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Hydraulische Servosteuereinrichtung Die Erfindung bezieht sich auf
hydraulische Servosteuereinrichtungen mit Zylindern und einem Steuerkolben sowie
einer Betätigungsspindel zur Steuerung von im Steuerkolben befindlichen Ventilen,
die als Kugelventile ausgebildet sind, bei denen als Stößel eine kleinere Kugel
dient. Diese Servosteuerungen sind heute in einer großen Zahl von Anwendungen, insbesondere
im Flugzeugbau, verbreitet.
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Die Entwicklung der Technik und die Anforderungen auf diesem Gebiete
machen es mehr und mehr notwendig, bei derartigen Einrichtungen dafür zu sorgen,
daß die Trägheit und die Betätigungskräfte vernachlässigbar klein sind, d. h. daß
die parasitären Kräfte, die dem Steuerimpuls entgegenwirken, wie Reibung, Ventilbetätigung,
praktisch Null sind.
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Diese parasitären Kräfte stören z. B. die Kräfte, die von Einrichtungen,
welche eine »künstliche Reaktion« hervorrufen, erzeugt werden, durch die der Pilot
in der Steuerung eine Reaktionskraft »fühlt«, die eine Funktion von verschiedenen
Größen des gewählten Fluges sind. Diese parasitären Kräfte stören auch die von den
Einrichtungen des automatischen Piloten oder den Stabilisierungseinrichtungen ausgehenden
Kräfte und vermindern die Genauigkeit der von diesen Einrichtungen hervorgerufenen
Steuerergebnisse.
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Um andererseits den Anforderungen an die in modernen Flugzeugen erforderliche
Leistung und die Kleinheit der Zeitkonstante gerecht zu werden, die annähernd der
Zeit entspricht, die das gesteuerte Organ benötigt, um etwa zwei Drittel der Geschwindigkeit
zu erreichen, die man ihm zu übertragen wünscht, kann man die relativ schweren und
sperrigen elektrischen Kraftverstärker kaum verwenden, die zu große Zeitkonstanten
haben; dagegen erfordern hydraulische Kraftverstärker eine schwerfällige Steuerung,
die schwierig anzuordnen und empfindlich gegen verschiedene Formänderungen der Flugzeugkonstruktion
ist.
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Man hat daher schon nach einer hydraulischen Servosteuerung gesucht,
die die oben aufgezählten technischen Erfordernisse dadurch berücksichtigt, daß
bei ihr die parasitären Kräfte vernachlässigbar klein sind und dadurch eine befriedigende
Möglichkeit zur Anwendung der in der Praxis an sich brauchbaren elektrohydraulischen
Steuerungen gegeben ist.
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So sind bereits hydraulische Servosteuereinrichtungen bekannt, bei
denen die Ventilöffnungen durch Kugelventile, d. h. verlustlos, gesteuert werden.
Die Erfahrung hat gezeigt, daß eine solche Anordnung für ein sehr schnelles Flugzeug
die einzige praktisch annehmbare ist, weil sie den Vorteil hat, mit voller Sicherheit
und über eine relativ lange Zeitdauer (1 Stunde) auch dann noch funktionieren zu
können, wenn die hydraulische Versorgung gestört ist, und weil bei ihr die Zahl
und das Gewicht der hydraulischen Pumpen vermindert werden kann und ein fortgesetztes
Durcharbeiten der Leckflüssigkeit und die damit verbundene Erwärmung vermieden wird.
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Eine Vorrichtung dieser Art ist in dem französischen Patent
1003 822 bzw. dem USA.-Patent 2 574 335 und dem britischen Patent 654 415
beschrieben.
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Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung derartiger Vorrichtungen;
die insbesondere gestattet, die Betätigungskräfte, d. h. in der Hauptsache die Kräfte
zum Öffnen der Ventile, vernachlässigbar klein zu machen. (Die Reibung kann leicht
durch bekannte Mittel vermindert werden.) Gemäß der Erfindung wird eine solche Steuereinrichtung
dadurch verbessert, daß jedes zur Absperrung eines Kanals dienende Kugelventil in
mehrere parallel geschaltete Kugelventile aufgeteilt ist, bei denen die Durchmesser
sowohl der als Verschlußstücke als auch der als Stößel dienenden Kugeln von einem
kleinsten bis zu einem größten Wert gleichmäßig abgestuft sind; so daß sich die
parallel geschalteten Einzelventile nacheinander in der Reihenfolge der zunehmenden
Kugeldurchmesser entsprechend der Zunahme des Betätigungshubes öffnen.
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Es ist an sich bereits bekannt, bei einem pneumatischen Ventil zur
Speisung eines davon im Abstand
liegenden pneumatischen Zylinders
zwischen der Druckleitung und der Ableitung eine Ventileinrichtung anzuordnen, die
in mehrere parallel geschaltete Kugelventile aufgeteilt ist, deren als Verschlußstücke
dienende Kugeln verschiedene Durchmesser haben. Die Kugelventile lassen sich über
ein gemeinsames Schwenkglied nacheinander so betätigen, daß das Kugelventil mit
der kleineren Verschlußkugel vor den Kugelventilen mit den größeren Verschlußkugeln
öffnet, um zunächst nur eine Teilentlastung der Druckluftleitung zu erhalten.
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Demgegenüber handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um die
Lösung einer ganz speziellen Problemstellung bei hydraulischen Servosteuereinrichtungen.
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Dank dieser Bemessung läßt sich die Betätigungskraft erheblich vermindern,
und es können sehr große Geschwindigkeiten ohne Instabilitätserscheinungen, d. h.
ohne Schwingungen um eine Gleichgewichtsstellung, erhalten werden. Die Servosteuerung
löst rasche Bewegungen aus, wobei Anfang und Ende der Bewegung jedoch stark progressiv
und geschmeidig sind.
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Vorteilhafterweise ist zwischen der Betätigungsspindel und dem Steuerkolben
ein in einer als Zylinder dienenden Ausnehmung im Steuerkolben gleitender Hilfssteuerkolben
angeordnet, der gleichfalls Kugelventile enthält, die durch die Betätigungsspindel
bewegt werden, während der Hilfssteuerkolben die Kugelventile des Steuerkolbens
bewegt.
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Zur Erreichung besonders guter Stabilitätsverhältnisse ist es vorteilhaft,
die Abmessungen und Ausbildung der Kugeldurchmesser, der Winkel der Betätigungskonusse
und das Verhältnis der jeweils wirksamen Kolbenflächen in beiden Zylindern so aufeinander
abzustimmen, daß das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit des Hilfssteuerkolbens
und dem Hub des Stößels, der diese Geschwindigkeit auslöst, mindestens viermal so
groß ist wie das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit des Hauptsteuerkolbens
und dem Hub des als Stößel für den Hauptsteuerkolben wirkenden Hilfssteuerkolbens,
durch den die Geschwindigkeit des Hauptsteuerkolbens ausgelöst wird. Diese Beziehung
wird nachfolgend noch näher erläutert.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig.l ist eine schematische Darstellung eines Längsschnittes durch
eine gemäß der Erfindung ausgebildete Servosteuerung; Fig. 2 ist eine Darstellung
eines Schnittes entlang der Linie II-11 in Fig. 1; Fig.3 ist eine der Fig.1 entsprechende
Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform.
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In Fig. 1 ist eine hydraulische Servosteuerung der als Kugelventilsteuerung
bekannten Art dargestellt, bei der die Anordnungen im Aufbau gemäß der Erfindung
getroffen sind. Mit 15 ist das Gehäuse, mit 9 der Hauptsteuerkolben und mit 10 die
Kugelventile der Servosteuerung bezeichnet. Die Kugelventile 10 sind durch den Hilfssteuerkolben
8 der Servosteuerung steuerbar. Das Drucköl tritt bei 18 in das Gehäuse ein und
bei 19 wieder aus.
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Wie in Fig.2 dargestellt, ist jedes Kugelventil 10
bzw. 20 gemäß
der Erfindung in eine Reihe von nacheinander wirksam werdenden Kugelventilen unterteilt.
In Fig. 2 sind die Kugelventile 20 der Fig. 1 aufgeteilt in eine Folge von Kugeln
20 a, 20 b, 20 c, 20 d von zunehmender Größe, deren Stößel
oder Steuerkugeln mit 21 a, 21 b, 21 c, 21 d bezeichnet sind. Wie aus der
Figur ersichtlich, sind der Abstand des Kugelsitzes von der Mittelachse und die
Länge der Stößel bzw. die Durchmesser der Kugeln 21 so gewählt, daß sie ein aufeinanderfolgendes
Abheben der Kugeln in Abhängigkeit von ihrer Größe entsprechend der Zunahme des
Betätigungshubes bewirken. Auf diese Weise wird die Betätigungskraft vermindert,
und darüber hinaus arbeitet die Servosteuerung geschmeidiger und schwankungsfreier.
Bei gegebenem Hub und Geschwindigkeit der Servosteuerung verlaufen der Start und
der Auslauf langsam, mit hoher Beschleunigung und Verzögerung während der wenigen
Zehntelsekunden, welche das nacheinander eintretende Spiel der Kugeln wiedergeben.
Man kann auf diese Weise sehr schnelle Hübe der Servosteuerung stoßfrei und ohne
Schwingungen um die Gleichgewichtsstellung erreichen.
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Nach Fig.1 dient, entsprechend einem Ausführungsbeispiel nach der
Erfindung, der Hilfssteuerkolben 8 der Servosteuerung als Kolben für eine Hilfsservosteuerung,
deren Stößel mit 1, deren Ventilkugeln mit 3 und deren konisch ansteigende Flächen
mit 2 bezeichnet sind. Das Gehäuse dieser Hilfsservosteuerung wird durch den Hauptkolben
9 der Servosteuerung gebildet, dessen Körper zu diesem Zweck eine Bohrung aufweist,
die durch den Hilfssteuerkolben 8 in zwei Kammern 4 und
5 aufgeteilt wird. Das Ganze bildet eine zweistufige Servosteuerung, wobei
die Hilfsservosteuerung so dimensioniert ist, daß ihre Kugeln einen Durchmesser
von weniger als 1 mm haben und die wirksame Kolbenfläche nicht mehr als 0,5 cm2
beträgt. Die Betätigungskräfte für die Gesamtanordnung kann man auf einige Gramm
vermindern.
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Die Arbeitsweise der Einrichtung ist also die folgende: Der Stößen
kann nach rechts oder nach links verstellt werde, und zwar durch eine Aktion des
Piloten (auf mechanischem, elektrischem oder hydraulischem Wege), eines Stabilisierungssystems
(mechanisch, elektrisch oder hydraulisch) oder eines automatischen Piloten (mechanisch,
elektrisch oder hydraulisch).
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Es sei angenommen, daß sich der Stößel 1 nach rechts verstellt. Im
Laufe dieser Bewegung hebt der konische Abschnitt 2 des Stößels 1 die Ventilkugeln
3 an und stellt so eine Verbindung zwischen den Kammern 4 und 5 der Hilfsservosteuerung
her. Die Fläche 6 des Hilfskolbens 8 in der Kammer 4 ist größer als die Fläche 7
des Hilfskolbens in der Kammer 5, wodurch der Hilfskolben 8 der Servosteuerung unter
Einwirkung des zugeführten Druckes sich relativ zum Hauptkolben 9 der Hauptservosteuerung
nach rechts verlagert. Diese Bewegung vermindert die Abhebgeschwindigkeit der Ventilkugeln
3, Damit vermindert sich auch die Beschleunigung des Hilfskolbens 8 im Verhältnis
zum Hauptkolben 9. Die Relativbewegung des Kolbens 8 gegenüber dem Kolben 9 hat
ein Anheben der Ventilkugeln 10 zur Folge, wodurch die Kammern 11 und 12 der Hauptservosteuerung
in Verbindung gebracht werden. Die Fläche 13 des Hauptkolbens 9 in der Kammer 11
ist größer als die Fläche 14 des Hauptkolbens in der Kammer 12, wodurch der Kolben
9 durch Einwirken des zugeführten Druckes relativ zum als festliegend
angenommenen
Gehäuse 15 der Servosteuerung verlagert wird.
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Wenn die Geschwindigkeit des Hauptkolbens 9 gleich der Geschwindigkeit
des Betätigungsstößels 1 wird, wird eine Bewegung nach rechts des Hilfskolbens 8
relativ zum Hauptkolben 9 ein Schließen des Kugelventils 3 bewirken. Der Hilfskolben
8 behält dadurch seine Lage im Verhältnis zum Hauptkolben 9 bei, und die angehobene
Lage der Kugeln 10 bleibt unverändert.
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Der Hauptkolben 9 behält dann seine gleichförmige Bewegung nach rechts
mit einer Geschwindigkeit bei, die der des Betätigungsstößels 1 gleich ist.
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Wenn der Pilot, das Stabilisatorsystem oder der automatische Pilot
die Bewegung des Betätigungsstößels 1 anhält, hat eine Bewegung des Hilfskolbens
8 nach rechts ein Anheben der Ventilkugeln 16 zur Folge.
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Die Kammer 4 erhält dadurch den Druck des Vorratsbehälters. Der Versorgungsdruck
wirkt nur noch auf die Fläche 7 der Kammer 5, der Hilfskolben 8 macht im Verhältnis
zum Hauptkolben 9 eine Bewegung nach links. Diese Bewegung vermindert die Anhebgeschwindigkeit
der Ventilkugeln 16. Die Beschleunigung des Hilfskolbens 8 im Verhältnis zum Hauptkolben
9 wird also auch vermindert.
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Die Bewegung des Hilfskolbens 8 nach links im Verhältnis zum Hauptkolben
9 hat eine Verkleinerung der Öffnung der Ventilkugeln 10 zur Folge. Die Geschwindigkeit
des Hauptkolbens 9 gegenüber dem Gehäuse 15 wird also auch kleiner.
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Sobald die Ventilkugeln völlig abgesenkt sind, wird diese Geschwindigkeit
Null. Die Bewegung des Hilfskolbens 8 nach links im Verhältnis zum Hauptkolben 9
senkt dann die Ventilkugeln 16 ab. Der Hilfskolben 8 steht still, und das gesamte
System beendet seine Bewegung.
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Eine Bewegung nach links des Betätigungsstößels 1 führt ebenso zu
einer Bewegung des Hauptkolbens 9 nach links mit der gleichen Geschwindigkeit. Das
Anhalten des Betätigungsstößels 1 führt gleicherweise zu einem Stillstand des Hauptkolbens
9.
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Nach der Erfindung ist eine kalibrierte Bohrung 17 vorgesehen, um
die sich auf die Flächen 6 und 7 der Kolben 8 und 9 auswirkenden Öldrücke miteinander
zu verbinden. Mit Hilfe einer entsprechenden Bemessung dieser Öffnung kann die Relativgeschwindigkeit
der Kolben 8 und 9 eingestellt und die Stabilität des Systems vergrößert werden.
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In' dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind sowohl ` der Hilfssteuerkolben
8 als auch der Hauptsteuerkolben 9 in separaten, koaxial angeordneten, fest miteinander
verbundenen Teilen eines feststehenden Gehäuses 15 angeordnet. In diesem Fall ist
der Hub des Hilfskolbens gleich dem Hub des Hauptkolbens.
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Die Arbeitsweise ist die folgende: Eine Bewegung nach rechts des Stößels
1 hat ein Anheben der Ventilkugeln 3 zur Folge und setzt so die Kammern 4 und 5
miteinander in Verbindung. Da die Fläche 6 des Hilfskolbens 8 in der Kammer 4 größer
ist als dessen Fläche 7 in der Kammer 5, bewegt sich der Hilfskolben 8 unter dem
Einfluß des hydraulischen Druckes nach rechts. Diese Bewegung nach rechts verlangsamt
die Anhebgeschwindigkeit der Ventilkugeln 3 und vermindert so die Beschleunigung
des Hilfskolbens 8 im Verhältnis zum Gehäuse 15. Wenn der Hauptkolben 9 noch in
Ruhestellung angenommen wird, stellt die Bewegung nach rechts des Hilfskolbens 8
im Verhältnis zum Gehäuse 15 also auch eine Relativbewegung des Hilfskolbens 8 gegenüber
dem Hauptkolben 9 nach rechts dar. Diese Bewegung nach rechts des Hilfskolbens 8
im Verhältnis zum Hauptkolben 9 bewirkt ein Anheben der Ventilkugeln 10 und setzt
so die Kammern 11 und 12 miteinander in Verbindung.
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Da die Fläche 13 des Hauptkolbens 9 in der Kammer il größer ist als
die Fläche 14 des Hauptkolbens in der Kammer 12, bewegt sich der Hauptkolben
9 unter dem Einfluß des hydraulischen Druckes nach rechts, wobei diese Bewegung
nach rechts die Abhebgeschwindigkeit der Ventilkugeln 10 verlangsamt und so die
Beschleunigung des Hauptkolbens 9 im Verhältnis zum Gehäuse 15 vermindert.
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Wenn die Geschwindigkeit des Hilfskolbens 8 im Verhältnis zum Gehäuse
15 gleich der Geschwindigkeit des Betätigungsstößels 1 im Verhältnis zum Gehäuse
15 wird, wird der Hub der Ventilkugeln unverändert, und der Hilfskolben 8 setzt
seine gleichförmige Bewegung nach rechts mit einer Geschwindigkeit fort, die der
des Betätigungsstößels 1 gleich ist.
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Wenn der Hauptkolben 9 die Geschwindigkeit des Hilfskolbens 8 noch
nicht erreicht hat, heben die Ventilkugeln 10 weiter an.
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Wenn die Geschwindigkeit des Hauptkolbens 9 im Verhältnis zum Gehäuse
15 gleich der Geschwindigkeit des Hilfskolbens 8 im Verhältnis zum Gehäuse 15, d.
h. gleich der Geschwindigkeit des Betätigungsstößels 1 im Verhältnis zum Gehäuse
15 wird, wird der Hub der Ventilkugeln 10 konstant, und der Hauptkolben 9 setzt
seine gleichförmige Bewegung nach rechts mit einer Geschwindigkeit fort, die der
des Hilfskolbens 8, d. h. der des Betätigungsstößels 1, gleich ist.
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Wenn der Pilot, das Stabilisatorkorrektursystem oder der automatische
Pilot die Bewegung des Betätigungsstößels 1 im Verhältnis zum Gehäuse 15 anhält,
vermindert die Bewegung nach rechts des Hilfskolbens 8 das Anheben der Ventilkugeln
3. Der Hilfskolben 8 wird im Verhältnis zum Gehäuse 15 verlangsamt. Der Hauptkolben
9, der im Verhältnis zum Gehäuse 15 noch nicht langsamer geworden ist, hat also
eine Relativbewegung nach rechts im Verhältnis zum Hilfskolben 8, und diese Relativbewegung
vermindert den Hub der Ventilkugeln 10. Auch der Hauptkolben 9 verlangsamt sich
also im Verhältnis zum Gehäuse 15.
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Wenn die Ventilkugeln 3 schließen, steht der Hilfskolben 8 im Verhältnis
zum Gehäuse 15 still. Die rückläufige Bewegung des Hauptkolbens 9 im Verhältnis
zum Gehäuse 15 schließt dann die Ventilkugel 10. Der Hauptkolben
9 beendet seine Relativbewegung gegenüber dem Gehäuse 15.
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Das Gesamtsystem ist also in Ruhestellung.
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Eine Verlagerung nach links des Betätigungsstößels 1 bewirkt ebenso
eine Bewegung nach links des Hauptkolbens 9.
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Um eine optimale Stabilität der Servosteuereinrichtung zu erhalten,
hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, wenn man folgende Verhältnisse berücksichtigt:
Bei einer Steuerbewegung dl, d. h. einer Differenz 4i zwischen der Bewegung des
»Eingangs« (Betätigungsstößel l) und des »Ausgangs« (Hilfskolben 8), erhält der
Hilfskolben 8 eine Geschwindigkeit
VJ, die im wesentlichen dem
Wert dl proportional ist. Man kann schreiben: V1 J B1 - d" wobei Bi praktisch
konstant ist, zumindestens solange 1, genügend kleine Werte behält. B, ist eine
Funktion vom Durchmesser der Kugeln 3 oder 16, vom Winkel an der Spitze des Konus
2, der die Kugeln anhebt, und von der Differenz der Hilfskolbenflächen 6 und 7.
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Die gleiche Überlegung kann man anstellen, wenn man das Vorhandensein
des Betätigungsstößels 1 außer Acht läßt und annimmt, die Steuereinrichtung bestünde
nur aus dem Zylinder 15, einem Betätigungsstößel an Stelle des Hilfskolbens 8 und
dem Hauptkolben 9. Für die Geschwindigkeit des Hauptkolbens 9 bei einer Steuerbewegung
42 ergibt sich ein Wert V2, der mit 42 in folgender Beziehung steht: V2 = B.2 .
J2.
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Für B2 gilt das gleiche wie für Bi, natürlich hier bezogen auf die
Kugeln 10 oder 20, den Konus am Hilfskolben 8 und die Hauptkolbenflächen 13 und
14.
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Unter Beachtung der obigen Beziehungen hat sich als für die Stabilität
des Systems besonders vorteilhaft ein Verhältnis zwischen Bi und B2 von Bi @ 4B2
ergeben, d. h., am Anfang und Ende von Bewegungen soll das Verhältnis zwischen augenblicklicher
Geschwindigkeit V der Stößel und der zur Erreichung dieser Geschwindigkeit notwendigen
Verschiebung A beim Hilfskolben mindestens viermal so groß als beim Hauptkolben
sein.