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Die Erfindung betrifft ein Proportional-Druckregelventil mit einem in einem Ventilgehäuse längsverfahrbar geführten Regelkolben, der mittels eines Betätigungssystems zum wahlweisen Verbinden von im Ventilgehäuse vorhandenen Anschlussstellen dient, wie einem Druckversorgungsanschluss, einem Verbraucheranschluss und einem Tank- oder Rücklaufanschluss, wobei ein erster Kennlinienverlauf zwischen einem Steuersignal des Betätigungssystems und dem Durchflussvolumen oder dem Ansteuerdruck, bezogen auf einen an den Verbraucheranschluss anschließbaren Verbraucher, hergestellt ist.
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Im Stand der Technik sind Proportional-Druckregelventile bekannt, beispielsweise unter der Bestell-Bezeichnung PDMC04S30D gemäß Inhalt der 1 der beigefügten speziellen Beschreibung. Bei der bekannten Lösung handelt es sich um ein direkt gesteuertes 3-Wege-Proportional-Druckregelventil. Im unbestromten Zustand ist dabei der Pumpen- oder Druckversorgungsanschluss verschlossen, wohingegen der Verbraucheranschluss mit dem Tank- oder Rücklaufanschluss fluidführend verbunden ist. Wird ein Stromsignal angelegt, drückt ein als Betätigungssystem ausgelegtes Magnetsystem mit einer der Höhe des Steuerstroms entsprechenden Kraft auf den Regelkolben, wodurch dieser gegen die Kraft einer Rückstellfeder längsverfahren wird und das Fluid, insbesondere in Form von Hydrauliköl, strömt vom Pumpen- oder Druckversorgungsanschluss zum Verbraucheranschluss entlang eines linearen Kennlinienverlaufs. Wird das Stromsignal weggenommen, schließt das Ventil und gelangt wiederum bei Einhaltung des vorgegebenen Kennlinienverlaufs in umgekehrter Richtung in seine vorbeschriebene, unbetätigte Stellung zurück.
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Durch das dahingehende Ventil-Ansteuerverhalten entsteht eine lineare Druck- oder Volumenstrom-Steuersignal-Kennlinie, die für die meisten Anwendungen dahingehender Proportional-Druckregelventile mehr als tauglich ist.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannte Ventillösung dahingehend weiter zu verbessern, dass diese für einen erweiterten Anwendungsbereich einsetzbar ist bei gleichzeitig funktionssicherem Verhalten und bei niedrigen Herstellkosten. Eine dahingehende Aufgabe löst ein Proportional-Druckregelventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit.
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Dadurch, dass gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 mittels einer Steuereinrichtung nach Durchlaufen des ersten Kennlinienverlaufs ein zweiter Kennlinienverlauf für den am Verbraucheranschluss des Ventilgehäuses anschließbaren Verbraucher erzeugt ist, der sich von dem ersten Kennlinienverlauf unterscheidet, ist für vorgebbare Anwendungen des Druckregelventils ein anderes Ventilverhalten erreicht und damit das Anwendungsspektrum für ein Proportional-Druckregelventil deutlich erhöht, ohne dass die modifizierte Lösung von der Funktionssicherheit sowie von den Herstellkosten her gegenüber den bekannten Lösungen schlechter wäre.
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Trotz der Neugenerierung mindestens eines weiteren Kennlinienverlaufs ist es dennoch möglich, einen an die Ventillösung angeschlossenen hydraulischen Verbraucher proportional einzustellen ohne Verlust der Auflösung.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dabei vorgesehen, dass der erste Kennlinienverlauf, wie dargelegt, weiter linear ausgebildet ist und dass unmittelbar am Ende des ersten Kennlinienverlaufs anschließend mittels der Steuereinrichtung ein rampenförmig ansteigender Kennlinienverlauf erzeugt ist. Mit der dahingehenden Lösung ist es möglich, bis zu einem gewissen Wert des Strom-Steuersignals den Druck linear verlaufen zu lassen und dann diesen auf einen erhöhten rampenförmigen Funktionsdruck ansteigen zu lassen. Insbesondere im Bereich von Kupplungen, wo erhöhte Zustellkräfte im Anschlagbereich der Kupplung oder zum Lösen der Kupplungsscheiben voneinander notwendig sind, macht die Realisierung eines dahingehenden Kennlinienverlaufs besonders Sinn.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Proportional-Druckregelventillösung ist der an den Verbraucheranschluss des Ventils anschließbare Verbraucher ein Mehrwegeventil mit mindestens einer Ventilstellung, die eine Art Schwimmstellung für einen weiteren hydraulischen Verbraucher ermöglicht, der an das Mehrwegeventil anschließbar ist, wobei diese Ventilstellung aufgrund des rampenförmigen Kennlinienverlaufs definiert geschaltet wird, so dass die genannte Schwimmstellung in der Art „schwarz-weiß” geschaltet werden kann. Beim Stand der Technik unter Einsatz ausschließlich linear ansteigender Kennlinienverläufe für das Druckregelventil wird auch eine dahingehende Schwimmstellung proportional angefahren, was letztendlich zulasten einer guten Vorsteuerventilauflösung geht.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Proportional-Druckregelventils sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Druckregelventil anhand eines Ausführungsbeispiels nach der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die
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1 in der Art eines Längsschnittes ein im Stand der Technik nachweisbares Proportional-Druckregelventil;
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2 einen der Ventillösung nach der 1 zugehörigen linear ansteigenden Kennlinienverlauf, wobei in der X-Richtung das Stromsignal I aufgetragen ist und darüber in Y-Richtung der Druck P oder der Volumenstrom Q;
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3 eine der Längsschnittdarstellung nach der 1 entsprechende Darstellung der erfindungsgemäßen Proportional-Druckregelventillösung;
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4 im Kreis dargestellt einen vergrößerten Ausschnitt eines Ventilteils nach der 3;
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5 eine der 2 entsprechende Graphikdarstellung, wobei der in 2 aufgezeigte lineare Kennlinienverlauf um eine zweite Kennlinie in Form eines rampenförmigen Anstiegs ergänzt ist; und
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6 in der Art einer üblichen hydraulischen Schaltdarstellung ein Mehrwegeventil, das von dem erfindungsgemäßen Druckregelventil ansteuerbar ist und eine schaltbare Schwimmstellung aufweist (ganz rechts dargestellt), wohingegen die sonstigen Ventilstellungen proportional mit linearem Kennlinienverlauf angesteuert werden (in der 6 die sich links anschließenden Ventilstellungen).
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In der 1 ist im Längsschnitt ein an sich bekanntes Proportional-Druckregelventil gezeigt mit einem in einem Ventilgehäuse 10 längsverfahrbar geführten Regelkolben 12, der mittels eines als Ganzes mit 14 bezeichneten Betätigungssystems zum wahlweisen Verbinden von im Ventilgehäuse 10 vorhandenen Anschlussstellen dient, wie einem Druckversorgungsanschluss P, einem Verbraucheranschluss A sowie einem Tank- oder Rücklaufanschluss T. Das in 1 gezeigte Betätigungssystem ist in der Art eines Magnetsystems ausgebildet; es wären aber auch Betätigungen möglich mittels eines pneumatischen oder sonstigen fluidischen Stelltriebs (nicht dargestellt). Auch ein mechanisches Betätigungssystem für den Regelkolben 12 ist grundsätzlich nicht ausgeschlossen. Das Magnetsystem 14 weist in üblicher und daher nicht mehr im Detail beschriebener Weise eine Spulenwicklung 16 in einem Polrohrkörper 18 auf, wobei die Spulenwicklung 16 mit der dahingehenden Betätigungsspule über ein Steckerteil 20 mit einem Steuerstrom versorgbar ist. In Richtung des Ventilgehäuses 10 grenzt der Polrohrkörper 18 an eine Polplatte 22 an, die zu ihrem freien stirnseitigen Ende hin von einer Flanschplatte 24 umfasst ist, die dem Festlegen des Druckregelventils an einen nicht näher dargestellten Ventilblock dient. Dergestalt lässt sich das in 1 gezeigte Druckregelventil in der Art eines Cartridge-Einsatzes oder in der Art einer Einsatzpatrone in dem nicht näher dargestellten Ventilblock festlegen, der über Anschlussgeometrien verfügt, die mit den genannten Anschlüssen P, A und T im Ventilgehäuse 10 sinnfällig zusammenwirken.
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In dem Polrohrkörper 18 ist längsverfahrbar ein Magnetanker 26 geführt, der über einen Druckausgleichskanal 28 verfügt, um dergestalt druckausgeglichen eine hemmnisfreie Hin- und Herbewegung des Magnetankers 26 zu ermöglichen. In Blickrichtung auf die 1 gesehen weist der zylindrische Magnetanker 26 an seiner unteren freien Stirnseite eine Betätigungsstange 30 auf, die permanent an dem Regelkolben 12 anliegt. Hierfür wird der Regelkolben 12 an seinem oberen Ende über einen Energiespeicher in Form einer Druckfeder 32 in permanenter Anlage mit der Betätigungsstange 30 gehalten, wobei die Druckfeder 32 den Regelkolben in seiner in 1 gezeigten oberen Stellung zu halten sucht. In dieser unbetätigten Stellung des Magnetsystems 14 und mithin des Magnetankers 26 ist der Verbraucheranschluss A vom Druckversorgungsanschluss T mittels des Regelkolbens 12 abgesperrt, der über eine obere Bohrungsreihe 34 eine fluidführende Verbindung zwischen dem Nutzanschluss A und dem Tank- oder Rücklaufanschluss T herstellt. Wird die Spulenwicklung 16 über das Steckerteil 20 entsprechend bestromt, verfährt in Blickrichtung auf die 1 gesehen der Magnetanker 26 nach unten und nimmt über die Betätigungsstange 30 entgegen der Kraftwirkung der Druckfeder 32 den Regelkolben 12 in eine untere Verfahrstellung mit. In dieser unteren Verfahrstellung ist über die untere Bohrungsreihe 36 des Regelkolbens 12 eine fluidführende Verbindung zwischen dem Druckversorgungsanschluss P und dem Nutzanschluss A hergestellt und durch die geschlossene Wandaußenumfangsfläche des oberen Teils des Regelkolbens 12 ist der Tank- oder Rücklaufanschluss T von einer wie auch immer gearteten Fluidversorgung abgeschnitten.
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Für eine gute Einleitung der Magnetkräfte über die Spulenwicklung 16 in den Magnetanker 26 weist die Polplatte 22 einen konischen Steuerkantenverlauf 38 auf, der eine zylindrische Mittenausnehmung 40 begrenzt, in die der Magnetanker 26 entsprechend geführt bei seiner Bewegung nach unten eingreifen kann. Die eigentliche magnetische Trennung zwischen Polplatte 22 und Magnetanker 26 erfolgt in üblicher Weise über einen Luftspalt 42. Ferner ist die Gesamtanordnung von Polrohrkörper 18 mit Polplatte 22 außenumfangsseitig von einem Gehäuse 44 abgeschlossen, das an seinen beiden freien Stirnseiten über Dichteinrichtungen eine Abdichtung des Inneren des Magnetsystems 14 gegenüber der Umgebung vornimmt. Auch der dahingehende Aufbau ist üblich, so dass an dieser Stelle hierauf nicht mehr näher eingegangen wird.
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Das in der 1 abgebildete Proportional-Druckregelventil wird unter der Bestell-Bezeichnung PDMC04S30D auf dem Markt angeboten und frei vertrieben. Es handelt sich in dieser Version um ein direkt gesteuertes 3-Wege-Proportional-Druckregelventil. Im unbestromten Zustand ist der Druckversorgungs- oder Pumpenanschluss P, wie in der 1 dargestellt, verschlossen. Ferner ist, wie bereits ausgeführt, der Verbraucheranschluss A mit dem Tank- oder Rücklaufanschluss T über den Regelkolben 12 fluidführend verbunden. Wird nun ein Stromsignal angelegt, drückt der Magnetanker 26 mit einer der Höhe des Steuerstroms I entsprechenden Kraft auf den Regelkolben 12. Dadurch wird der Regelkolben 12 gegen die Rückstellfeder in Form der Druckfeder 32 in Blickrichtung auf die 1 nach unten geschoben und das Fluidmedium, insbesondere in Form von Hydrauliköl, strömt vom Druckversorgungsanschuss P zum Verbraucheranschluss A. Durch einen an den Verbraucheranschluss A angeschlossenen hydraulischen Verbraucher (nicht dargestellt), beispielsweise in Form eines Wege-Schieberventils, baut sich am Verbraucheranschluss A dann ein entsprechender Druck auf, der auf die Regelkolbenfläche des Regelkolbens 12 wirkt und eine entsprechende Gegenkraft des Magnetsystems 14 erzeugt, welche den Regelkolben 12 wieder zurückbewegt. Dadurch wird der Zufluss von dem Pumpen- oder Druckversorgungsanschluss P zum Verbraucheranschluss A verringert, bis der am Verbraucheranschluss A anliegende Druck der Magnetkraft des Magnetsystems 14 und damit der Druckwert-Vorgabe über dem Stromsignal I entspricht.
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Benötigt der hydraulische Verbraucher keine Druckflüssigkeit mehr, was beispielsweise der Fall ist, wenn das angesprochene Wege-Schieberventil sich am Anschlag befindet, bewegt sich der Regelkolben 12 weiter zurück und verschließt die Zulaufbohrung P gemäß der Darstellung nach der 1. Sinkt der Ausgangsdruck durch die Entlastung des angeschlossenen Verbrauchers unter die Druckvorgabe, drückt der Magnetanker 26 den Regelkolben 12 wiederum nach unten und der Regelvorgang beginnt erneut.
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Der maximal erreichbare Regeldruck wird dabei durch die Magnetkraft des Magnetsystems 14 festgelegt. Steigt der Druck am Verbraucheranschluss A über den Vorgabewert an, wird der Regelkolben 12 mit dem Magnetanker 26 nach oben geschoben und öffnet die Verbindungen vom Verbraucheranschluss A zum Tank- oder Rücklaufanschluss T. Dadurch wird der Arbeitsdruck am Verbraucheranschluss A begrenzt.
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Im Falle einer Unterbrechung des Steuerstroms I wird der Regelkolben 12 vom Druck am Verbraucheranschluss A und der Rücksteil-Druckfeder 32 zurückgezogen. Dadurch wird der Verbraucheranschluss A mit dem Tank- oder Rücklaufanschluss T verbunden und der Druck am Verbraucheranschluss A fällt auf das Tankniveau, welches dem Umgebungsdruck entsprechen kann, ab.
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In der 2 ist der dahingehende qualitative Verlauf einer Steuersignal-Druckkennlinie 46 dargestellt. Die Kennlinie 46 ist aufgrund des gewählten Aktuators linear im gesamten Arbeitsbereich. Der in 2 insoweit gezeigte erste Kennlinienverlauf 46 erstreckt sich somit linear zwischen dem Steuersignal in Form des Steuerstroms I des Magnet-Betätigungssystems 14 und dem Durchflussvolumen Q oder dem Ansteuerdruck P, immer bezogen auf einen an den Verbraucheranschluss A des Ventils anschließbaren Verbraucher.
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Bei einigen Anwendungen dahingehender Proportional-Druckregelventile kann nun eine andere Form der Kennlinie oder ein anderes Ventilverhalten des dahingehenden Vorsteuerventils benötigt werden. Um beispielsweise einen hydraulischen Verbraucher, wie er in der 6 dargestellt ist, in die in Blickrichtung auf die 6 gesehen ganz rechte Schwimmstellung 48 zu verfahren, ist ein Steuerkennlinienverlauf notwendig, wie er in der 5 für ein erfindungsgemäßes Proportional-Druckregelventil nach den 3 und 4 dargestellt ist. Gemäß der Kennlinie nach der 5 ist der dort hierfür prinzipiell benötigte Volumenstromverlauf Q oder Druckverlauf P aufgezeigt. Mit der dargestellten Druckfunktion ist es möglich, den in 6 gezeigten hydraulischen Verbraucher 47 in seine links von der Schwimmstellung 48 aufgezeigten weiteren Ventilstellungen 50, 52 und 54 gleichfalls zu verfahren, und zwar gemäß der symbolisch dargestellten Doppelstrichanordnung 56 in proportionaler Weise, ohne dass es zu einem Verlust der Auflösung käme, was sich unmittelbar aus dem ersten linearen Kennlinienverlauf 46 nach der 5 ergibt. Bis zu einem gewissen Steuer- oder Stromsignal I verläuft dann gemäß der Darstellung nach der 5 eben der Druck gemäß der Kennlinie 46 linear und am Ende des Kennlinienverlaufs 46 springt dann der Druck oder der Volumenstrom rampenartig auf einen erhöhten Druck oder Volumenstrom an, wobei der dahingehende weitere rampenartige Kennlinienverlauf mit 58 bezeichnet ist. Die am freien Ende des ersten Kennlinienverlaufs 46 sich anschließende weitere Kennlinie 58 erlaubt rampenartig in vertikaler Ausrichtung einen starken Anstieg des Volumens Q oder des Drucks P, bis am Ende des rampenartigen Sprungs der vertikale Kennlinienverlauf in eine horizontale Abschlusskennlinie 60 übergeht, d. h. trotz weiter steigendem Steuerstrom I bleibt entlang des Abschlusskennlinienverlaufs 60 sowohl der Volumenstrom Q als auch der Druck P dann konstant.
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Da der Regelkolben 12 über seine Anschlussgeometrie P, A, T direkt auf den längsverfahrbar gehaltenen Steuerschieber 62 des hydraulischen Verbrauchers nach der 6 einwirkt, was nicht näher dargestellt ist, wird der dahingehende Schieber 62 im rampenartigen Sprungfall der weiteren Kennlinie 58, 60 bis zu einem seiner Anschläge ausgelenkt, was der vierten Position 48 entspricht, die bei einem weiteren hydraulischen Verbraucher, der an den Verbraucher nach der 6 angeschlossen ist, eine Art Schwimmstellung bewirkt.
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Diese Schwimmstellung kann definiert geschaltet, also „schwarz-weiß” angefahren werden, wobei Druckregelventile im Stand der Technik, wie in 1 aufgezeigt, auch für eine dahingehende Schwimmstellung proportional angefahren werden müssen, was letztendlich einem unerwünschten Verlust der Vorsteuerventilauflösung gleichkommt.
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Diese Funktion des Druckverlaufs mit rampenartig ansteigendem Kennlinienverlauf 58, 60 nach der 5 wird durch eine erfindungsgemäße Ventilkonstruktion erreicht, wie sie in den 3 und 4 näher dargestellt ist. Die erfindungsgemäße Proportional-Druckregelventilkonstruktion nach den 3 und 4 wird im Folgenden nur noch insoweit erläutert, als sie sich wesentlich von der Lösung nach dem Stand der Technik unterscheidet. Dabei werden für die 3 und 4 dieselben Baukomponenten, wie sie in der 1 bereits erläutert wurde, auch mit denselben Bezugszeichen versehen. Die hierzu getroffenen Ausführungen gelten dann insoweit auch für die erfindungsgemäße Lösung.
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Um den Kennlinienverlauf nach der 5 zu erreichen, wird eine Anker-Druckfeder 64 als Teil einer Steuereinrichtung 65 vorgespannt, die in einer zylindrischen Mittenausnehmung 67 innerhalb des Magnetankers 26 passgenau angeordnet ist, wobei die Vorspannung genau auf die Kraft am Knickpunkt 66 (vgl. 5) der dort aufgezeigten Druck-Steuersignal-Kennlinie 46, 58, 60 ausgelegt ist. Diese innere Anker-Druckfeder 64 hat keine Auswirkung auf den linearen Kennlinienverlauf der ersten Kennlinie 46, denn die Magnetkraft wird trotz der dahingehend konzipierten Steuereinrichtung zum Druckregelkolben 12 im Verhältnis 1:1 weitergeleitet. Sobald die Vorspannkraft der Anker-Druckfeder 64 bei ständig steigendem Steuer- oder Stromsignal I durch die Magnetkraft des Magnetsystems 14 überschritten wird, bewegt sich der Magnetanker 26 weiter zu einer Polfläche 68 der Polplatte 22, die im Blickrichtung auf die 1 gesehen nach unten hin die Mittenausnehmung 40 begrenzt. Die in diesem Zusammenhang für proportionale Druckregelventile zum Einsatz kommenden Elektromagnete haben grundsätzlich die Eigenschaft, in einem vorgebbaren Steuerbereich eine waagerechte Weg-Kraft-Kennlinie zu entfalten. Jedoch fällt diese Kennlinie stark ansteigend aus, umso mehr der Magnetanker 26 an die angesprochene Polfläche 68 herangeführt ist. Diese ansteigende Magnetkraft wird dazu ausgenutzt, um den Druck, respektive den Volumenstrom sprunghaft ansteigen zu lassen gemäß der Kennliniendarstellung 58, 60 ausgehend von dem angesprochenen Knickpunkt 66 zwischen den beiden Kennlinienverläufen 46, 58.
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Wie insbesondere der kreisförmige Teilausschnitt nach der 4 aufzeigt, stützt sich die Anker-Druckfeder 64 mit ihrem in Blickrichtung auf die 3 und 4 gesehen unteren Ende an einem Anlageteil 70 ab, das wiederum in jeder Verfahrstellung des Magnetankers 26 aufgrund der Federvorspannung der Anker-Druckfeder 64 in Anlage mit dem Magnetanker 26 ist. Für die letztgenannte Merkmalsausgestaltung ist dabei das ringförmige Anlageteil 70 an seiner einen freien Stirnseite 72, die der Anlagefläche 74 mit der Anker-Druckfeder 64 entgegensetzt ist, in permanenter Anlage mit einer Anlageschulter 76 einer in dem Magnetanker 26 eingesetzten Einpresshülse 78. Sofern das Anlageteil 70, wie insbesondere in 4 dargestellt, über die Anlageschulter 76 der Einpresshülse 78 radial nach innen vorsteht, stützt sie sich an einer weiteren Anlageschulter 80 der Betätigungsstange 30 ab. Während mithin die Einpresshülse 78 ortsfest in ihrer Einbaustellung im Magnetanker 26 verbleibt, kann das Anlageteil 70 entgegen der Druckwirkung der Anker-Druckfeder 64 über die weitere Anlageschulter 80 der Betätigungsstange 30 von der Einpresshülse 78 abheben, sofern in Blickrichtung auf die 3 und 4 gesehen, die Betätigungsstange 30 nach oben hin verfahren wird.
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Die Betätigungsstange 30 durchgreift mittig die Anker-Druckfeder 64, die im unbestromten Zustand des Magnetsystems 14 mit ihrem jeweils freien oberen Ende mit einem vorgebbaren Abstand zum Magnetanker 26 hin endet, der von der Anker-Druckfeder 64 mit ihrem oberen freien Ende übergriffen ist. Der dahingehende Abstand wird benötigt damit der Magnetanker 26 zunächst frei entgegen der Wirkung der Anker-Druckfeder 64 verfahren kann, was den linearen Kennlinienverlauf 46 ergibt. Anschließend fährt die Anker-Druckfeder 64 auf „Block”, was den rampenförmigen Anstieg der weiteren Kennlinie 58, 60 generiert.
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Es versteht sich von selbst, dass anstelle der eigenständigen Betätigungsstange 30 auch ein entsprechender Fortsatz als einstückiger Bestandteil des Regelkolbens 12 treten kann. Des Weiteren ist die zylindrische Mittenausnehmung 67 im Magnetanker 26 an ihrem oberen Ende mit einer Ausgleichsbohrung 82 versehen, die in das obere Ende eines Ankerraumes 84 ausmündet, wobei der dahingehende Ankerraum 84 als auch Teile der Polplatte 22 im Bereich des konischen Steuerkantenverlaufs 38 von einer Druckhülse 86 eingefasst sind als Bestandteil des Polrohrkörpers-Systems.
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Es ist für einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der Druckregelventiltechnik überraschend und im Stand der Technik nicht aufgezeigt, dass er mittels Einsatz einer zusätzlichen Anker-Druckfeder 64 eine Art Hysterese-Kennlinienverlauf erzeugen kann, bei dem einmal eine lineare Kennlinie und einmal eine rampenförmige Kennlinie 58 für den Druck P oder Volumenstrom Q entsteht.
