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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigtes Kolbenschieberventil, welches Anwendung in Regelventilen für Hydraulikmedien finden kann, insbesondere als Proportionaldrossel.
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Ein solches Drosselventil kann beispielsweise als Bypass zu einem hydraulischen Stoßdämpfer eingesetzt werden, um die Dämpfercharakteristik ”hart” oder ”weich” einzustellen. Ein entsprechendes Durchflussschema eines solchen Hydraulikdämpfers ist in 5 schematisch skizziert. Darin wird davon ausgegangen, dass Druckstöße am Dämpfer eine Fluidverdrängung Q aus einer Dämpferkammer in eine andere Dämpferkammer verursachen. Dies geschieht über ein passives Ventil V1 im Dämpfer und ein dazu parallel geschaltetes, verstellbares Ventil V2. Das Verstellventil V2 kann durch ein erfindungsgemäßes elektromagnetisch betätigtes Kolbenschieberventil gebildet werden, welches je nach Bestromung der Erregerspule des Elektromagneten seinen Strömungswiderstand und dadurch die Dämpfwirkung des Gesamtsystems verändert.
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Elektromagnetisch betätigte Proportionaldrosseln ermöglichen eine gezielte Veränderung des Durchflussquerschnitts unabhängig von Hilfsgrößen. Die Proportionalcharakteristik lässt sich durch geeignete Abstimmung und Dimensionierung der Bauteile des elektromagnetischen Antriebs erzielen. Dadurch wird erreicht, dass der Hub des Magnetankers zumindest über weite Strecken näherungsweise proportional zum Antriebsstrom ansteigt. Im Falle von Kolbenschieberventilen, bei denen ein oder mehrere radiale Fluiddurchtrittsöffnungen mittels eines axial verschieblichen Kolbens verschlossen und geöffnet werden, ermöglicht diese Proportionalcharakteristik eine gezielte Veränderung des freien Querschnitts der Fluiddurchtrittsöffnungen. Die Durchtrittsöffnungen können zum Beispiel derart angeordnet und dimensioniert sein, dass bei einer linearen Erhöhung des Antriebsstroms eine dazu möglichst proportionale, also ebenfalls lineare Veränderung des freien Querschnitts der Fluiddurchtrittsöffnungen erzielt wird.
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Aus der
DE 10 2007 020 944 A1 ist ein derartiges Ventil mit einem Magnetantrieb bekannt. Das Ventil umfasst einen ersten axial verschieblichen Kolben, der eingerichtet ist, Fluiddurchtrittsöffnungen des Ventils zu verschließen. Eine erste Vorspannfeder drängt den Kolben im nicht bestromten Zustand der Erregerspule in die Schließposition. Die erste 1Vorspannfeder stützt sich an einem zweiten axial verschieblichen Kolben ab, welcher mittels einer zweiten Vorspannfeder in einer entgegengesetzten Richtung vorgespannt ist. Bei zunehmender Bestromung der Erregerspule wird die Kraft der ersten Vorspannfeder überwunden und die Magnetanker der zwei Kolben stoßen aneinander an und bewegen sich danach gemeinsam entgegen der Kraft der zweiten Vorspannfeder weiter.
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Aus der
DE 10 2006 007 157 A1 ist ein Ventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des anhängenden Anspruchs 1 bekannt. Bei diesem Ventil ist der Magnetanker bzw. ein mit diesem starr gekoppelter becherförmiger Schieberkolben elektrisch in zwei entgegengesetzte Richtungen beweglich. Der Schieberkolben verschließt den Durchlass des Ventils im elektrisch stromlosen Zustand nur teilweise. Der Eingangsdruck wird auf die gesamte Stirnfläche des Schieberkolbens geführt und wirkt entgegen einer Federkraft, um den Schieberkolben in Mittelstellung zu halten. Um den Schieberkolben aus dieser Mittelstellung in die ein oder andere Richtung zu bewegen, besitzt der Magnetantrieb zwei Magnetspulen, um gemeinsam oder unabhängig voneinander den mit dem Kolbenschieber gekoppelten Magnetanker in die eine oder die andere Richtung elektrisch anzusteuern.
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Nachteilhaft an diesem Kolbenschieberventil ist die für die Ansteuerung der beiden Magnetspulen notwendige aufwändige Steuerungselektronik.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Kolbenschieberventil der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welches einen geringeren Ansteuerungsaufwand erfordert.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kolbenschieberventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Ventil ist zusätzlich zu dem bereits genannten axial verschieblichen Kolben, mit dem die Fluiddurchtrittsöffnung geöffnet und geschlossen werden kann, ein zweiter axial verschieblicher Kolben vorgesehen, gegen den sich der erste Kolben im nicht bestromten Zustand der Erregerspule des Magnetantriebs abstützt. Darüber hinaus ist zusätzlich zu der Vorspannfeder, mittels der der erste Kolben in eine erste Richtung, nämlich in die Öffnungsrichtung, vorgespannt ist, eine zweite Vorspannfeder vorgesehen, mittels der der zweite Kolben in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung vorgespannt ist. Das bedeutet, da sich der erste Kolben am zweiten Kolben abstützt, dass die zweite Vorspannfeder unter Zwischenwirkung des zweiten Kolbens den ersten Kolben entgegen der ersten Richtung drängt, also entgegen der Öffnungsrichtung in die Schließrichtung. Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass mit der Erregerspule, mittels der der erste Kolben entgegen der Federkraft der ersten Vorspannfeder betätigt wird, gleichzeitig der zweite Kolben betätigt wird, wobei die Anordnung jedoch so gestaltet ist, dass der zweite Kolben bei einer Bestromung der Erregerspule in die dazu entgegengerichtete Richtung gedrängt wird, also entgegen der Federkraft der zweiten Vorspannfeder, also in die Öffnungsrichtung. Im Ergebnis führt eine Bestromung der Erregerspule zu einer Entlastung des ersten Kolbens dergestalt, dass sich der erste Kolben in die erste Richtung, also in die Öffnungsrichtung, bewegt.
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Dabei macht sich die Erfindung zunutze, dass sich der Magnetanker eines Elektromagneten bei Bestromung der Erregerspule immer zur Mitte der Erregerspule hin bewegt, und damit bewegt sich gleichzeitig der mit diesem Anker verbundene Kolben in eben diese Richtung. Wenn nun der erste und der zweite Kolben bzw. der oder die damit fest gekoppelten Magnetanker auf verschiedenen Seiten zur Erregerspulenmitte angeordnet sind, bewirkt eine Bestromung der Erregerspule eine Bewegung der beiden Kolben in entgegengesetzte Richtungen. Man benötigt also keine aufwändige Ansteuerungselektronik für zwei Erregerspulen.
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Mit diesem grundsätzlichen Prinzip lassen sich zahlreiche Varianten von Kolbenschieberventilen realisieren. Auf eine besonders bevorzugte Variante wird nachfolgend detailliert eingegangen. Bei dieser bevorzugten Variante sind die mit dem Elektromagneten zusammenwirkenden Bauelemente des Kolbenschieberventils so gestaltet, dass bei einer Bestromung der Erregerspule die auf den ersten Kolben, mit dem die Fluiddurchtrittsöffnung geöffnet und verschlossen werden kann, in die zweite Richtung (das heißt entgegen der Öffnungsrichtung) wirkende Magnetkraft kleiner ist als die auf den zweiten Kolben, gegen den sich der erste Kolben abstützt, in die entgegengesetzte erste Richtung wirkende Magnetkraft. Der zweite Kolben erfährt somit eine Entlastung durch die auf ihn wirkende Magnetkraft, welche größer ist als die Belastung, die wegen der entsprechend kleineren Magnetkraft auf den ersten Kolben wirkt. Aufgrund dieser Magnetkraftdifferenz verschiebt sich im Ergebnis der zweite Kolben in die erste Richtung, welche mit der Öffnungsrichtung übereinstimmt, und der erste Kolben verschiebt sich wegen der auf ihn wirkenden Federvorspannkraft in dieselbe Richtung mit. Dies gilt jedenfalls solange, wie die auf den ersten Kolben wirkende Federkraft der ersten Vorspannfeder größer ist als die durch die Erregerspule auf den ersten Kolben wirkende Magnetkraft. Letztendlich führt die Bestromung der Erregerspule somit (in der bevorzugten Variante) zum Öffnen der Fluiddurchtrittsöffnung und damit zum Öffnen des Ventils.
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Die Verschiebung des zweiten Kolbens und damit einhergehend auch die maximale Verschiebung des ersten Kolbens, die der Bewegung des zweiten Kolbens folgt, wird durch einen Anschlag begrenzt oder zumindest behindert. Bei einer bestimmten Bestromungshöhe der Erregerspule erreicht der zweite Kolben somit diesen Anschlag. Eine weitere Erhöhung des Erregerstroms hat auf den zweiten Kolben keinen weiteren Einfluss. Zwar erhöhen sich dann die auf den ersten und den zweiten Kolben wirkenden (entgegengesetzten) Magnetkräfte, aber nur die auf den ersten Kolben wirkende Magnetkraft kann tatsächlich in eine Verschiebung des ersten Kolbens umgesetzt werden, weil der zweite Kolben bereits am Anschlag liegt. Die weitere Erhöhung des Erregerstroms führt dann letztendlich dazu, dass der erste Kolben entgegen der Federkraft der ersten Vorspannfeder zurückbewegt wird, das heißt vorzugsweise in die Schließrichtung, sobald die Magnetkraft höher ist als die Federvorspannkraft. Idealerweise ist das Gesamtsystem so ausgelegt, dass die auf den ersten Kolben wirkende Magnetkraft (in Schließrichtung) genau dann gleich der ihr entgegenwirkenden Vorspannkraft der ersten Vorspannfeder ist, wenn der zweite Kolben gegen den Anschlag fährt. Bei exakter Auslegung des Systems kann auf den Anschlag auch verzichtet werden.
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Aus dem Vorstehenden ergibt sich bereits, dass die Erfindung vorzugsweise in einem System eingesetzt wird, in dem der erste Kolben die Fluiddurchtrittsöffnung im unbestromten Zustand der Erregerspule teilweise verschließt und im bestromten Zustand zunächst öffnet, weil er sich mit dem zweiten Kolben mitbewegt. Bei weiterer Erhöhung des Erregerstroms dreht sich die Bewegungsrichtung des ersten Kolbens um, sobald die auf den ersten Kolben wirkende Magnetkraft die Federkraft der auf den ersten Kolben wirkenden Vorspannfeder übersteigt, und führt zum Verschließen der Fluiddurchtrittsöffnungen. Ein solches System eignet sich für einen Einsatz, bei dem die Erregerspule grundsätzlich mit einem niedrigen Strom bestromt wird, um das Ventil in der Offenstellung zu halten. Eine Erhöhung des Erregerstroms führt zum Schlieren des Ventils. Beim Einsatz in einem Hydraulikdämpfer lässt sich somit durch eine Erhöhung des Erregerstroms der Durchtrittsquerschnitt des Ventils reduzieren und eine Dämpfereinstellung ”hart” einstellen. Im Falle eines Stromausfalls fährt der erste Kolben in die Ausgangsstellung, in der die Fluiddurchtrittsöffnung lediglich teilweise verschlossen ist. Die Dämpferkennlinie ist dann weder ”hart” noch ”weich”, sondern liegt dazwischen.
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Da das Dämpfersystem die überwiegende Zeit, beispielsweise etwa 80% der Zeit, in der geöffneten Stellung sein wird, ist es bevorzugt, wenn bereits eine niedrige Bestromung der Erregerspule dazu führt, dass das Ventil maximal geöffnet ist. Um einen möglichst genau steuerbaren Stellbereich zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn das Ventil erst bei einer Bestromung vollständig geschlossen ist, die die niedrige Bestromung (geöffnete Ventilstellung) um das Mehrfache übersteigt.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben. Darin zeigen:
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1 ein elektromagnetisches Kolbenschieberventil gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im unbestromten Zustand,
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2 das Ventil aus 1 im leicht bestromten Zustand,
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3 das Ventil aus 1 im stark bestromten Zustand,
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4 die im Ventil freigegebene Durchflussquerschnittsfläche A abhängig von der Bestromung I und
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5 schematisch die Strömungswege zwischen zwei Hydraulikkammern eines Hydraulikdämpfers.
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In 1 ist ein elektromagnetisch betätigtes Kolbenschieberventil 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. 1 zeigt den unbestromten Zustand des Ventils ist. In diesem Zustand ist die zur Verfügung stehende Durchflussquerschnittsfläche teilweise freigegeben, das heißt das Ventil ist ”normal offen”. Wie nachfolgend detaillierter erläutert wird, öffnet das Ventil bei Bestromung zunächst vollständig und schließt bei weiterer Erhöhung der Bestromung.
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Das Ventil 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem eine Erregerspule 3 relativ zu einem axial verlagerbaren Magnetanker 4 aufgenommen ist. Der Magnetanker 4 ist fest mit einem Kolben 5 verbunden, dessen freies Ende 6 hier becherförmig ausgeführt ist. Eine Verlagerung des Magnetankers 4 in die eine oder andere axiale Richtung bewirkt somit gleichzeitig eine Verlagerung des Kolbens 5 mit seinem becherförmigen freien Ende 6. Mittels des becherförmigen Endes 6 des Kolbens 5 werden radiale Fluiddurchtrittsöffnungen 7 verschlossen. Eine Vorspannfeder 8, die über den Magnetanker 4 auf den Kolben 5 wirkt, drängt den Kolben 5 in eine Position, in der die radialen Fluiddurchtrittsöffnungen 7 vollständig geöffnet sind. Alternativ könnte die Vorspannfeder 8 auch so angeordnet sein, dass sie den Kolben 5 in seine Schließstellung drängt. Durch Bestromung der Erregerspule 3 lässt sich auf den Magnetanker 4 eine Magnetkraft aufbringen, mit der der Kolben 5 entgegen der Federvorspannkraft axial verlagert wird. Die Variierung der freien Querschnittsfläche der Fluiddurchtrittsöffnungen 7 ist dabei unabhängig von den auf der Fluideintrittsseite und der Fluidaustrittsseite herrschenden Drücken P1 bzw. P2.
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Allerdings wirkt auf den Kolben 5 nicht nur die Federvorspannkraft der Vorspannfeder 8 in die eine Richtung, sondern es wirkt auf den Kolben 5 noch eine zweite Federvorspannkraft in die entgegengesetzte Richtung. Diese zweite Federvorspannkraft wird erzeugt durch eine zweite Vorspannfeder 9, die sich einerseits am Gehäuse 2 und andererseits an einem zweiten Kolben 10 abstützt, über den die Vorspannkraft der zweiten Vorspannfeder 9 auf den ersten Kolben 5 übertragen wird. In dem in 1 dargestellten unbestromten Zustand des Ventils ergibt sich die Stellung des Kolben 5 somit aus einem Kräftegleichgewicht zwischen den beiden Vorspannfedern 8 und 9. Eine dritte Vorspannfeder 11 wirkt auf das gegenüberliegende Ende 12 des Kolbens 5 und stützt sich dazu an einer Justageschraube 13 ab. Die Justageschraube 13 und die dritte Vorspannfeder 11 dienen zur Feinjustierung der Lage des ersten Kolbens 5 im unbestromten Zustand des Ventils und somit zur Feinjustierung der Durchflussquerschnittsfläche der Fluiddurchtrittsöffnungen 7 für den Fall eines Stromausfalls.
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Der zweite Kolben 10 und der erste Kolben 5 bzw. dessen damit fest verbundener Magnetanker 4 liegen in dem mittels der Erregerspule 3 erzeugten Magnetfeld. Da jedoch der Magnetanker 4 und der zweite Kolben 10 auf unterschiedlichen Seiten zum Zentrum des Magnetfelds angeordnet sind, wirken auf den Magnetanker 4 und den zweiten Kolben 10 entgegengesetzt gerichtete Magnetkräfte. Im Falle der Bestromung der Erregerspule 3 hat somit der zweite Kolben 10 die Tendenz, sich im dargestellten Ausführungsbeispiel nach rechts zu bewegen, wohingegen der Kolben 5 mit dem Magnetanker 4 die Tendenz hat, sich nach links zu bewegen. Die Magnetkräfte wirken aber immer in Kombination mit den Vorspannkräften der Vorspannfedern 8 und 9. Das heißt, die auf den zweiten Kolben 10 wirkende Magnetkraft reduziert lediglich die Federvorspannkraft der Vorspannfeder 9, und die auf den Kolben 5 in entgegengesetzter Richtung wirkende Magnetkraft reduziert lediglich die Vorspannkraft der Vorspannfeder 8. Für den theoretischen Fall, dass bei Bestromung der Erregerspule 3 dieselben absoluten Magnetkräfte auf den zweiten Kolben 10 und den ersten Kolben 5 bzw. dessen Magnetanker 4 ausübt, würde sich an der Lage des Kolbens 5 im Ventil 1 letztlich nichts ändern. Daher ist es wesentlich, dass die in unterschiedlicher Richtung wirkenden Magnetkräfte unterschiedlich groß sind. Diese Kräfte hängen einerseits von der relativen Lage des Kolbens 5 und des Magnetankers 4 zum Zentrum des Magnetfelds ab. Entscheidenden Einfluss haben dabei aber anderseits auch der Abstand zu dem als Pol wirkenden Anschlag 14 sowie die dem Pol 14 gegenüberliegende Wirkfläche des Magnetankers 4 bzw. des zweiten Kolbens 10.
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Bei dem vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem das Ventil aus der normalen Öffnungsstellung zunächst in eine vollständige Öffnungsstellung gebracht werden soll, sind die mit dem Elektromagneten zusammenwirkenden Bauelemente so gestaltet, dass die auf den zweiten Kolben 10 wirkende Magnetkraft FM10 absolut betrachtet größer ist als die auf den Magnetanker 4 wirkende Magnetkraft FM4. Dies ist in 2 dargestellt. Die Kräftedifferenz verursacht somit ein Verschieben des zweiten Kolbens 10 nach rechts in Richtung zum Zentrum des durch die Erregerspule 3 erzeugten Magnetfelds. Der erste Kolben 5 folgt dieser Bewegung aufgrund der Federkraft der Vorspannfeder 8 solange, wie diese Vorspannkraft größer ist als die dazu entgegengerichtete Magnetkraft FM4. Die Verlagerung der beiden Kolben 5 und 10 wird begrenzt durch einen Anschlag 14 im Gehäuse 2. Eine weitere Erhöhung der Bestromung der Erregerspule 3 hat solange keine Auswirkung auf die Ventilstellung, wie die auf den Magnetanker 4 wirkende Magnetkraft FM4 die Federkraft der Vorspannfeder 8 nicht überschreitet. Idealerweise sind die im Magnetkreis wirkenden Bauelemente so aufeinander abgestimmt, dass die Magnetkraft FM4 der Federkraft der Vorspannfeder 8 genau dann entspricht, wenn der zweite Kolben 10 auf den Anschlag 14 trifft. Eine weitere Erhöhung der Bestromung der Erregerspule 3 führt dann einerseits zu einer stärkeren, auf den zweiten Kolben 10 wirkenden Magnetkraft FM10, die jedoch wirkungslos bleibt, weil der zweite Kolben 10 am Anschlag 14 anliegt, und andererseits zu einer Überwindung der Federkraft der Vorspannfeder 8 durch die erhöhte Magnetkraft FM4, so dass sich allein der Kolben 5 in die entgegengesetzte Richtung, im Ausführungsbeispiel nach links, zurückbewegt und dabei nach und nach die Fluiddurchtrittsöffnungen 7 verschließt. Die vollständig geschlossene Stellung ist in 3 dargestellt.
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4 zeigt dazu einen beispielhaften Verlauf der Fluiddurchtrittsöffnungsfläche A abhängig von dem die Erregerspule 3 durchfließenden Strom I. Im unbestromten Zustand ist die Fluiddurchtrittsöffnung etwa zur Hälfte geöffnet. Bei geringer Bestromung von beispielsweise 0,4 A ist das Ventil maximal geöffnet. Der Strömungswiderstand des Ventils ist entsprechend niedrig. Wird das Ventil als Bypass-Ventil in eine hydraulische Stoßdämpfung zum Beispiel eines Kraftfahrzeugs eingebaut, wie dies eingangs in Bezug auf 5 erläutert wurde, so entspräche die vollständig offene Stellung der normalen Stellung im Betrieb des Fahrzeugs. Der Strombedarf zur Aufrechterhaltung dieser Stellung ist gering. Soll die Dämpfungseigenschaft nun aktiv von der normalen ”weichen” auf eine härtere Charakteristik verändert werden, so wird der die Erregerspule durchfließende Strom erhöht bis auf einen maximalen Wert von beispielsweise 1,5 A, bei dem das Ventil vollständig geschlossen ist. Im Falle eines Stromausfalls würde der Stoßdämpfer dagegen eine Charakteristik zwischen weich und hart annehmen, weil in dieser Position die Fluiddurchtrittsöffnungen 7 weder vollständig geschlossen noch vollständig geöffnet sind.
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Zusätzlich zu den bereits beschriebenen Bauelementen besitzt das Kolbenschieberventil 1 eine Druckfühlbohrung 15, welche die Fluideintrittsseite, an der der Druck P1 herrscht, mit der Fluidaustrittsseite, an der der Druck P2 herrscht, verbindet. In der Druckfühlbohrung 15 ist ein Druckfühlstift 16 axial verlagerbar angeordnet, der mit einem Ende an dem Kolben 5 anliegt. Mit dieser Konstruktion lässt sich ein typischerweise parabelförmiger Verlauf des Druckverlusts bei steigendem Durchfluss in einen weitgehend linearen bis degressiven Verlauf verändern. Dies ist gewünscht, weil der parabelförmige Verlauf des Druckverlustes bei Durchflussschwankungen zu einem starken Druckaufbau führen kann, der in vielen Anwendungen störend ist. Der demgegenüber lineare bis degressive Verlauf wird nun dadurch erreicht, dass der Druckfühlstift 16 aufgrund der Druckdifferenz ΔP (ΔP = P2 – P1) gegen den Kolben 5 gedrängt wird und auf diese Weise eine Druckkraft auf den Kolben 5 ausübt, die in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Federvorspannkraft der Vorspannfeder 8 unterstützt. Die freie Querschnittsfläche der Fluiddurchtrittsöffnungen 7 wird somit durch die Druckkraft des Druckfuhlstifts 16 vergrößert, wodurch sich der Durchfluss Q erhöht und die Druckdifferenz ΔP entsprechend abnimmt. Durch geeignete Auslegung des Verhältnisses der durch den Magnetantrieb erzeugten Magnetkraft und der durch den Druckfühlstift 16 erzeugten druckabhängigen Kraft lässt sich eine gewünschte Hydraulikkennlinie abstimmen.