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Die
Erfindung betrifft ein hydraulisches Schaltventil, insbesondere
in der Ausführung
als 3/2-Wege-Sitzventil zum Schalten großer Durchflüsse nach dem Oberbegriff des
Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Ventils nach
dem Oberbegriff des Anspruches 17.
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Solche
Ventile werden beispielsweise in der Kraftfahrzeug-Steuerungstechnik
eingesetzt, wenn es darum geht, verschiedene hydraulische Verbraucher
zeitlich genau abgestimmt zu versorgen bzw. abzuschalten, so zum
Beispiel Verbraucher, die zur Ventilhubkurvensteuerung bzw. zur
Ventilabschaltung dienen.
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Diese
Ventile müssen
in Großserien
hergestellt werden können
und sich dabei durch eine kleine Schaltzeitvarianz auszeichnen.
Außerdem
soll der Aufbau des Ventils eine leichte Anpassung an unterschiedliche
Serien ermöglichen
und einen möglichst kleinen
Bauraum beanspruchen. Dabei soll die Funktionssicherheit des Ventils
auch dann gesichert sein, wenn in kurzen Zeitabständen hintereinander
Schaltungen großer
Fluidmengen erfolgen.
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Mit
herkömmlichen
Ventilen waren diese Anforderung stets nur partiell erfolgt worden.
Denn entweder mußten
die Ventilgehäuse
relativ lang ausgeführt
werden, um die Krafteinleitung des Elektromagneten ausreichend nahe
an die Stellteile des eigentlichen Ventilkörpers heranzubringen, oder
aber die Toleranzen der Einzelkomponenten des Ventils überlagerten
sich in einer Bauteilserie derart, daß eine zu große Funktionssteuerung
bezüglich
der Schaltzeiten des Ventils einer Serie auftrat.
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Beim
gattungsgemäßen Schaltventil
(
DE 43 03 498 A1 )
handelt es sich um ein reines Schieberventil, welches über einen
Ringspalt mittels einer Überdeckung
zwischen einem Kolben und Gehäusekanten
in der Gehäusebohrung
dichtet. Der Kolben und der Laufflächenabschnitt haben an den
Steuerkanten gleiche Durchmesser.
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Es
ist auch ein Wegeventil bekannt (
DE 34 04 023 A1 ), bei dem das Ventilgehäuse mit
einer Stufenbohrung versehen ist, in der der Ventilkolben verschiebbar
angeordnet ist. An den radialen Schulterflächen der Stufenbohrungen sind
Führungsscheiben vorgesehen,
die jeweils gleich große
mittige Bohrungen aufweisen, in denen jeweils in Ringnuten Dichtringe
angeordnet sind. Die Schließfunktion
wird über die
Führungsscheiben
mit gleichem Innendurchmesser und dem Ventilkolben an den radialen
Stegen der Stufenbohrung und durch eine Überdeckung zwischen dem Ventilkolben
und den Führungsscheiben bewirkt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Schaltventil
so auszubilden, daß es
einen Aufbau hat, der bei Sicherstellung eines kleinen Bauraums
eine einfache Serienfertigung des Ventiles mit geringer Schaltzeitvarianz
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird beim gattungsgemäßen hydraulischen
Schaltventil erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Eine
weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung des
erfindungsgemäßen Ventils
zu schaffen, mit dem die Fertigung des Ventiles schneller und selbst
in Großserien
mit geringeren Ausschußquoten
erfolgen kann.
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Diese
Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Verfahren
erfindungsgemäß mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 17 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird das
Ventil in sogenannter „aufgelöster Bauform", das heißt mit einer Trennung
von Fremdkraftquelle, beispielsweise in Form eines Elektromagneten,
und Hydraulik realisiert, was die Möglichkeit bietet, eine einfache
Anpassung des Ventils an unterschiedliche Serien vorzunehmen. Der
Grundaufbau kann dabei unverändert
bleiben, was sich auf die Wirtschaftlichkeit des Herstellungsprozesses
positiv auswirkt. Weil der Ventilkörper vorzugsweise auf der dem
Stellteil der Fremdkraftbetätigung
abgewandten Seite mit dem Laufflächenabschnitt
verbunden ist, kann eine präzise
Führung
des Ventilkörpers
bereitgestellt werden, die eine wichtige Voraussetzung für präzise Schaltzeiten
bildet. Für
diesen Ventilkörper
wird erfindungsgemäß die in
einem einzigen Arbeitshub herstellbare Stufenbohrung im Ventilgehäuse zugeschnitten,
wobei vorteilhaft sämtliche
Funktionsflächen
der Stufenbohrung in einem einzigen Arbeitshub des Bearbeitungswerkzeuges
herstellbar sind. Auf diese Weise wird der Laufflächenabschnitt
direkt, das heißt
ohne die Notwendigkeit einer Führungsbuchse
genau geführt.
Die Lagezuordnung der einzelnen Stufen und Funktionsbereiche der
Bohrung können
auf diese Weise äußerst exakt
eingehalten werden, was gleichermaßen für die axialen und radialen
Abstandsmaße
gilt, ebenso wie für
Planschlagabweichungen und -toleranzen. In der ersten Schaltstellung
des erfindungsgemäßen Ventils
wirkt die eine Ventilsitzfläche des
Ventilkörpers
mit dem ersten Ventilsitz zusammen, der durch eine radiale Schulterfläche der
Stufenbohrung gebildet ist. In der anderen Schaltstellung wirkt
die andere Ventilsitzfläche
des Ventilkörpers
mit der Ventilsitzscheibe zusammen, die sich an einer weiteren radialen
Schulterfläche
der Stufenbohrung abstützt.
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Vorzugsweise
verwendet man zur Herstellung der kompletten Stufenbohrung Werkzeuge
mit fest eingestellten Schneiden, vorzugsweise aus Hartmetall oder
Cermet-Materialien, so daß die
Herstellungstoleranzen auch bei größeren Serien in engen Grenzen
gehalten werden können.
Dabei überlagern sich
die Genauigkeiten der Herstellung der Stufenbohrung einerseits und
des Ventilkörpers
andererseits, so daß es
gelingt, die axiale Baulänge
des Ventilgehäuses
erheblich zu verringern.
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Weil
auch der Grund der Stufenbohrung in einem Arbeitsgang mit den anderen
Funktionsflächen
hergestellt wird, ergeben sich geringe Einbautoleran zen für die Rückstellfeder
und eine enge Toleranz für
den Öffnungshub,
was der Verringerung der Schaltzeitvarianz weiter förderlich
ist. Es kommt hinzu, daß die
Feder gleichmäßiger auf
den Ventilkolben einwirken kann, wodurch dessen Schaltgenauigkeit weiter
erhöht
wird. Insgesamt wird dadurch auch die Dichtigkeit des Ventilsitzes
angehoben, so daß schnelle
Schaltfolgen möglich
werden, ohne die Funktion zu beeinträchtigen. Schließlich wird
die Herstellung und auch die Montage des Ventils stark vereinfacht,
weil der Ventilsitz auf Anschlag in das Gehäuse eingebracht bzw. eingepreßt werden
kann.
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Erfindungsgemäß befindet
sich der Laufflächenabschnitt
des Ventilkörpers
einerseits und der Magnet andererseits auf gegenüberliegenden Seiten des vorzugsweise
als Doppelkonus-Ventilkörpers ausgebildeten
Ventilkörpers.
Dies ermöglicht
die Verwendung eines stoßenden
Magneten ohne die Notwendigkeit eines Formschlusses mit dem Ventilkolben
in Verbindung mit einer sich am Grund der Stufenbohrung abstützenden
Druckfeder, was eine besonders einfache Konstruktion nach sich zieht.
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Mit
der Weiterbildung nach Anspruch 6 wird zusätzlich eine exakte Positionierung
des Elektromagneten sichergestellt, wodurch die Schaltgenauigkeit des
Ventils weiter verbessert werden kann. Die Herstellung des Ventils
wird hierdurch nicht erschwert, und auch die Montage des Ventils
bleibt einfach. Der Magnet wird nicht nur axial, sondern auch radial
genauer positionierbar, so daß der
Ventilkörper
auch exakt zentrisch beaufschlagt werden kann. Hierdurch werden
wiederum die Beanspruchungen des Ventilkörpers leichter kontrollierbar,
so daß hohe
Standzeiten erreicht werden können.
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Wenn
das Schaltventil gemäß Anspruch
3 ausgebildet ist, wird der benötigte
Bauraum weiter verkleinert, wobei sich der zusätzliche Vorteil einer günstigen
Krafteinleitung auf den Ventilkörper
ergibt. Auch die Innenausnehmung des Ventilkolbens kann mit großer Genauigkeit
und Maßhaltigkeit
in Lagebeziehung mit den übrigen
Flächen
des Ventilkörpers hergestellt
werden, so daß die
Schaltkraft und damit Schaltzeitpunkte reproduzierbar in engen Toleranzbereichen
gehalten werden können.
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Die
Ausgestaltung gemäß Anspruch
8 trägt zur
weiteren Verringerung der Schaltzeitvarianz bei.
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Wenn
die Rückstellfeder
von einer Schraubenfeder gebildet ist, kann die Schließkraft sehr
exakt eingestellt werden, wobei sich gleichzeitig der Vorteil einer
einfachen, verliersicheren Aufnahme im Ventilkolben ergibt. Diese
wird vorteilhafterweise gemäß Anspruch
9 verwirklicht, wodurch sich eine sehr einfache Montage erzielen
läßt.
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Der
erfindungsgemäße Aufbau
des Ventils erlaubt es, den Ventilkolben mit geringem Aufwand druckmäßig auszugleichen.
Dies wird dadurch ermöglicht,
daß die
im Ventilgehäuse
ausgebildeten Fluid führenden
Kanäle
quer zur Ventilachse gelegt werden und der eigentliche Ventilkörper mit
dem Laufflächenabschnitt über einen
Abschnitt verringerten Durchmessers verbunden ist. Der Ventilkolben läßt sich
dadurch hydraulisch einfach ausgleichen. Die Kraft der Rückstellfeder
und auch der Fremdkraftbetätigung,
das heißt
des Magneten, kann somit kleiner gehalten werden.
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Die
Fluid führenden
Kanäle
gehen vorteilhafterweise von einer gemeinsamen Montagefläche des Ventilgehäuses aus,
wodurch das Gehäuse
als Modul an vorbestimmte Anschlußflächen angeflanscht werden kann.
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Eine
weitere Verbesserung der Ventilfunktion läßt sich mit der Weiterbildung
gemäß Anspruch
14 erzielen, indem die zumindest eine Nut zur Verringerung der Gleitreibung
im Ventilgehäuse
genutzt wird.
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Die
Genauigkeit der Herstellung des Schaltventiles wird dann besonders
groß,
wenn gemäß Anspruch
18 ein Werkzeug mit voreingestellten oder einstellbaren Schneiden
verwendet wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
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Nachstehend
wird anhand schematischer Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es
zeigen
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1 eine
teilweise im Schnitt gezeigte Gesamtansicht des Schaltventils, wobei
der Ventilkörper in
der offenen und der geschlossenen Schaltstellung gezeigt ist (1A und 1B);
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2 eine
Schnittansicht des Ventilgehäuses;
und
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3 in
einem etwas vergrößertem Maßstab eine
teilweise aufgebrochene Ansicht des Ventilkolbens.
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In
den Figuren ist mit 10 ein Ventilgehäuse für ein Hydraulik-Schaltventil 12 bezeichnet,
mit dem große
Fluiddurchflüsse
zeitlich exakt geschaltet werden können. Das Schaltventil 12 ist
als 3/2-Wege-Sitzventil ausgeführt,
d. h. es hat zwei Schaltstellungen, in denen ein Verbraucheranschluß A entweder
mit dem Systemdruck P verbunden oder zum Tankanschluß T entlastet
ist. Die Schaltung erfolgt mittels Fremdkraft, im gezeigten Ausführungsbeispiel mittels
eines Elektromagneten 14, der an das Ventilgehäuse 10 angeflanscht
ist und ein Stellteil 16 in Form einer Schubstange hat.
Das Ventil ist als sog. Schnellschaltventil in Sitzausführung gestaltet,
d. h. als Ventil, mit dem innerhalb kurzer Zeit große Durchflüsse mit
360°-Querschnitten
bzw. Öffnungsflächen geschaltet
werden können.
Solche Ventile werden in der Kfz-Technik zur Ansteuerung verschiedener
hydraulischer Verbraucher verwendet, die z. B. zur Ventilhubkurvensteuerung
oder zur Ventilabschaltung bzw. zur Ventiltassensteuerung dienen.
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Um
sicherzustellen, daß sich
die Ventile auch bei Großserienfertigung
durch eine geringe Schaltzeitvarianz auszeichnen, d. h. durch eine
besonders geringe Funktionsstreuung in Bezug auf Schaltzeitunterschiede
der gesamten Ventilserie, hat das Schaltventil 12 den folgenden
Aufbau:
Im Ventilgehäuse 10 ist
eine Stufenbohrung 18 mit vier Stufen bzw. Schultern S1
bis S4 ausgebildet (vgl. 2), zwischen denen sich die
Bohrungsabschnitte B1 bis B4 befinden. Die Achse der Stufenbohrung 18 fällt mit
der Ventilachse 20 zusammen (vgl. 1). Die
Schultern S1 bis S4 und die Bohrungsabschnitte B1 bis B4 sind vorteilhafterweise
in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt. Dies kann entweder in
einer Drehmaschine mit spezieller Spannung oder in einem Bohrwerk
mit mehreren nacheinander zum Einsatz kommenden Werkzeugen, oder
aber mittels eines einzigen Werkzeugs geschehen, das in diesem Fall
als Stufen-Bohrwerkzeug ausgebildet ist. Solche Werkzeuge haben
in der Regel Schneideinsätze
aus verschleißfestem
Material, wie z. B. aus Hartmetall oder Sintermetall, wie Cermet
oder Keramik, wobei diese Einsätze
vorteilhafterweise einstellbar sind.
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Mit
einem solchen Werkzeug können
sämtliche
Funktionsflächen
S1 bis S4 sowie B1, B2 und B4 in einem einzigen Arbeitshub des Werkzeugs
hergestellt werden, wodurch sich in axialer und radialer Richtung
eine genaue Lagezuordnung der Funktionsflächen sicherstellen läßt. Mit
anderen Worten, der Axialabstand der Schultern S1 bis S4 kann in sehr
engen Toleranzen gehalten werden, ebenso wie die Konzentrizität der Bohrungsabschnitte
B1 bis B4. Es kommt hinzu, daß auch
der Planschlag der Schultern S1 bis S4 sehr exakt eingehalten werden
kann, und das mit einem sehr kleinen fertigungstechnischen Aufwand.
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Mit 22 ist
eine Montagefläche
bezeichnet, über
die das Ventilgehäuse 10 an
ein Hydraulik-Versorgungsmodul angesetzt werden kann. Die Kanäle für die Anschlüsse P, A
und T erstrecken sich senkrecht zur Stufenbohrung 18.
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Der
Bohrungsabschnitt B1 dient zur Zentrierung eines Axialfortsatzes 24 des
Elektromagneten 14, dessen Bund 26 gegen die Schulterfläche S1 spannbar
ist. Damit wird der Elektromagnet 14 zentrisch und in vorbestimmtem
Axialabstand zum Ventilgehäuse 10 gehalten.
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Der
Bohrungsabschnitt B4 dient als Führung für einen
in 3 näher
dargestellten Ventilkolben 30, und insbesondere für einen
kreiszylindrischen Laufflächenabschnitt 32 des
Ventilkolbens 30. Der Ventilkolben 30 ist als
rota tionssymmetrischer Körper gestaltet,
und der Laufflächenabschnitt 32 geht über einen
eingeschnürten
Zwischenabschnitt 34 in einen Doppelkonus-Ventilkörper 36 über, an
dem zwei Ventilsitzflächen 38 und 40 ausgebildet
sind. Die Ventilsitzflächen 38 und 40 sind
im gezeigten Ausführungsbeispiel
als Kegelflächen
ausgebildet. Es ist gleichermaßen
möglich,
Flachsitze oder Kugelsitze zu verwenden.
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Die
Ventilsitzfläche 38 wirkt – wie aus 1 ersichtlich – mit der
Schulter S3 zusammen, um den Verbraucheranschluß A gegen den Tankanschluß T abzusperren.
Der andere Ventilsitz wird von einer Ventilsitzscheibe 42 gebildet,
die in den Bohrungsabschnitt B2 eingesetzt, vorzugsweise eingepreßt ist und
sich axial an der Schulter S2 abstützt. Der Axialabstand AA zwischen
den Ventilsitzen ist damit exakt und reproduzierbar mit geringer
Toleranz festgelegt. Bei vorgegebener Genauigkeit der Fertigung
der Ventilsitzflächen 38 und 40 liegt
damit der Ventilhub in einem sehr eng tolerierten Bereich fest.
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Die
Ventilsitzscheibe 42 kann ohne weiteres mit sehr hoher
Genauigkeit gefertigt werden, so daß auch die Konzentrizität der Innenbohrung 44 mit
enger Toleranz vorgegeben werden kann. Damit zeichnet sich das Zusammenwirken
zwischen dem Ventilkörper 36 und
den Ventilsitzen durch eine größtmögliche Exaktheit
aus, zumal dann, wenn die für
die Funktion wichtigen Flächen
des Ventilkolbens 30, d. h. die Ventilsitzflächen 38 und 40,
sowie die Außenoberfläche des
Laufflächenabschnitts 32 in
einer Werkstückaufspannung
gefertigt werden, was ein Höchstmaß an Konzentrizität zwischen
diesen Flächen
sicherstellt.
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Auf
der dem Ventilkolben 36 abgewandten Seite weist der Laufflächenabschnitt 32 eine
konzentrische Innenausnehmung 46 auf, die zur Aufnahme einer
Rückstellfeder
in Form einer Schraubenfeder 48 dient. Die Schraubenfeder 48 ist
vorteilhafterweise verliersicher in der Innenausnehmung 46 aufge nommen.
Zu diesem Zweck befindet sich im Axialabstand vom Grund 50 der
Innenausnehmung 46 eine Wulst 52, hinter die eine
Windung der Schraubenfeder 48 schnappen kann. Weil die
Innenausnehmung 46 mit den Funktionsflächen des Ventilkolbens 36 vorzugsweise
in einer Aufspannung gefertigt ist, kann das Maß M zwischen dem Grund 50 der
Innenausnehmung 46 und dem Ventilkolben 36 und
damit den Ventilsitzflächen 38 und 40 in
engen Toleranzbereichen gehalten werden.
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Aus 1 ist
ersichtlich, daß sich
die Schraubenfeder 48 direkt an der Schulterfläche S4 abstützt. Der
Planschlag der Fläche
S4 ist herstellungsbedingt sehr exakt einzuhalten, ebenso wie auch
der Abstand MA zu dem Ventilsitz in Form der Schulterfläche S3.
Damit ergibt sich eine sehr genau einhaltbare Vorspannung der Schraubenfeder 48,
sowie eine exakte Positionierung, d. h. eine Ausrichtung der Feder
exakt parallel zur Ventilachse 20. Der Ventilkolben 36 wird
damit mit hoher Genauigkeit beaufschlagt, wobei sichergestellt ist,
daß die
Unterschiede der Ventil-Schließkraft von
Ventil zu Ventil selbst bei großen
Serien sehr klein gehalten werden können. Auch im geschlossenen
Zustand des Ventils (1B) liegt die Ventilfederkraft
genau fest, weil der Ventilhub bedingt durch die erfindungsgemäße Herstellung
der Stufenbohrung 18 und das Einbringen der Ventilsitzscheibe 42 genauestens
eingehalten werden kann. Selbst der Durchflußquerschnitt des Ventils variiert
bei der erfindungsgemäßen Gestaltung
nur sehr gering, weil die Axiallage des Ventilkolbens 36 im
geöffneten
Zustand des Ventils relativ zur Innenbohrung 44 festliegt
und auch der Bohrungsabschnitt B3 mit enger Lagetoleranz gefertigt
werden kann.
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Mit
dem vorstehend beschriebenen Ventil läßt sich eine besonders kleine
Funktionsstreuung in Bezug auf Schaltzeitunterschiede der gesamten
Ventilserie erzielen. dabei ist die Fertigung einfach, wobei auch
die Montage nur geringe Fehlerquellen beinhaltet. Darüberhinaus
zeichnet sich das Ventil durch eine besonders kleine Baulänge aus,
weil es genügt, die
axiale Führungslänge LF des
kreiszylindrischen Laufflächenabschnitts 32 in
einem Bereich zwischen 1,5 und 2,5 × D zu halten, wobei D den
Durchmesser des Laufflächenabschnitts 3 bezeichnet.
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Mit
Hilfe der in den Außenumfang
des Laufflächenabschnitts 32 eingearbeiteten
Ringnuten 54 wird die Führungsgenauigkeit
des Ventilkolbens 30 weiter angehoben, indem ein radialer
Druckausgleich im Führungsspalt
begünstigt
wird.
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Der
vorstehend beschriebene Aufbau läßt die Fertigung
des Ventilgehäuses 10 aus
Aluminium zu, ohne Einbußen
hinsichtlich der Schaltexaktheit selbst bei Langzeitbetrieb in Kauf
nehmen zu müssen.
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Selbstverständlich sind
Abwandlungen der Gestaltung des Ventils möglich, ohne den Grundgedanken
der Erfindung zu verlassen. So ist es beispielsweise nicht unbedingt
erforderlich, den Ventilkolben 36 einstückig mit dem Laufflächenabschnitt 32 auszuführen.
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Die
Erfindung schafft somit ein hydraulisches Schaltventil, insbesondere
in der Ausführung
als 3/2-Wege-Sitzventil zum Schalten großer Durchflüsse, mit einem in einem Ventilgehäuse bewegbar
geführten
Ventilkörper,
der mittels einer Fremdkraft, vorzugsweise mittels eines an das
Ventilgehäuse
angeflanschten Elektromagneten, aus einer ersten Schaltstellung
gegen die Kraft einer Rückstellfeder
in eine weitere Schaltstellung bringbar ist. Zur Sicherstellung
einer geringen Funktionsstreuung in Bezug auf Schaltzeitunterschied
einer ganzen Ventilserie ist der Ventilkörper zur Bildung eines Ventilkolbens
einstückig
mit einem kreiszylindrischen Laufflächenabschnitt verbunden, für den im
Ventilgehäuse
eine zylindrische Führung
vorgesehen ist, welche den innersten Teil einer Stufenbohrung bildet,
die sich zur Stirnseite des Ventilgehäuses hin über eine erste Schulter zur
Ausbildung eines ersten Ventilsitzes und eine dazu axial versetzte
zweite Schulter zur Aufnahme und Lagefixierung einer Ventilsitzscheibe
erweitert und gegen deren Grund sich die Rückstellfeder abstützt, so
daß sämtliche
Funktionsflächen
der Stufenbohrung mittels eines einzigen Werkzeugs und in einem
Arbeitshub herstellbar sind.