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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Ventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Es
sind schon Ventile bekannt mit einem Ventilschließkörper, der
mit einem Aktor wirkverbunden ist und mit einem Ventilsitz zusammenwirkt.
Das Gehäuse
der Ventile weist einen Aktorraum und einen Steuerraum auf, wobei
der Aktorraum über
einen Führungskanal
mit dem Steuerraum verbunden ist. Der Ventilschließkörper ist
in dem Führungskanal
gelagert, wobei ein sehr enger Führungsspalt
mit großer
axialer Länge
zwischen dem Führungskanal
und dem Ventilschließkörper auch
zur Abdichtung des Steuerraums vorgesehen sein kann, damit kein Druckmittel
aus dem Steuerraum in den Aktorraum gelangt. Der enge Führungsspalt
dient beispielsweise dazu, einen Magnetanker zu einem Magnettopf und
den Ventilschließkörper zum
Ventilsitz genau auszurichten. Bei diesen Ventilen müssen der
Ventilsitz, der Führungskanal
und der Ventilschließkörper in
Lage und Form exakt zueinander passen. Rundheits- oder Lagefehler
führen
zu einem undichten oder sogar klemmenden Ventil. Durch diese hohen Anforderungen
sind diese Ventile sehr aufwendig und teuer zu fertigen.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Ventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, daß auf
einfache Art und Weise die Herstellungskosten verringert werden,
indem der Ventilschließkörper zweiteilig
ausgebildet ist mit einem ersten Schließkörperabschnitt und einem zweiten
Schließkörperabschnitt,
wobei zwischen dem ersten Schließkörperabschnitt und dem zweiten Schließkörperabschnitt
ein Dichtelement vorgesehen ist, das den Steuerraum gegenüber dem
Aktorraum hermetisch abdichtet. Auf diese Weise gelangt kein Druckmittel
aus dem Steuerraum in den Aktorraum, so daß kurze und reproduzierbare
Schaltzeiten erzielbar sind.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Ventils möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist, wenn das Dichtelement in einem Ventilraum angeordnet
ist und den Ventilraum in zwei dicht voneinander getrennte Kammern
aufteilt, wobei die erste Kammer mit dem Aktorraum strömungsverbunden
ist. Dadurch wird der Aktorraum auf einfache Art und Weise gegenüber dem Druckmittel
aus dem Steuerraum abgedichtet.
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Gemäß einem
vorteilhaften Ausführungsbeispiel
ist das Dichtelement eine elastische Dichtmembran, die beispielsweise
aus einem Elastomer oder Stahl hergestellt ist.
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Sehr
vorteilhaft ist es, wenn erste Schließkörperabschnitt mit einer ersten
Stirnfläche
an einer dem Aktorraum zugewandten Seite des Dichtelementes und
der zweite Schließkörperabschnitt
mit einer zweiten Stirnfläche
an einer dem Steuerraum zugewandten Seite des Dichtelementes anliegt.
Dadurch ist gewährleistet,
daß der
Hub des ersten Schließkörperabschnitts
vollständig
auf den zweiten Schließkörperabschnitt übertragen
wird.
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Desweiteren
vorteilhaft ist, wenn der zweite Schließkörperabschnitt quer zu einer Öffnungsrichtung
des Ventilschließkörpers verschiebbar
ist. Auf diese Weise werden die Anforderungen an die Form- und Lagetoleranzen
deutlich gesenkt, so daß die
Einzelteile des Ventils mit geringerem Fertigungsaufwand und mit
geringeren Kosten herstellbar sind.
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Auch
vorteilhaft ist, wenn der erste Schließkörperabschnitt von dem Aktorraum
ausgehend durch einen Führungskanal
bis in den Ventilraum verläuft,
wobei ein enger Führungsspalt
zwischen dem Führungskanal
und dem Ventilschließkörper einen Magnetanker
genau bezüglich
der Lage zu einem Magnettopf positioniert und den Ventilschließkörper führt.
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Darüber hinaus
vorteilhaft ist, wenn der zweite Schließkörperabschnitt von dem Ventilraum
ausgehend durch einen Druckminderungskanal in den Steuerraum verläuft und
bis in einen Auslaßkanal stromab
des Ventilsitzes reicht, da durch diese Ausführung der Druck im Ventilraum
gegenüber
dem Druck im Steuerraum durch Erzeugen von Druckverlust verringert
wird.
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Außerdem vorteilhaft
ist, wenn der Druck im Ventilraum mittels eines Dichtspaltes zwischen
dem Druckminderungskanal und dem zweiten Schließkörperabschnitt gegenüber dem
Druck im Steuerraum verringert ist, da auf diese Weise die mechanische Druckbelastung
des Dichtelementes verringert ist, so daß das Dichtelement sehr dünnwandig,
flexibel und kostengünstig
ausführbar
ist.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Aktor
ein Elektromagnet mit einer Erregerspule und einem Magnetanker ist,
da dies eine besonders kostengünstige
Ausführungsform
eines Aktors darstellt.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Die
Zeichnung zeigt ein erfindungsgemäßes Ventil, das beispielsweise
in einer Vorrichtung zur Steuerung eines Gaswechselventils für eine Brennkraftmaschine
als 2/2-Wegeventil
Anwendung finden kann, um beispielsweise einen Hydraulikkolben zur Verstellung
eines Gaswechselventils zu steuern.
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Eine
Vorrichtung zur Steuerung eines Gaswechselventils ist beispielsweise
aus der
DE 198 26 047
A1 bekannt, wobei deren Inhalt ausdrücklich Teil der Offenbarung
dieser Anmeldung sein soll.
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Das
erfindungsgemäße Ventil
kann aber allgemein zur Steuerung von Volumenströmen verwendet werden.
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Das
erfindungsgemäße Ventil
hat ein Gehäuse 1,
das ein Aktorgehäuse 1.1 und
ein Steuergehäuse 1.2 aufweist.
Das Aktorgehäuse 1.1 und
das Steuergehäuse 1.2 sind
beispielsweise an einer Fügefläche 7 dicht
miteinander verbunden.
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In
dem Aktorgehäuse 1.1 ist
ein Aktor 2 in einem Aktorraum 10 zur axialen
Verstellung eines Ventilschließkörpers 3 angeordnet.
Der Aktor 2 ist beispielsweise ein Elektromagnet 4 bestehend
aus einer Erregerspule 5 und einem Magnetanker 6.
Der Ventilschließkörper 3 kann
aber ausdrücklich
auch von einem anderen Aktor als einem Elektromagneten verstellt
werden. Der Elektromagnet 4 ist mit der Erregerspule 5 und
dem Magnetanker 6 in einem sogenannten Magnettopf 8 vorgesehen,
der beispielsweise Teil des Aktorgehäuses 1.1 ist. Der
Magnetanker 6 ist in dem Magnettopf 8 ringförmig von
der Erregerspule 5 umgeben.
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Das
Steuergehäuse 1.2 weist
einen Steuerraum 11 auf, in dem ein unter einem Druck stehendes Druckmittel
vorgesehen ist. Im Aktorraum 10 des Aktorgehäuses 1.1 ist
dagegen kein Druckmittel enthalten.
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Das
erfindungsgemäße Ventil
weist einen Eingangskanal 15, einen Ausgangskanal 16 und
einen Leckageausgang 20 auf, wobei der Eingangskanal 15,
der Ausgangskanal 16 und der Leckageausgang 20 beispielsweise
am Steuergehäuse 1.2 vorgesehen
sind und wobei der Eingangskanal 15 und der Ausgangskanal 16 jeweils
mit dem Steuerraum 11 des Steuergehäuses 1.2 strömungsverbunden sind.
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Der
Eingangskanal
15 ist stromauf beispielsweise mit einer
Druckleitung
17 und der Ausgangskanal
16 stromab
mit einer Steuerleitung
18 strömungsverbunden. Die Druckleitung
17 ist
beispielsweise gemäß der
DE 198 26 047 A1 stromauf
mit einer Hochdruckpumpe
32 verbunden, die Druckmittel, beispielsweise Öl, unter
Hochdruck über
das erfindungsgemäße Ventil
und die Steuerleitung
18 zu einem Hydraulikkolben
33 fördert, der
ein Gaswechselventil steuert. Die Steuerleitung
18 ist
beispielsweise gemäß der
DE 198 26 047 A1 stromab
mit dem Hydraulikkolben
33 verbunden.
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Der
Leckageausgang 20 ist beispielsweise über eine Leckageleitung 46 mit
einem Vorratsbehälter 47 zur
Speicherung des Druckmittels verbunden.
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Der
Eingangskanal 15 mündet
in den Steuerraum 11, beispielsweise quer zu einer Ventilachse 25.
Von dem Steuerraum 11 ausgehend verläuft ein Auslaßkanal 34 in
Richtung der Ventilachse 25, wobei der Auslaßkanal 34 in
den Ausgangskanal 16 mündet
und wobei an dem dem Steuerraum 11 zugewandten Ende des
Auslaßkanals 34 eine
erste Schulter 26 gebildet ist, an der ein Ventilsitz 12 vorgesehen ist.
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Der
Ventilsitz 12 ist beispielsweise konisch ausgeführt, wobei
der Ventilschließkörper 3 an
einem mit dem Ventilsitz 12 zusammenwirkenden Absatz 3.3 beispielsweise
kugelförmig
ausgebildet ist und mit dem Ventilsitz 12 einen Kugel/Kegelsitz
bildet. Es kann aber ausdrücklich
auch ein Kegel/Kegelsitz oder ähnliches
vorgesehen sein. Durch den Kugel/Kegelsitz oder den Kegel/Kegelsitz
wird eine Linienberührung
zwischen dem Ventilschließkörper 3 und
dem Ventilsitz 12 erreicht, die eine sehr gute Abdichtung
des geschlossenen Ventils gewährleistet.
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Erfindungsgemäß ist der
Ventilschließkörper 3 zweiteilig
ausgebildet mit einem ersten Schließkörperabschnitt 3.1 und
einem zweiten Schließkörperabschnitt 3.2,
wobei der erste Schließkörperabschnitt 3.1 eine
dem zweiten Schließkörperabschnitt 3.2 zugewandte
erste Stirnfläche 21 und
der zweite Schließkörperabschnitt 3.2 eine
dem ersten Schließkörperabschnitt 3.2 zugewandte
zweite Stirnfläche 22 aufweist.
Der erste Schließkörperabschnitt 3.1 ist mit
dem Aktor 2 wirkverbunden und der zweite Schließkörperabschnitt 3.2 wirkt
mit dem Ventilsitz 12 zusammen. Der Ventilschließkörper 3 ist
mit dem ersten Schließkörperabschnitt 3.1 und
dem zweiten Schließkörperabschnitt 3.2 beispielsweise
zylinderförmig
als Stange ausgebildet.
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Die Öffnungsrichtung
und die Schließrichtung
des Ventilschließkörpers 3 verläuft in Richtung der
Ventilachse 25.
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Der
erste Schließkörperabschnitt 3.1 ist
beispielsweise mit dem Magnetanker 6 mechanisch verbunden
und verläuft
von dem Aktorraum 10 ausgehend durch einen ersten Führungskanal 13 im
Topfboden 9 des Magnettopfes 8 bis in einen Ventilraum 30.
Der Durchmesser des Führungskanals 13 ist
zumindest abschnittsweise nur geringfügig größer als der Durchmesser des
ersten Schließkörperabschnitts 3.1,
so daß ein
enger Führungsspalt 29 zwischen
dem Führungskanal 13 und
dem ersten Schließkörperabschnitt 3.1 gebildet
ist. Der enge Führungsspalt 29 hat
die Aufgabe, den Magnetanker 6 genau bezüglich der
Lage zum Magnettopf 8 zu positionieren und den Ventilschließkörper 3 zu
führen.
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Der
Ventilraum 30 ist beispielsweise zylinderförmig ausgebildet
und ist begrenzt von dem Aktorgehäuse 1.1 und dem Steuergehäuse 1.2,
beispielsweise von dem Topfboden 9 und einer an dem Topfboden 9 angeordneten
zweiten Schulter 36 des Aktorgehäuses 1.1 sowie von
einer an einer dem Topfboden 9 gegenüberliegenden dritten Stirnfläche 38 des
Steuergehäuses 1.2 angeordneten
dritten Schulter 37 und der dritten Stirnfläche 38.
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Der
zweite Schließkörperabschnitt 3.2 verläuft von
dem Ventilraum 30 ausgehend durch einen Druckminderungskanal 39 in
den Steuerraum 11 und reicht beispielsweise bis in den
Auslaßkanal 34 hinein.
Der Ausgangskanal 16 verläuft von dem Auslaßkanal 34 ausgehend
quer zur Ventilachse 25.
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Der
zweite Schließkörperabschnitt 3.2 reicht in
Richtung der Ventilachse 25 bis über den quer in den Auslaßkanal 34 mündenden
Ausgangskanal 16 hinaus, wobei sich der zweite Schließkörperabschnitt 3.2 beispielsweise
stromab des mit dem Ventilsitz 12 zusammenwirkenden Absatzes 3.3 verjüngt, damit das
Druckmittel bei geöffnetem
Ventil aus dem Steuerraum 11 durch einen Auslaßspalt 44 zwischen
dem Auslaßkanal 34 und
dem zweiten Schließkörperabschnitt 3.2 ausströmen kann.
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Um
das Druckmittel aus dem Auslaßspalt 44 in
den Ausgangskanal 16 umzulenken, erweitert sich der zweite
Schließkörperabschnitt 3.2 nahe
des Ausgangkanals 16 bis er unterhalb des Ausgangskanals 16 an
einem Dichtabschnitt 3.4 die Wandung des Auslaßkanals 34 erreicht.
Auf diese Weise verschließt
der zweite Schließkörperabschnitt 3.2 den Auslaßkanal 34 unterhalb
des Dichtabschnitts 3.4 in Richtung der Ventilachse 25 in
abdichtender Art und Weise, so daß das gesamte Druckmittel in
den Ausgangskanal 16 umgelenkt wird. Unterhalb des Dichtabschnitts 3.4 des
zweiten Schließkörperabschnitts 3.2 bildet
die Fortsetzung des Auslaßkanals 34 in Richtung
der Ventilachse 25 den Leckageausgang 20, der über die
Leckageleitung 46 mit dem Vorratsbehälter 47 verbunden
ist.
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Der
Druckminderungskanal 39 dient dazu, den Druck im Ventilraum 30 gegenüber dem
Druck im Steuerraum 11 deutlich zu verringern. Dazu ist
zwischen dem Druckminderungskanal 39 und dem zweiten Schließkörperabschnitt 3.2 ein
ausreichend kleiner Dichtspalt 40 vorgesehen, wodurch sich
ein Druckverlust entsprechend der Druckdifferenz zwischen dem Steuerraum 11 und
dem Ventilraum 30 ergibt. Außerdem hat der Druckminderungskanal 39 die
Funktion, den zweiten Schließkörperabschnitt 3.2 zu
führen.
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Der
zweite Schließkörperabschnitt 3.2 ist
in dem Druckminderungskanal 39 um das Maß des Dichtspaltes 40 quer
zu der Ventilachse 25 verschiebbar. Auf diese Weise können fertigungsbedingte
Exzentrizitätsfehler
ausgeglichen werden.
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Erfindungsgemäß ist zwischen
der ersten Stirnfläche 21 des
ersten Schließkörperabschnitts 3.1 und
der zweiten Stirnfläche 22 des
zweiten Schließkörperabschnitts 3.2 ein
Dichtelement 19 vorgesehen, das den Ventilraum 30 gegenüber dem
Aktorraum 10 hermetisch abdichtet. Auf diese Weise gelangt
kein Druckmittel aus dem Steuerraum 11 in den Aktorraum 10,
so daß kurze
und reproduzierbare Schaltzeiten erzielbar sind.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführung
ist das Dichtelement 19 in dem Ventilraum 30 angeordnet,
wobei der Ventilraum 30 durch das Dichtelement 19 in
zwei dicht voneinander getrennte Kammern aufgeteilt ist, wobei eine
erste Kammer 51 mit dem Aktorraum 10 strömungsverbunden
ist und die zweite Kammer 52 mittels des Dichtspaltes 40 gegenüber dem
Steuerraum 11 abgedichtet ist.
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Das
Dichtelement 19 ist beispielsweise eine elastische Dichtmembran,
die beispielsweise aus einem Elastomer, einem Kunststoff oder einem
Metall, beispielsweise Stahl, hergestellt ist.
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Das
Dichtelement 19 verläuft
von ersten Stirnfläche 21 des
ersten Schließkörperabschnitts 3.1 und
der zweiten Stirnfläche 22 des
zweiten Schließkörperabschnitts 3.2 ausgehend
quer zur Ventilachse 25 nach außen und ist im Bereich einer Wandung 43 des
Ventilraums 30 am Gehäuse 1 befestigt.
Das Dichtelement 19 ist beispielsweise an der Fügefläche 7 zwischen
dem Aktorgehäuse 1.1 und dem
Steuergehäuse 1.2 fest
eingespannt, beispielsweise zwischen der zweiten Schulter 36 des
Aktorgehäuses 1.1 und
der dritten Schulter 37 des Steuergehäuses 1.2. Auf der
dem Aktorraum 10 zugewandten Seite des Dichtelementes 19 herrscht
beispielsweise Atmosphärendruck.
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Von
dem Steuerraum 11 ausgehend gelangt eine geringe Leckagemenge
des Druckmittels durch den Dichtspalt 40 in den Ventilraum 30,
wobei der Druck des Druckmittels im Ventilraum 30 um den Druckverlust
des Dichtspaltes 40 verringert ist. Durch den geringen
Druck im Ventilraum 30 ist das Dichtelement 19 nur
geringfügig
mechanisch belastet und kann daher sehr dünnwandig, flexibel und kostengünstig ausgebildet
werden. Das Dichtelement 19 ermöglicht eine einfache Abdichtung
des Steuerraums 11 und des Ventilraums 30 gegenüber dem
Aktorraum 10. Das Druckmittel im Ventilraum 30 strömt über einen
Rücklaufkanal 45 im
zweiten Schließkörperabschnitt 3.2 in
den Leckageausgang 20 und über die Leckageleitung 46 zurück in den
Vorratsbehälter 47.
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Auf
den Ventilschließkörper 3 wirkt
ein Federelement 23, das diesen in vom Ventilsitz 12 abgewandter
Richtung drückt,
so daß der
zweite Schließkörperabschnitt 3.2 mit
der zweiten Stirnfläche 22 stets
am Dichtelement 19 und das Dichtelement 19 stets
an der ersten Stirnfläche 21 des
ersten Schließkörperabschnitts 3.1 anliegt.
Auf diese Weise ist gewährleistet,
daß der
Hub des Aktors 2 über
den ersten Schließkörperabschnitt 3.1 vollständig auf
den zweiten Schließkörperabschnitt 3.2 übertragen
wird. Das Federelement 23 ist beispielsweise eine Schraubenfeder.
Das Federelement 23 ist beispielsweise in dem Leckageausgang 20 unterhalb
des Dichtabschnitts angeordnet und liegt mit einem Ende an einer vierten
Stirnfläche 50 des
zweiten Schließkörperabschnitts 3.2,
die sich beispielsweise an einem dem Ausgangskanal 16 zugewandten
Ende des Ventilschließkörpers 3 befindet,
an.
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Der
Magnetanker 6, der erste Führungskanal 13, der
erste Schließkörperabschnitt 3.1,
der zweite Schließkörperabschnitt 3.2,
der Druckminderungskanal 39, das Federelement 23 und
der Ventilsitz 12 sind beispielsweise konzentrisch zueinander
bezüglich
der Ventilachse 25 angeordnet, wobei der Aktor 2 unter
Mitwirkung des Federelementes 23 den Ventilschließkörper 3 mit
dem ersten Schließkörperabschnitt 3.1 und
dem zweiten Schließkörperabschnitt 3.2 zum Öffnen und
Schließen
des Ventils in Richtung der Ventilachse 25 bewegen kann.
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Fertigungsbedingte
Exzentrizitätsfehler
können
durch die Verschiebbarkeit des zweiten Schließkörperabschnitts 3.2 quer
zur Öffnungsrichtung 25 des
Ventilschließkörpers 3 ausgeglichen
werden.
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Das
erfindungsgemäße Ventil
ist beispielsweise bei ausgeschaltetem Aktor 2 geöffnet und
bei eingeschaltetem Aktor 2 geschlossen oder bei Umkehr
der Wirkrichtung des Federelementes 23 auch umgekehrt.
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Bei
Bestromung der Erregerspule 5 wird ein Magnetfeld im Magnettopf 8 erzeugt,
das den Magnetanker 6 beispielsweise in Richtung des Topfbodens 9 des
Magnettopfes 8 zieht. Da der erste Schließkörperabschnitt 3.1 mit
dem Magnetanker 6 mechanisch gekoppelt ist, führt der
erste Schließkörperabschnitt 3.1 einen
gleich großen
Hub wie der Magnetanker 6 in Richtung des Ventilsitzes 12 aus
und überträgt den Hub
entgegen der Kraft des Federelementes 23 vollständig auf
den zweiten Schließkörperabschnitt 3.2.
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Sobald
der Ventilschließkörper 3 mit
dem zweiten Schließkörperabschnitt 3.2 an
dem Ventilsitz 12 anliegt, ist das Ventil geschlossen,
so daß kein Druckmittel
mehr aus dem Steuerraum 11 in den Ausgangskanal 16 gelangen
kann.
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Wird
die Bestromung der Erregerspule 5 ausgeschaltet, ist kein
Magnetfeld mehr wirksam, so daß der
Ventilschließkörper 3 durch
das als Rückstellfeder
wirkende Federelement 23 vom Ventilsitz 12 abgehoben
und wieder in seine Ausgangsposition zurückbewegt wird, so daß das Ventil
wieder geöffnet ist.
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Bei
geöffnetem
Ventil strömt
Druckmittel über
den Eingangskanal 15 in den Steuerraum 11, von
dort über
den Auslaßkanal 34 und
den Ausgangskanal 16 in die Steuerleitung 18 in
Richtung des Hydraulikkolbens 33.
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Durch
die zweiteilige Ausführung
des Ventilschließkörpers 3 und
durch die Querbeweglichkeit des zweiten Schließkörperabschnitts 3.2 können auch
größere Lageabweichungen
zwischen dem ersten Schließkörperabschnitt 3.1 und
dem zweiten Schließkörperabschnitt 3.2 ausgeglichen
werden, so daß keine
engen Form- und Lagetoleranzen erforderlich sind und die Herstellungskosten
des Ventils gesenkt werden. Gegenüber dem Stand der Technik können enge
Form- und Lagetoleranzen entfallen und durch größere Form- und Lagetoleranzen ersetzt werden.