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Die Erfindung betrifft eine in ihrem Hubvolumen verstellbare hydrostatische Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise mit einer hydraulisch betriebenen Verstellvorrichtung für die Schrägscheibe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 050 835 A1 offenbart eine derartige Verstellvorrichtung und eine derartige hydrostatische Axialkolbenmaschine. Die Verstellvorrichtung ist an die Schrägscheibe der Axialkolbenmaschine gekoppelt, um so deren Neigung zur Triebwelle und damit das Hubvolumen der umlaufenden Zylinder-Kolben-Einheiten zu verstellen. Die Verstellvorrichtung hat einen Stellkolben, der in einem gehäusefesten Stellzylinder geführt ist. Zur Beschickung eines Stelldruckraumes mit Stelldruckmittel ist in den Stellkolben ein Regelventil integriert, das den Stelldruckraum mit einer Druckquelle verbindet oder zu einem Gehäuseinnenraum der Axialkolbenmaschine entlastet. Dazu wird das Regelventil über ein separates Vorsteuerventil eingestellt. Durch eine Rückkopplung des Stellweges des Stellkolbens und damit des Schwenkwinkels der Schrägscheibe auf das Regelventil nach Art einer Nachlaufregelung wird das Regelventil derart gesteuert, dass die initiierte Verstellbewegung nach einem gewissen Verstellweg des Stellkolbens wieder beendet wird.
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Das Vorsteuerventil ist zwischen der Druckquelle und einem Steuerdruckraum angeordnet und als Druckminder- oder als Druckreduzierventil ausgeführt. Es hat eine Vorsteuerfeder, die gemeinsam mit dem Steuerdruck der Steuerdruckleitung in Schließrichtung des Vorsteuerventils wirkt. Weiterhin hat das Vorsteuerventil einen proportional ansteuerbaren Elektromagneten, von dem ein Vorsteuerventilkörper des Vorsteuerventils gegen den Steuerdruck und gegen die Vorsteuerfeder beaufschlagbar ist. Wird der Proportionalmagnet derart bestromt, dass die Magnetkraft größer als die Summe der Druckkraft und der Federkraft ist, steigt der Steuerdruck an, bis wieder ein Gleichgewicht der Kräfte am Vorsteuerventilkörper herrscht. Wie der Steuerdruck erniedrigt wird, ist der
DE 10 2008 050 835 A1 nicht entnehmbar.
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Nachteilig an der bekannten Verstellvorrichtung ist, dass ein stromloser Elektromagnet des Vorsteuerventils eine der Endstellungen des Stellkolbens, die zum Beispiel durch einen Anschlag des Stellkolbens an einem Boden des Stellzylinders vorgegeben ist, und ein maximal bestromter Elektromagnet die andere Endstellung des Stellkolbens bewirkt. Somit ist diese Verstellvorrichtung nicht geeignet, um bei stromlosem Elektromagneten eine sichere Zwischenstellung zwischen den beiden Endstellungen zu erhalten.
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Die
DE 25 51 493 A1 zeigt eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise, deren Schrägscheibe mittels eines Stellzylinders verschwenkt wird. Der Stellzylinder wird mittels einer Regelventilanordung hydraulisch betätigt, welche zumindest teilweise innerhalb des Stellkolbens angeordnet ist. Entgegen der vorliegenden Erfindung ist der Stellkolben nicht mit einer Rückstellfeder beaufschlagt.
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Die
JP 2004 084 907 A zeigt die Steuerung einer in ihrem Verdrängungsvolumen verstellbaren Hydraulikpumpe, bei welcher ein Regenerationsvolumenstrom berücksichtigt wird, welcher von einer Druckfluidquelle bereitgestellt wird, die von der Hydraulikpumpe verschieden ist. Hierbei findet ein elektrisch verstellbares Ventil Verwendung.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine hydrostatische Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise mit einer Verstellvorrichtung zu schaffen, bei der eine stromlose Zwischenstellung eines Stellkolbens und damit der Schrägscheibe und von dort eine bidirektionale Verstellung möglich sind. Die stromlose Zwischenstellung ist vorzugsweise eine Neutralstellung der Schrägscheibe, in der das Hubvolumen einer Axialkolbenmaschine null oder nahezu null ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine hydrostatische Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die beanspruchte hydraulische Verstellvorrichtung hat einen Stellzylinder und einen darin geführten Stellkolben, der an ein translatorisch zu verstellendes oder seitlich an ein zu verschwenkendes Bauteil koppelbar ist und dessen Verstellweg auf das Regelventil rückgekoppelt ist. Dazu ist der Stellkolben in einer ersten Stellrichtung mit einem Stelldruck eines Stelldruckraums und in einer zweiten Stellrichtung von einer Rückstellfeder beaufschlagbar. Ein im Innern des Stellkolbens angeordneten, als Wegeventil mit zumindest drei Anschlüssen und proportional verstellbaren Regelventil weist zur Steuerung des Zuflusses und des Abflusses von Druckmittel zu und aus dem Stelldruckraum einen Steuerschieber auf, der in die erste Stellrichtung über ein als Druckventil ausgebildetes Vorsteuerventil mit einem Steuerdruck beaufschlagbar ist. Das Vorsteuerventil wiederum weist einen Vorsteuerventilkörper auf, der im Sinne einer Erhöhung des Steuerdrucks von einem ersten Aktor und entgegen der Wirkung des Aktors vom Steuerdruck beaufschlagbar ist. Dem Steuerdruck entgegen ist der Steuerschieber des Regelventils von der Rückstellfeder in die zweite Stellrichtung funktional und räumlich beaufschlagbar. Damit liegt die Rückstellfeder je nach Betriebszustand der Verstellvorrichtung am Steuerschieber des Regelventils und/oder am Stellkoben an. Erfindungsgemäß wirkt am Vorsteuerventilkörper des Vorsteuerventils im gleichen Sinne wie der erste Aktor eine Vorsteuerfeder, deren Druckäquivalent einem Zwischenwert, insbesondere einem mittleren Wert des Steuerdrucks entspricht. Außerdem ist der Vorsteuerventilkörper von einem zweiten Aktor gegen die Vorsteuerfeder beaufschlagbar. Damit ist für den Stellkolben und die Schrägscheibe eine mittlere Grundstellung gegeben, in der das Hubvolumen einer Axialkolbenmaschine vorzugsweise null oder nahe null ist. Von dieser Grundstellung ausgehend ist der Stellkolben und mit ihm die Schrägscheibe in die erste Stellrichtung oder in die zweite Stellrichtung bewegbar, wobei je nach Stellrichtung bei gleicher Drehrichtung der Axialkolbenmaschine das Druckmittel in die eine Richtung oder in die entgegengesetzte Richtung durch die Maschine strömt.
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Das Vorsteuerventil ist ein Druckregelventil mit einem Druckanschluss, mit einem Tankanschluss und mit einem mit dem Steuerschieber des Regelventils verbundenen Regelanschluss, wobei der Vorsteuerventilkörper im Sinne einer fluidischen Verbindung des Regelanschlusses mit dem Druckanschluss vom ersten Aktor und von der Vorsteuerfeder und im Sinne einer fluidischen Verbindung des Regelanschlusses mit dem Tankanschluss vom zweiten Aktor und vom Steuerdruck beaufschlagbar ist. Somit kann der Steuerdruck über das Vorsteuerventil nicht nur erhöht, sondern auch verringert werden.
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Die beiden Aktoren sind zwei Proportionalmagnete. Diese sind vorzugsweise an gegenüberliegenden Seiten des Vorsteuerventilkörpers angeordnet und wirken beide drückend. Der Stellkolben wird je nach Bestromen des einen oder des anderen Proportionalmagneten auf der einen Seite der mittleren Stellung oder auf der anderen Seite der mittleren Stellung bewegt. Die beiden Proportionalmagnete können auch zu einem Doppelhubmagneten zusammengefasst sein, wobei der eine Teilmagnet drückend und der andere Teilmagnet ziehend auf den Vorsteuerventilkörper wirkt. Theoretisch ist auch eine unterschiedliche, gleichzeitige Bestromung der beiden Proportionalmagnete möglich, wenn sich daraus irgendein Vorteil ergibt.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist die Vorspannung der Vorsteuerfeder einstellbar. Dann kann die mittlere Grundstellung des Vorsteuerventilkörpers und damit die Grundstellung des Stellkolbens justiert werden.
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Wenn im Stellkolben ein Steuerdruckraum angeordnet ist, der über eine Steuerdruckleitung und über ein am Stellzylinder befestigtes Steuerdruckführungsrohr an das Vorsteuerventil angeschlossen ist, kann das Vorsteuerventil über eine Längenanpassung der Steuerdruckleitung zum Stellzylinder beabstandet frei platziert werden.
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Die erfindungsgemäße hydrostatische Axialkolbenmaschine hat eine Schrägscheibe, an die, vorzugsweise beabstandet von ihrer Schwenkachse, eine vorbeschriebene erfindungsgemäße Verstellvorrichtung gekoppelt ist. Dabei ist die Druckquelle der Verstellvorrichtung bevorzugt die Hochdruckseite der Axialkolbenmaschine. Das stromlose Vorsteuerventil kann ein Hubvolumen gleich null bewirken. Weiterhin ist dann über die Aktoren der Verstellvorrichtung die Schrägscheibe aus der Nulllage heraus in beide Schwenkrichtungen verschwenkbar, so dass bei einem Motor bei gleichbleibender Durchflussrichtung des Druckmittels beide Drehrichtungen der Abtriebswelle und bei einer Pumpe bei gleichbleibender Drehrichtung beide Förderrichtungen wählbar sind.
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Bei einem besonders bevorzugten Anwendungsfall ist die Axialkolbenmaschine eine im Wesentlichen als Pumpe, aber auch als Motor betriebene Maschine eines hydrostatischen Fahrantriebes, oder eines hydrostatischen Stranges eines Hybrid-Fahrantriebes. Dann schwenkt die Pumpe bei stromlosem Aktor auf Fördervolumen null oder auf minimales Fördervolumen, so dass das Fahrzeug anhält. Damit ist eine Fail safe-Funktion der Pumpe realisiert. Im Normalbetrieb der Pumpe können beide Fahrrichtungen eingeregelt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Anhand der der Figuren der Zeichnung wird die Erfindung nun näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 einen Ausschnitt einer Axialkolbenpumpe mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung in einer längsgeschnittenen prinzipiellen Darstellung und
- 2 ein Vorsteuerventil eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung.
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1 zeigt in einer Ansicht in Richtung ihrer Schwenkachse und in prinzipieller Darstellung eine Schrägscheibe 1, die Teil einer als Axialkolbenpumpe oder als Axialkolbenmotor betreibbaren hydrostatischen Axialkolbenmaschine ist und die zur Verstellung des Fördervolumens um die Schwenkachse 2 verschwenkbar ist. Dabei ist in 1 die Schrägscheibe 1 in einer mittleren Stellung gezeigt, die auch Neutralstellung oder Nulllage genannt wird und bei der das Hubvolumen, also das Fördervolumen im Betreib als Hydropumpe oder Schluckvolumen im Betrieb als Hydromotor null ist. Von der mittleren Stellung aus kann die Schrägscheibe gemäß dem Doppelpfeil 4 in beide Schwenkrichtungen verschwenkt werden, so dass bei gleicher Drehrichtung zwei verschiedene Strömungsrichtungen des Druckmittels oder bei entgegengesetzter Drehrichtung gleiche Strömungsrichtungen des Druckmittels möglich sind. Da sich an der Schrägscheibe 1 nicht gezeigte Kolben der Axialkolbenpumpe abstützten, kann sich ein Eigenmoment Meigen um die Schwenkachse 2 ergeben.
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In ein nicht näher gezeigtes Gehäuse 5 der Axialkolbenpumpe ist ein Stellzylinder 6 gehäusefest integriert, der in 1 isoliert und schematisch dargestellt ist. Konzentrisch an seinem Boden ist ein ebenfalls gehäusefestes Steuerdruckführungsrohr 8 ausgebildet.
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Im Stellzylinder 6 ist ein Stellkolben 10 geführt, dessen aus dem Stellzylinder 6 herausragende Kolbenstange 12 über ein Kugelgelenk 14 exzentrisch zur Schwenkachse 2 an der Schrägscheibe 1 angelenkt ist. Gemäß dem Doppelpfeil 4 kann die Schrägscheibe 1 durch eine Betätigung des Stellkolbens 10 in eine erste Stellrichtung (in 1 nach oben) in eine erste Schwenkrichtung verschwenkt werden, während über eine Bewegung des Stellkolbens 10 in eine zweite Stellrichtung (in 1 nach unten) die Schrägscheibe 1 in Gegen-Schwenkrichtung verschwenkt werden kann. Dazu begrenzen der Stellkolben 10 und der Stellzylinder 6 einen Stelldruckraum 16. Ein Druck in dem Stelldruckraum 16 erzeugt am Stellkolben 10 eine in die erste Stellrichtung wirkende Kraft. In der zweiten Stellrichtung wirkt eine Rückstellfeder 18, die sich am Gehäuse 5 abstützt und den Stellkolben 10 über einen Federteller 20 und einen Stift 22 beaufschlagen kann. Der Stift 22 ist mit axialem Spiel in eine Ausnehmung 24 der Kolbenstange 12 eingesetzt.
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Um den Stellkolben 10 entgegen der Rückstellfeder 18 in die erste Stellrichtung zu bewegen, wird eine Verbindung von einer Druckquelle 26, die hier die Hockdruckseite der Axialkolbenpumpe ist, über einen zwischen dem Stellzylinder 6 und dem Stellkolben 10 gebildeten umlaufenden abgedichteten Ringraum 28 und über zwei im Stellkolben 10 angeordnete Kanäle 30, 32 geöffnet. Dazu ist im Innern des Stellkolbens 10 ein Regelventil 34 integriert, das als 3/2-Wegeventil ausgebildet ist, und dessen Steuerschieber 36 entweder die genannte Verbindung öffnet oder alternativ eine Entlastung des Stelldruckraums 16 über den Kanal 32 und über einen ebenfalls im Innern des Stellkolbens 10 ausgebildeten Entlastungskanal 38 ins Innere des Gehäuses 5 öffnet.
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Zur Verbindung der beiden Kanäle 30, 32 und damit zur Verbindung der Druckquelle 26 mit dem Stelldruckraum 16 wird der Steuerschieber 36 des Regelventils 34 mit einem Steuerdruck pctr gegen die Kraft der Rückstellfeder 18 beaufschlagt. Dazu wird Steuerdruckmittel von der Druckquelle 26 über ein Vorsteuerventil 40, eine Steuerdruckleitung 42, den Boden des Stellzylinders 6 und über das Steuerdruckführungsrohr 8 zu einem im Innern des Stellkolbens 10 gebildeten Steuerdruckraum 44 geführt, wo das Steuerdruckmittel eine Stirnfläche AII des Steuerschiebers 36 gegen die Kraft der Rückstellfeder 18 beaufschlagt.
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Das als stetig verstellbares Druckregelventil ausgebildete Vorsteuerventil 40 hat einen Vorsteuerventilkörper 46 mit einer Steuerfläche Av, die vom Steuerdruck pctr der Steuerdruckleitung 42 beaufschlagt ist. Als Druckregelventil weist das Vorsteuerventil 40 einen Druckanschluss, der mit der Druckquelle 26 fluidisch verbunden ist, einem Tankanschluss, der mit Tank, zum Beispiel dem Gehäuseinneren der Axialkolbenmaschine fluidisch verbunden ist, und einen über die Steuerdruckleitung 42 mit dem Steuerschieber 36 des Regelventils fluidisch verbundenen Regelanschluss auf. Der Vorsteuerventilkörper ist im Sinne einer fluidischen Verbindung des Regelanschlusses mit dem Druckanschluss von einer einstellbaren Vorsteuerfeder 48 und von einem ersten Proportionalelektromagneten 50 und im Sinne einer fluidischen Verbindung des Regelanschlusses mit dem Tankanschluss von einem zweiten Proportionalelektromagneten 52 und vom Steuerdruck beaufschlagbar ist. Durch den Steuerdruck pctr ist wird am Vorsteuerventilkörper 46 eine Kraft der Größe pctr x Av erzeugt. Die beiden Proportionalelektromagnete 50 und 52 sind zu einem Doppelhubmagneten zusammengefasst. Ein solcher weist üblicherweise zwei Spulen und einen Anker auf, der, je nachdem welche Spule bestromt wird ziehend oder drückend auf den Vorsteuerventilkörper 46 wirkt.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Vorsteuerventils 140, wobei der einzige Unterschied zum Vorsteuerventil 40 des ersten Ausführungsbeispiels darin zu sehen ist, dass beidseitig des Vorsteuerventilkörpers 46 jeweils ein einfach wirkender Proportionalmagnet 150 oder 152 drückend am Vorsteuerventilkörper angreift.
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In der in
1 gezeigten Grundstellung des Stellkolbens 10 ergibt sich aus einer Kräftebilanz am Steuerschieber 36 des Regelventils 34:
mit F
RF gleich Kraft der Rückstellfeder 18, p
GS gleich Steuerdruck in Grundstellung und A
II gleich Stirnfläche des Steuerschiebers 36. Die Grundstellung soll wegen der gleich weiten Verschwenkbarkeit der Schrägscheibe 1 in beide Schwenkrichtungen eine mittlere Grundstellung sein und bei stromlosen Elektromagneten 50 und 52 beziehungsweise 150 und 152 erhalten werden. In der stromlosen mittleren Grundstellung muss deshalb weiterhin gelten:
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Der Wert von pGS kann über die Vorspannkraft FVF der Vorsteuerfeder 48 eingestellt werden.
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Das Druckregelventil arbeitet derart, dass in einem stationären Zustand die Summe der am Vorsteuerventilkörper 46 angreifenden Kräfte null ist. Ohne Ansteuerung der Elektromagnete ergibt sich ein Druck p
ctr, der gleich dem Druckäquivalent der Vorsteuerfeder 48 ist. Es gilt also:
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Von diesem Wert aus erhöht oder erniedrigt der Steuerdruck in Abhängigkeit davon, welcher Elektromagnet und wie stark dieser Elektromagnet bestromt wird, so dass die Schrägscheibe ausgehend von der stromlosen Grundstellung in beide Richtungen gemäß dem Doppelpfeil 4 in 1 verschwenkt werden kann.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen hydraulischen Verstellvorrichtung kann anstelle eines Druckregelventils mit einem Druckanschluss, einem Tankanschluss und einem Regelanschluss in Verbindung mit einer Düse auch ein einfaches Druckreduzierventil verwendet werden, das das nur einen Druckanschluss und einen Regelanschluss hat, dessen Druck auf den Ventilkörper des Ventils zurückgeführt ist. Die Düse ist an eine der Steuerleitung 42 entsprechende Leitung angeschlossen und lässt bei geschlossenem Druckreduzierventil eine Druckentlastung der Steuerleitung zu einem Tank zu.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen hydraulischen Verstellvorrichtung kann anstelle eines Druckregelventils mit einem Druckanschluss, einem Tankanschluss und einem Regelanschluss in Verbindung mit einer Düse auch ein Druckbegrenzungsventil verwendet werden, das einen Druckanschluss, mit dem es an die Steuerleitung angeschlossen ist, und einen Tankanschluss hat. Die Düse ist zwischen einer Druckquelle und dem Druckanschluss des Druckbegrenzungsventils eingeschleift. Bei den weiteren Ausführungsbeispielen tritt ein dauernder Leckagestrom auf, der einerseits einen Energieverlust bedeutet, andererseits jedoch die Regelung stabilisieren kann.
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Für eine Stabilisierung der Regelung könnte auch bei einem Ausführungsbeispiel mit einem Druckregelventil zwischen Tank und Steuerleitung eine Düse angeordnet sein.
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Offenbart ist ein hydraulischer Stellzylinder mit einem Stellkolben, in dem ein Regelventil integriert ist, das über ein Vorsteuerventil und über eine Rückkopplung des Weges des Stellkolbens steuerbar ist. Das Vorsteuerventil ist ein Druckventil, dessen Ventilkörper über eine Magnetanordnung ausgehend von einer mittleren Grundstellung bidirektional verstellbar ist. Damit hat der Stellkolben eine Grundstellung und kann von dieser ausgehend bidirektional bewegt werden.
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Offenbart ist weiterhin eine hydrostatische Axialkolbenmaschine, deren Schrägscheibe mit einer derartigen Verstellvorrichtung verschwenkt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schrägscheibe
- 2
- Schwenkachse
- 4
- Doppelpfeil
- 5
- Gehäuse
- 6
- Stellzylinder
- 8
- Steuerdruckführungsrohr
- 10
- Stellkolben
- 12
- Kolbenstange
- 14
- Kugelgelenk
- 16
- Stelldruckraum
- 18
- Rückstellfeder
- 20
- Federteller
- 22
- Stift
- 24
- Ausnehmung
- 26
- Druckquelle
- 28
- Ringraum
- 30
- Kanal
- 32
- Kanal
- 34
- Regelventil
- 36
- Steuerschieber
- 38
- Entlastungskanal
- 40; 140
- Vorsteuerventil
- 42
- Steuerdruckleitung
- 44
- Steuerdruckraum
- 46
- Vorsteuerventilkörper
- 48
- Vorsteuerfeder
- 50
- erster Proportionalmagnet
- 52
- zweiter Proportionalmagnet
- 150
- erster Proportionalmagnet
- 152
- zweiter Proportionalmagnet
- AII
- Stirnfläche
- AV
- Steuerfläche
- FRF
- Kraft der Rückstellfeder
- FVF
- Vorspannkraft der Vorsteuerfeder
- IMag
- Strom (des doppelt wirkenden Magneten)
- IMag1
- Strom (des einfach wirkenden Magneten)
- IMag2
- Strom (des einfach wirkenden Magneten)
- Meigen
- Eigenmoment der Schwenkwiege
- pctr
- Steuerdruck
- pHD
- Hochdruck
- pGS
- Steuerdruck der Grundstellung
