzens
28 in Anlage an den Boden der Gegenbohrung 126, so daß der Dichtring 122 in genau
vorgegebenem Maße zusammengedrückt wird.
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Das Figur. 3 wiedergegebene 5/2-Servoventil ist sehr änhlich zu den
in den Fig. 1 und 2 wiedergegebenen aufgebaut.
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Entsprechende Bauteile sind wieder mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Das in Fig. 3 wiedergegebene Servoventil unterscheidet sich von dem
nach den Fig. 1 und 2 zum einen dadurch, daß die O-Ringe 64, 70, 72 des Ventilschiebers
60 nicht mehr direkt auf den Ventilbohrungen 58 der Ventileinsätze 40, 42 laufen,
vielmehr zum radialen elastischen Vorspannen von aus Polytetrafluoroäthylen hergestellten
Gleitdichtringen 130 dienen.
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Außerdem ist der Gehäusehauptkörper 30 mit einem in Gehäuse-Längsrichtung
verlaufenden Vorsteuer-Speisekanal 132 versehen, welcher mit zwei symmetrisch zur
Mittelebene des Gehäusehauptkörpers 30 angeordneten Gehäusekanälen 90a und 90b kommuniziert,
welche von der Funktion her jeweils dem Gehäusekanäl 90 von Fig. 1 entsprechen.
Ebenfalls symmetrisch zur Mittelebene des Gehäusehauptkörpers 30 sind zwei transversale
Endabschnitte 134a und 134b von zwei getrennten, parallel unter Abstand in Gehäuse-Längsrichtung
verlaufenden Verbindungskanälen 97a und 97b vorgesehen. Der Verbindungskanal 97a
mündet in die in Fig. 3 links gelegene Stirnfläche des Gehäusehauptkörpers 30 aus,
während der Verbindungskanal 97b zur rechts gelegenen
Stirnfläche
des Gehäusehauptkörpers 30 führt.
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Der Gehäusekanal 90b ist durch eine Verschlußplatte 136 unter Verwendung
einer in den Gehäusehauptkörper 30 eingeschraubten Schraube 138 und eines O-Ringes
140 dicht verschlossen. Der Kanalabschnitt 134a ist über einen 0-Ring 142 gegen
die Verschlußplatte 136 abqedichtet und steht über einen in der letzteren angeordneten
Filter -körper 144 und eine hiermit fluchtende Öffnung 148 der Verschlußplatte 136
mit der Umgebunqsatmosphäre in Verbindung. Das in Fig. 3 wiedergegebene Servoventil
arbeitet genauso wie das in Fig. 1 gezeigte. Bei dem Servoventil nach Fig. 3 ist
aber in der Stirnplatte 32 ein Entlüftungskanal 116' vorgesehen, welcher zur Ausmündungsstelle
des Verbindungskanales 97a führt. Dies erlaubt es, unter Verwendung ein- und derselben
Standardbauteile für Vorsteuerventil 26, Gehäusehauptkörper 30, Stirnplatten 32,
34 und die restlichen Ventilbauteile 5/2-Servoventile und 5/3-Servoventile herzustellen,
wobei nur der Ventilschieber 60 geringfügig abzuwandeln ist. Fig. 4 zeigt ein weitestgehend
dem Servoventil nach Fig. 3 entsprechendes Servoventil , welches zusätzlich eine
Mittenstellung aufweist.
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Bei dem Servoventil nach Fig. 4 sind zum einen zwei Stirnplatten 34a
und 34b vorgesehen, welche ein Schnellentlüftungsventil aufweisen, wie oben im einzelnen
beschrieben. Außerdem ist die Verschlußplatte 136 abgeschraubt,
und
an der entsprechenden Stelle -ist ein zweites Magnet-Vorsteuerventil 26b vorgesehen.
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Im Ventilschieber 60 ist die Verbindungsöffnung 82 weggefallen. In
ihm sind zwei Kolbenkörper 84a und 84b symmetrisch angeordnet und durch Schraubendruckfedern
150a und 150b in axialer Auswärtsrichtung vorgespannt. Sprengringe 152a und 152b
halten die Kolbenkörper 84a und 84b im Ventilschieber 60.
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Das Servoventil nach Fig. 4 arbeitet folgendermaßen: Sind die beiden
Magnet-Vorsteuerventile 26a und 26b nicht erregt, so sind die Kolbenkörper 84a und
84b beide druckentlastet. Die Schraubendruckfedern 150a und 150b stellen unter diesen
Bedingungen den Ventilschieber 60 in die in Fig. 4 wiedergegebene Mittenstellung.
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Wird das Magnet-Vorsteuerventil 26a mit Druck beaufschlagt, so wird
über den Verbindungskanal 97a und die Stirnplatte 34b die rechts gelegene Stirnfläche
des Ventilschiebers 60 mit Druck beaufschlagt, so daß sich dieser in Fig. 4 nach
links bewegt. Man erhält so eine erste Arbeitsstellung, in welcher der Arbeitsanschluß
A1 mit dem Druckanschluß P und der Arbeitsanschluß A2 mit dem Niederdruckanschluß
S verbunden ist.
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Wird dagegen nur das Magnet-Vorsteuerventil 26b erregt, so wird die
in Fig. 4 links gelegene Stirnfläche des Ventilschiebers 60 über den Verbindungskanal
97b und die Stirnplatte 34a mit Druck beaufschlagt, so daß sich der Ventilschieber
60 in Fig. 4 nach rechts bewegt, und in dieser zweiten Arbeitsstellung ist die Arbeitsöffnung
A1 mit dem Niederdruckanschluß R und die Arbeitsöffnung A2 mit dem Druckanschluß
P verbunden.
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Werden die Magnet-Vorsteuerventile 26a und 26b beide gleichzeitig
erregt, so ist der Ventilschieber 60 wieder druckausgeglichen und wird durch die
Schraubendruckfedern 150a und 150b in die Mittenstellung bewegt.
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Fig. 5 zeigt einen abgewandelten Ventileinsatz 40', welcher anstelle
der Ventileinsätze 40 und 42 verwendbar ist.
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Teile des Ventileinsatzes, welche obenstehend schon bemittigen,
dreieckigen
Querschnitt aufweisenden- Bodenrippe 158 versehen sind, um die zugeordneten 0-Ringe
verdrehsicher aufzunehmen. An seinem in Fig 5 rechts gelegenen Ende ist das Einsatzsegment
154 mit einer Vielzahl in Umfangsrichtung verteilter Druckausgleichskerben 160 versehen,
und die dazwischen verbliebenen Materialstege sind in der Nachbarschaft der Ventilbohrung
58 mit einer Abrundung 162 versehen, wie. insbesondere aus Fig. 7 ersieht lich ist.
Ähnlich ist das Einsatzsegment 156 auf seiner dem Einsatzsegment 154 zugewandten
Seite mit Druckausgleichskerben 164 versehen, und die dazwischenliegenden Materialstege
sind ebenfalls radial innen abgerundet..
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Das Einsatzsegment 156 ist radial außen mit einer axial offenen Aufnahmenut
166 für.einen O-Ring 44 versehen.
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Das Einsatzsegment 154 trägt an seiner in Fig. 5 rechts gelegenen
Stirnfläche drei angeformte Distanzabschnitte-168, so daß das Einsatzsegment 15&-
nicht bündig gegen das Einsatzsegment 154 gelegt werden kann, vielmehr zwischen
den beiden Einsatzsegmenten 154, 156 im aneinanderliegenden Zustand definierte Verbindungsöffnungen
54 verbleiben, die wiederum Steueröffnungen darstellen, welche mit den Steuerbunden
des Ventilschiebers 60 zusammenarbeiten. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, fluchten
die Distanzabschnitte 168 axial mit den zwischen den Verbindungsöffnungen 56 liegenden
Materialstegen. Die effektive Breite der Verbindungsöffnungen 54 ergibt sich aus
der
axialen Abmessung der Distanzabschnitte 168 + der Summe der
Tiefen der Ausgleichskerben 166 und 164.
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Wie am in Fig. 5 unten rechts liegenden der Distanzabschnitte 168
gezeigt, ist deren Innenfläche zur Ventilbohrung 58 radial nach außen versetzt,
so daß sich die von den Steuerbunden des Ventilschiebers getragenen Dichtringeinheiten
(in Fig. 1: 70, 72; in den Fig. 3 und 4: 70, 130 und 72, 130) in radialer Richtung
aufweiten können, wenn sie durch den Zwischenraum zwischen den Einsatzsegmenten
154, 156 hindurchbewegt werden.
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Fig. 7 zeigt in vergrößertem Maßstab eine der Druckausgleichskerben
160 und eine der Abrundungen 162. Zusätzlich ist ein Abschnitt des Steuerbundes
66 mit dem O-Ring 70 wiedergegeben, wobei die Ventilschieberstellung so ewählt ist,
daß der O-Ring 70 noch satt an der Bohrung 58 anliegt. Man erkennt, daß der O-Ring
70 stark zusa=-uengedrückt ist. Zum Vergleich sind rechts gestrichelt die Verhältnisse
eingetragen, die angetroffen werden, wenn der O-Ring 70 über die Steuerkante hinweg
bewegt worden ist.
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Man erkennt, daß die Abrundung 162 das Vorbeilaufen des O-Ringes 70
an der Steuerkante begünstigt, so daß der Verschließ herabgesetzt ist. Außerdem
erkennt man, daß die den O-Ring 70 aufnehmende Nut während des Komprimierens und
Entlastens des O-Ringes 70 über die Druckausgleichskerben 160 frei zugänglich bleibt,
so daß sowohl bei Bewegen des Ventilschiebers 60 nach rechts als auch
bei
seinem Bewegen nach links ein Druckausgleich am O-Ring 70 hergestellt wird, wonn
dieser die Steuerkante passiert.
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Wie aus Fig. 8 ersichtlich ist, sind die zwischen den Druckausgleichskerben
160 verbleibenden Materialstege auch in axialer Aufsicht gesehen radial innen mit
Abrundungen 170 versehen. Auch hierdurch wirddrs Vorbeilaufen der 0-Ringe an einer
Steuerkante begünstigt.
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Bezüglich der Ausbildung der zwischen den Druckausgleichskerben 164
liegenden Materialstege mit Abrundungen ist das Einsatzsegment 156 analog ausgebildet
wie das Einsatzsegment 154.