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Die Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere Proportionalventil, mit einem Hauptkolben zum Ansteuern eines Hauptvolumenstroms und mit einem Vorsteuerkolben zum Ansteuern eines Vorsteuervolumenstroms, wobei Haupt- und Vorsteuerkolben in einem Ventilgehäuse längsverfahrbar geführt sind und wobei der Vorsteuerkolben mittels einer Magneteinrichtung betätigbar ist.
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Durch
DE 103 23 595 A1 ist Ventil bekannt, insbesondere in Form eines Proportionalsitzventiles oder Schieberventiles, mit einem Ventilgehäuse und mindestens drei das Ventilgehäuse durchgreifenden Fluid-Anschlüssen sowie mit einem im Ventilgehäuse geführten Hauptkolben und einem eine Vorsteuerung bewirkenden Vorsteuerkolben, der mittels einer bestrombaren Magneteinrichtung ansteuerbar ist, wobei bei einer geöffneten Vorsteuerung Fluid von einem der beiden Anschlüsse, die von dem Hauptkolben ansteuerbar sind, über eine Querschnittsverengung im Hauptkolben und die Vorsteuerung zum dritten, durch den Vorsteuerkolben ansteuerbaren Anschluss gelangt, und wobei aufgrund des damit einhergehenden Druckabfalls der Hauptkolben in jeweils eine, die beiden Fluidanschlüsse von der Fluidmenge her ansteuerbare Steuerposition gelangt.
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Durch
EP 2 880 315 B1 ist ein Ventil, insbesondere ein vorgesteuertes Proportional-Wegesitzventil bekannt, mit einem Ventilgehäuse, das einen Fluideinlass und einen Fluidauslass aufweist, wobei der Fluidstrom zwischen diesem Ein- und Auslass durch einen Hauptkolben regelbar ist, wobei auf einer Rückseite des Hauptkolbens eine Vorsteuerventilkammer vorgesehen ist mit einem durch eine Betätigungseinrichtung bewegbaren Vorsteuerventilschließglied, mit welchem der Fluidstrom zwischen der Vorsteuerventilkammer und dem Fluidauslass regelbar ist, wobei zwischen dem Fluideinlass und der Vorsteuerventilkammer eine Zulaufblende angeordnet ist, wobei der Öffnungsquerschnitt der Zulaufblende durch ein Steuerelement verkleinerbar ist, wobei die Zulaufblende mehrere Blendenbohrungen aufweist, und wobei der Öffnungsquerschnitt von wenigstens einer der Blendenbohrungen durch das Steuerelement verkleinerbar ist, und wobei es die Aufspaltung der Zulaufblende in mehrere Blendenbohrungen ermöglicht, die Zulaufblende in mehrere Öffnungsstufen zu schalten.
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Dahingehend vorgesteuerte Wegeventile mit elektro-hydraulischer Betätigung steuern Start, Stopp und Richtung eines Volumenstroms sowie Geschwindigkeit, Beschleunigung und Verzögerung eines an dem Ventil angeschlossenen hydraulischen Verbrauchers, beispielsweise in Form eines hydraulischen Arbeitszylinders. Vorgesteuerte Wegeventile werden grundsätzlich dort eingesetzt wo große Volumenströmen bei geringen Strömungsverlusten gesteuert werden. Geringe Strömungsverluste bei hohen Volumenströmen bedeuten jedoch große Öffnungsquerschnitte und somit große Hübe des Hauptkolbens. Störungen, welche die Ventilfunktion beinträchtigen, sind die von Volumenstrom und Druckdifferenz sprich der Ventilleistung abhängige, der Schaltbewegung entgegenwirkende Strömungs- und Reibungskräfte. Insbesondere bei mechanischer Betätigung durch eine Feder, regelmäßig in Form einer Rückstellfeder, kann der Bemessungswert der Federkraft gegenüber der Reibkraft für die Rückstellung des Kolbenschiebers zu klein sein. Um diesen Anforderungen an das Magnetsystem bezüglich Hub und Kraft gerecht zu werden, müsste entweder das Magnetsystem entsprechend groß dimensioniert werden oder man steuert das Ventil hydraulisch vor. Wie vorstehend aufgezeigt, sind im Stand der Technik für solche Anwendungsfälle Ventile bekannt, die demgemäß zwangsläufig über eine hydraulische Vorsteuerung verfügen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannten Ventile von ihrem Funktionsverhalten her weiter zu verbessern. Eine dahingehende Aufgabe löst ein Ventil mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit.
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Dadurch, dass gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 die Position des Hauptkolbens mittels des Vorsteuerkolbens einstellbar ist, in dem ein am Hauptkolben anstehender Fluiddruck über eine Fluidverbindung in einen Vorsteuerraum mit dem Vorsteuerkolben gemeldet wird, der bei unbetätigter Magneteinrichtung, den Hauptkolben in seiner den Hauptvolumenstrom unterbindenden Schließstellung hält und dass bei betätigter Magneteinrichtung der Vorsteuerkolben in eine Position verfährt, bei der der Fluiddruck, abgekoppelt von der Druckversorgung über den Hauptkolben, im Vorsteuerraum so lange fällt bis der Hauptkolben in eine den Hauptvolumenstrom regelnde Öffnungsstellung gelangt, ist insgesamt eine verbesserte Regelgüte geschaffen, bei geringen Druckverlusten unter Vermeidung von Leckagen bei Betrieb des erfindungsgemäßen Ventils.
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Mit der erfindungsgemäßen Ventillösung ist insbesondere eine lineare Einstellung der Position des Hauptkolbens über die Magnetkraft der Magneteinrichtung, bei gleichzeitigem Ausgleich einer auftretenden Strömungskraft und Dichtungsreibung am Hauptkolben, erreicht. Hierbei gilt in vorteilhafter Weise, dass der Vorsteuerkolben entgegen der Kraft (FFeder1) eines Energiespeichers von der Kraft (FMagnet) der Magneteinrichtung betätigbar ist, wobei unter Berücksichtigung einer Reibkraft (FReib) der Vorsteuerkolben im Wesentlichen druckausgeglichen ist, in dem gilt:
- FMagnet - FFeder1 - FReib = 0. Da bei einer Öffnungsbewegung des Hauptkolbens zum Ansteuern des Hauptvolumenstroms zwischen zwei möglichen Fluidanschlussstellen im Ventilgehäuse, der Vorsteuerkolben sich dahingehend im Kräftegleichgewicht befindet, ist der Hub des Hauptkolbens über die Vorsteuerung insoweit einstellbar. Dies hat so keine Entsprechung im Stand der Technik.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ventils sind Gegenstand der Unteransprüche. Insbesondere von Vorteil ist, wenn der Hauptkolben zum Erfassen seiner Position mit einer Wegmesseinrichtung gekoppelt ist. Aufgrund der vorteilhaften Ansteuerung des Hauptkolbens über den Vorsteuerkolben kommt das erfindungsgemäße Ventil mit einer entsprechend kleindimensionierten Magneteinrichtung aus, bei verringerten Öffnungsquerschnitten im Bereich der zu beherrschenden Volumenströme, wozu nur geringe Hübe des Hauptkolbens notwendig sind. Dergestalt ergibt sich ein hochdynamisches Proportional-Drosselventil.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Ventil anhand einer Ausführungsform nach den Figuren näher erläutert. Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Längsschnittdarstellung die
- 1 wesentliche Komponenten des Ventils;
- 2 in einer geschlossenen Ventilstellung den vorderen Teil des Ventils nach der 1; und
- 3 eine der 2 entsprechende Darstellung bei geöffnetem Ventil.
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Das in den Figuren gezeigte Ventil ist ein sogenanntes Proportionalventil und weist einen Hauptkolben 10 zum Ansteuern eines Hauptvolumenstroms auf. Ferner ist ein Vorsteuerkolben 12 vorhanden zum Ansteuern eines Vorsteuervolumenstroms, wobei der Hauptkolben 10 sowie der Vorsteuerkolben 12 gemeinsam in einem Ventilgehäuse 14 längsverfahrbar geführt sind. Wie sich insbesondere aus der 1 ergibt, ist der Vorsteuerkolben 12 mittels einer Magneteinrichtung 16 verfahrbar im Ventilgehäuse 14 angeordnet.
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Die Position des Hauptkolbens 10 ist mittels des Vorsteuerkolbens 12 einstellbar, in dem ein am Hauptkolben 10 anstehender Fluiddruck über eine Fluidverbindung 18 in einen Vorsteuerraum 20 mit dem Vorsteuerkolben 12 gemeldet wird, der bei unbetätigter Magneteinrichtung 16 den Hauptkolben 10 in seiner den Hauptvolumenstrom unterbindenden Schließstellung hält, wie dies in der 2 dargestellt ist, wobei bei betätigter Magneteinrichtung 16 der Vorsteuerkolben 12 in eine Position verfährt, bei der der Fluiddruck, abgekoppelt von der Druckversorgung über den Hauptkolben 10, im Vorsteuerraum 20 solange fällt, bis der Hauptkolben 10 in eine den Hauptvolumenstrom regelnde Öffnungsstellung gelangt, wie dies in den 1 und 3 beispielhaft für eine der möglichen Öffnungsstellungen gezeigt ist.
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Der Vorsteuerkolben 12 ist entgegen der Kraft F
Feder1 eines Energiespeichers in Form einer Druckfeder 22 von der entgegenwirkenden Kraft F
Magnet der Magneteinrichtung 16 betätigbar, wobei unter Berücksichtigung einer Reibkraft F
Reib für das Ventil der Vorsteuerkolben 12 im Wesentlichen druckausgeglichen ist, in dem gilt:
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Die entgegenwirkenden Kräfte FFeder 1 und FMagnet sind in der 3 mit Kraftpfeilen 26 bzw. 28 angedeutet.
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Wie sich des Weiteren aus den Figuren ergibt, ist der Vorsteuerkolben 12 als Hohlkolben ausgebildet, der an seinem Außenumfang eine erste Ausnehmung 30 aufweist in der Art einer Ringnut, die bei unbetätigter Magneteinrichtung 16 gemäß der Darstellung nach der 2 die fluidführende Verbindung zum Hauptkolben 10 herstellt. Der als Hohlkolben ausgebildete Vorsteuerkolben 12 weist entlang seines Innenumfanges einen fluidführenden Kanal 32 auf, der mit seinem einen freien Ende 34 in den Vorsteuerraum 20 ausmündet, und der über einen radial verlaufenden Kanalabschnitt 36 dieses axial verlaufenden Kanals 32 in eine zweite ringnutartige Ausnehmung (38) am Außenumfang des Hohl- oder Vorsteuerkolbens 12 ausmündet, der betätigter Magneteinrichtung 16 gemäß der Darstellung nach den 1 und 3 in einen Tankanschluss 40 im Ventilgehäuse 14 derart einfährt, dass insoweit eine fluidführende Verbindung zum Tankanschluss 40 hergestellt ist, dass jedoch die erste Ausnehmung 30 von der fluidführenden Verbindung zum Hauptkolben 10 getrennt ist. Sowohl der Kanalabschnitt 36 als auch der Tankanschluss 40 können, wie dargestellt, mehrfach vorahnden sein. In die fluidführende Verbindung zwischen Hauptkolben 10 und Vorsteuerraum 20 ist jedenfalls ein Umschaltventil 42 geschaltet, dass den jeweils höheren Druck von zwei Fluidanschlüssen 44, 46 im Ventilgehäuse 14, über die der zu regelnde Hauptvolumenstrom geführt ist, in den Vorsteuerraum 20 als Meldedruck weiterleitet.
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Ist der Fluiddruck am Fluidanschluss 44 größer als am Fluidanschluss 46 gelangt Fluid mit diesem höheren Druck über den Fluidanschluss 44 und einen Längskanal 50 im vorderen Bereich des Hauptkolbens 10 zum Umschaltventil 42 mit seiner Schließkugel 48. Die dahingehende Schließkugel 48 wird in Blickrichtung auf die Figuren gesehen insoweit nach rechts bewegt und verschließt dabei einen im Hauptkolben 10 eingebrachten Radialkanal 52, der in den Fluidanschluss 46 im Ventilgehäuse 14 ausmündet. An die Ventilkammer 54 des Umschaltventiles 42 schließt sich wiederum im Hauptkolben 10 ein weiterer Längskanal 56 an, der mit seinem freien stirnseitigen Ende in eine Fluidkammer 58 im Hauptkolben 10 ausmündet. Über zwei in einem schrägen Winkel von 45° zur Längsachse des Ventils gesehen, angeordnete Verbindungskanäle 60 im Hauptkolben 10 wird die Fluidkammer 58 mit einer weiteren Fluidkammer 62 verbunden, die als Ringkammer ausgebildet zwischen dem Ventilgehäuse 14 und dem Hauptkolben 10 angeordnet ist. Daran anschließend geht die weitere Fluidkammer 62 fluidführend in eine im Ventilgehäuse 14 angeordnete Ringkammer 64 über und von dort aus führt eine Längskanalstrecke 66 in einen weiteren Ringraum 67 und geht anschließend in ein Querkanalteil 68 im Ventilgehäuse 14 über, der an seinem inneren Ende, zum Vorsteuerkolben 12 hin im Querschnitt verbreitert ist, und der gemäß der Darstellung nach der 2 in Fluidüberdeckung mit der ringförmigen ersten Ausnehmung 30 am Außenumfang des Vorsteuerkolbens 12 gebracht werden kann, wobei gemäß der Darstellung nach den 1 und 3 die dahingehende fluidführende Verbindung durch Verfahren des Vorsteuerkolbens 12 von rechts nach links unter der Wirkung der Magneteinrichtung 16 gesperrt werden kann. Es versteht sich, dass die jeweiligen Kanäle und sonstigen Verbindungen, wie dargestellt, je nach Bedarf mehrfach am Ventilkörper untergebracht sein können. jedenfalls bilden die Komponenten 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66, 67 68 und 30 die Fluidverbindung 18 zwischen dem Fluidanschluss 44 an der Stirnseite des Hauptkolbens 10 und dem Vorsteuerraum 20 zwischen Hauptsteuerkolben 10 und Vorsteuerkolben 12 aus. Insoweit wird also der Druck am Fluidanschluss 44 in der geschlossenen Ventilstellung des Hauptkolbens 10 in den Vorsteuerraum 20 weitergeleitet respektive weitergemeldet.
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Ist der Druck am Radialanschluss 46 als dem weiteren Fluidanschluss im Ventilgehäuse 14 größer als am Fluidanschluss 44 wird in Blickrichtung auf die Figuren gesehen, das Umschaltventil 42 geschaltet, indem die Schließkugel 48 nunmehr ihre linke, den Kanal 50 verschließende Schließstellung einnimmt. Dergestalt gelangt Fluid mit vorgebbarem Druck über den Fluidanschluss 46 und den Radialkanal 52 die Ventilkammer 54 in den weiteren Längskanal 56, so dass insoweit nunmehr die verbleibende Fluidverbindung 18 zum Vorsteuerraum 20 über den dahingehenden Weg freigegeben ist. Üblicherweise soll am Fluidanschluss 44 ein Fluiddruck von einer Druckversorgungseinrichtung, wie einer Hydropumpe, anstehen und am Fluidanschluss soll ein hydraulischer Verbraucher, wie ein Hydraulikzylinder, angeschlossen sein. Andere Belegungen der Fluidanschlüsse 44, 46 sind denkbar.
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Wie sich aus den Figuren weiterergibt, ist der Hauptkolben 10 aus zwei Komponenten 70, 72 zusammengesetzt, wobei die dahingehenden Komponenten mit ihren einander zugewandten freien Stirnseiten die Fluidkammer 58 in axialer Verschieberichtung der Ventilkolben 10, 12 gesehen begrenzen. An der freien Stirnseite der zweiten Komponente 72, die der Magneteinrichtung 16 zugewandt ist, greift als weiterer Energiespeicher eine zweite Druckfeder 74 an, die sich mit ihrem anderen freien Ende an stationären Teilen des Ventilgehäuses 14 abstützt. Innenumfangsseitig zu der zweiten Druckfeder 74 und koaxial zu derselben angeordnet, verläuft die Druckfeder 22, die sich mit ihrem einen freien Ende an einer absatzförmigen Schulter im Inneren der zweiten Komponente 72 abstützt und mit ihrem anderen freien Ende an einem ringförmigen Vorsprung 76 am Vorsteuerkolben 12. Dergestalt erfahren sowohl der Hauptkolben 10 als auch der Vorsteuerkolben 12 eine Vorspannung über die beiden Druckfedern 22, 74, deren Federkraft zusammen den Betrag
F1Feder + (x ∗ c) in vorstehend genannter Formel ergeben.
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Im Folgenden wird nunmehr beschrieben, wie die Bewegung des Hauptkolbens 10 geregelt wird. Die Bewegung des Hauptkolbens 10 in Blickrichtung auf die 2 gesehen in einen Zustand wie in den 1 und 3 vorgegeben, nach rechts erfolgt dabei wie folgt. Der an dem jeweiligen Fluidanschluss 44 oder 46 anstehende Druck vor dem Hauptkolben 10, welcher über das Umschaltventil 42 und die Fluidverbindung 18 zu dem Vorsteuerkolben 12 gemeldet wird, hält bei unbestromter Magneteinrichtung 16 durch den Druck im Vorsteuerraum 20 gemäß der Darstellung nach der 2, den Hauptkolben 10 über die Flächendifferenz, die durch die gegenüberliegenden Stirnseiten des Hauptkolbens 10 gebildet wird, zu.
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Kommt es nun zu einer Krafterzeugung durch die Magneteinrichtung 16 wird, wenn die Magnetkraft größer ist als die Reibkraft zuzüglich der Federkraft, der Vorsteuerkolben 12 in Blickrichtung auf die Figuren nach links bewegt und durch die dahingehende Bewegung des Vorsteuerkolbens 12 nach links wird die Druckversorgung von Seiten des Hauptkolbens 10 verschlossen, in dem gemäß der Darstellung nach den 1 und 3 der geschlossene Außenumfang des Vorsteuerkolbens 12 den Querkanalteil 68 im Ventilgehäuse 14 verschließt. In der dahingehenden Schließstellung wird aber der Vorsteuerraum 20 über die zweite Ausnehmung 38 des fluidführenden Kanals 32 im Vorsteuerkolben 12 mit dem Tank über die beiden radial im Ventilgehäuse 14 verlaufenden Tankanschlussbohrungen 40 verbunden, die an ihrem jeweils freien Ende in einen vertieften Ringkanal 78 am Außenumfang des Vorsteuerkolbens 12 in jeder seiner Verfahrstellungen einmünden. Dieser Ringkanal 78 geht in einen Entlastungsraum 80 über, der insoweit im Volumen aufgesteuert wird, sobald der Vorsteuerkolben 12 nach links verfährt, was die fluidführende Verbindung von Vorsteuerraum 20 über die fluidführenden Komponenten 32, 36, 80, 78 zum jeweiligen Tankanschluss 40 herstellt. Durch die dahingehende Verbindung des Vorsteuervolumens zum Tank fällt insoweit der Druck im Vorsteuerraum 20 und es stellt sich ein neues Gleichgewicht am Ventil ein, bis ein vollständiges Schließen des Ventiles erreicht ist.
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Insbesondere ergibt sich folgende Gesamtsituation. Die Magnetkraft wird reduziert, so dass der Vorsteuerkolben 12 den Anschluss zur Druckversorgung des Hauptkolbens 10 öffnet. Dabei steigt der Vorsteuerdruck und damit auch die Druckkraft im Vorsteuerraum 20. Dies hat zur Folge, dass der Hauptkolben 10 sich wiederum von rechts nach links bewegt, was zur Folge hat, dass die Federkraft der Druckfedern 22 und 74 abnimmt, so dass sich ein neues Gleichgewicht nach der folgenden Formel einstellt:
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Zum Ansteuern des Vorsteuerkolbens 12 dient die Magneteinrichtung 16, die in üblicher Weise eine bestrombare Spule 81 aufweist, die einen Magnetanker 82 im bestromten Zustand von rechts nach links verfährt, wobei dieser über eine hohle Betätigungsstange 84 und eine Kupplung 86 den Vorsteuerkolben 12 entsprechend zwangsgeführt mitnimmt. Für eine hemmnisfreie Bewegung des Vorsteuerkolbens 12 ist unter anderem dabei vorgesehen, dass die Kupplung 86, die in einem Kupplungsraum 88 des Ventilgehäuses 14 frei verfahrbar geführt ist über radiale Querbohrungen 90 mit dem fluidführenden Kanal 32 fluidführend verbunden ist, so dass der Druck im Vorsteuerraum 20 über den Kanal 32 und die Querbohrungen 90 (3) auch im Kupplungsraum 88 ansteht, der insoweit über die hohle Betätigungsstange 84 außenumfangsseitig und innenumfangsseitig druckführend an das Magnetsystem des Betätigungsmagneten, in Form der Magneteinrichtung 16, druckausgleichend weitergeleitet ist. Das genannte Bauteil 86 ist in Blickrichtung auf die 2 gesehen links eine Art Totraum 89.
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Dieser Raum 89 wird über mindestens eine Bohrung 91 im Bauteil 86 befüllt oder entleert, so dass über die jeweilige Bohrung 91 im Bauteil 86 die Dynamik respektive die Dämpfung des Ventils einstellbar ist.
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Des Weiteren ist an der zweiten Komponente 72 des Hauptkolbens 10 eine Messtange 92 fest angeordnet, die sowohl den Vorsteuerkolben 12 als auch das Betätigungsmagnetsystem durchgreift, um mit ihrem anderen freien Endbereich in eine als Ganzes mit 94 bezeichnete Wegmesseinrichtung ausmündet, die mit zwei Messspulen 96 versehen, in beide Richtungen die Verfahrbewegung für den Hauptkolben 10 messtechnisch erfassen können.
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Des Weiteren weist der Hauptkolben 10, wie dies insbesondere die Darstellung nach der 2 zeigt, an seiner freien Stirnseite eine ballig ausgebildete Stirnseite 98 auf, gebildet aus einem vorgebbaren Radius, der dazu dient einen linearen Zusammenhang zwischen dem Hub des Hauptkolbens 10 zu seiner von ihm erzeugten Öffnungsfläche an den Fluidanschlüssen 44 oder 46 herzustellen. Ansonsten ist der Hauptkolben 10 über gestuft ausgebildete Ringflächen längsverfahrbar an der Innenumfangsseite des Ventilgehäuses 14 verfahrbar geführt und einzelne Dichtringsysteme, regelmäßig in Form von O-Dichtringen, sorgen für eine fluiddichte Abgrenzung der einzelnen Fluidräume und Fluidstrecken wie vorstehend angegeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10323595 A1 [0002]
- EP 2880315 B1 [0003]
- DE 102012014250 A1 [0024]
