DE2040199A1

DE2040199A1 - Schnellschaltendes,lecksicheres elektromagnetisch betaetigtes Ventil

Info

Publication number: DE2040199A1
Application number: DE19702040199
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr-Ing Burckhardt; Paul Schwerdt
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1970-08-13
Filing date: 1970-08-13
Publication date: 1972-02-17
Also published as: GB1317381A; US3796409A; FR2104283A5; JPS5426728B1

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 8706/4

Stuttgart-Untertürkheim 7. Aug. 1970

"Schnellschaltendes, lecksicheres elektromagnetisch betätigtes Ventil"

Die Erfindung betrifft ein schnellschaltendes, lecksicheres, elektromagnetisch betätigtes Ventil für Flüssigkeiten oder Gase mit direkter hydraulischer Steuerung des zu schaltenden Mediums sowie einen justierbaren Kolbenanker.

Derartige elektromagnetisch betätigte Ventile werden in der Regel- und Steuertechnik zum Steuern des periodischen Durchgangs von Flüssigkeiten oder Gasen bei Drücken bis zu 250 atü eingesetzt. Die Ventile werden beispielsweise bei der elektronischen Benzineinspritzung, bei der elektronisch geregelten Steuerzeitbeeinflussung der Gaswechselvorgänge in Verbrennungsmotoren, bei der Brems schlupfregelung, bei Getriebesteuerungen und ähnlichem verwendet. Es ist daher verständlich, daß die Schaltzeiten sehr kurz sein sollen, wobei der Arbeitsdruck nach Möglichkeit keinen Einfluß auf die Schaltzeit haben soll. Derartige Ventile weiden also sehr häufig gebraucht, auch müssen oft mehrere Ventile in einem engen Bauraum untergebracht werden. Darum ist es wichtig, daß diese mit geringstem Aufwand und bei kleinsten Abmessungen gefertigt werden können. Außerdem dürfen insbesondere bei Verwendung in Bremssystemen keine Leckverluste auftreten. Es gibt zwar hydraulisch vorgesteuerte Ventile, die sehr kurze Schaltzeiten ermöglichen» Sie können jedoch die genannten Forderungen nicht im gewünschten MaPe erfüllen.

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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Schaltzeiten gegenüber bisher bekannten Ausführungen noch mehr zu verkürzen und Ausführungen vorzuschlagen, die geringe geometrische Abmessungen aufweisen und billig zu fertigen sind.

Diese Aufgaben werden durch die Erfindung dadurch gelöst, daß sowohl der Hub des leicht gleitbar und abhebbar gemachten Kolbenankers, als auch der Spalt zwischen diesem und dem Polkörper in vorbestimmten Grenzen festlegbar sind, der unmittelbar Träger der im vorgegebenen kleinen Rahmen mit größtmöglicher Windungszahl gewickelten Spule ist, die infolge geeigneten Aufbaues des Ventils einen kurzen geschlossenen magnetischen Kreis erzeugt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Außenfläche des Kolbenankera eine vorzugsweise aus amagnetischem Metall oder Kunststoff bestehende Gleitschicht tragen. Hierdurch läßt sich ein schnelles Abheben des Kolbenankers von seinem Sitz erzielen, insbesondere dann, wenn das zwischen Führungsfläche des Ventilgehäuse« und der Gleitschicht entstehende Spiel allenfalls die Stärke der Gleitschicht aufweist. Weiterhin dient dem schnellen Abheben des Kolbenankers die schnelle Ableitung der zu schaltenden Medien, was sich dadurch erzielen läßt, daß an wenigstens einer der gegenüberliegenden Stirnflächen des Kolbenankers und des Polkörpers Nuten vorgesehen sind. Weiterhin sollen zum schnellen Abheben des Kolbenankers der zwischen diesem und dem Polkörper gebildete Spalt und der Hub des Kolbenankers durch die besondere erfindungsgemäße Konstruktion einstellbar sein. Der Spalt läßt sich am besten dadurch einstellen, daß verschiedene Teile des Ventils, nämlich eine Lagernadel mit halbkugeligem Kopf und einen Sittring, als austauschbare Serienteile int einzelnen zuein-

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ander passend vermessen werden und durch Auswahl bei der Montage des einzelnen Ventils die gewünschte Spaltgröße festgelegt wird. Andererseits kann der Hub des Kolbenankers dadurch verstellt werden, daß eine in einen das Ventilgehäuse abschließenden Deckel eingeschraubte und von einer Kontermutter in ihrer Einbautiefe gesicherte Hohlschraube mehr oder weniger tief eingedreht wird.

Nicht nur zum Aufbau mit kleinen Abmessungen, sondern auch zum Erreichen eines kurzen geschlossenen magnetischen Kreises trägt eine enggewickelte Spule bei, die ohne Verwendung irgendeines besonderen Spulenkörpers gewickelt worden ist. Hierzu werden gemäP der Erfindung in dem zwischen Ventilgehäuse und Polkörper durch Ausnehmungen entstandenen kleinen Baum der der erforderlichen Windungszahl angepaßt ist, die maximal möglichen Windungen eines mit einer dünnen aushärtbaren Lackschicht versehenen Spulendrahtes möglichst dicht und den ganzen Raum ausfüllend mit Hilfe eines axialen Wicklungs-Formhalters unmittelbar auf den Polkörper aufgewickelt. Vor dem Darüberstülpen des Ventilgehäuses Ober die so gewickelte Spule, wird diese durch einen definierten Stromstoß erwärmt, so daß der Lack und damit die Drahtwindungen zu einem festen Spulenpaket verklebt und ausgehärtet werden.

Um Wirbelströme auszuschalten und um Leckverluste zu vermeiden, wird der Raum des Spulenpaketes durch einen Ring aus glasfaserverstärktem Kunststoff begrenzt, der als Träger eines Dichtrings dient, der den Raum des Spulenpakets gegenüber der vom Arbeitsmedium durchströmten Kammer abdichtet. Dadurch, daß die Spule durch den ausgehärteten Lack ein widerstandsfester geschlossener Körper ist, kann sie die in Axialrichtung des Ventiles auf den Dichtring und damit weiterhin auf sie selbst wirkende Kraft, die durch den Arbeitsdruck des Mediums erzeugt wird, ohne weiteres aushalten.

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Weitere Einzelheiten ergeben eich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der zwei Aueführungebeispiele nach der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert sind.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein Einlaßventil, das stromlos geöffnet ist;

Fig. 2 einen Axialschnitt durch ein Auslaßventil, das stromlos geschlossen ist;

Fig. 3 einen Kolbenanker in perspektivischer Darstellung;

Fig. 4 einen Schnitt in Achsrichtung durch eine Randzone des Kolbenankers und an diese angrenzende Gebiete des Ventilgehäuses, in vergrößertem Maßstab;

Fig. 5 einen Axialschnitt durch einen Teil des Kolben- ^ ankers mit der Lagernadel mit halbkugeligem Kopf

und ein Teil des diesem gegenüber gestellten Polkörpers mit einem Sitzring und einer auf diese aufgesetzten Meßkugel.

Das in Fig. 1 im Axialschnitt dargestellte Einlaßventil besteht im wesentlichen aus dem Ventilgehäuse 1, dem in dieses eingesetzten Polkörper 2 und der zwischen Ventilgehäuse und Polkörper fast den ganzen freien Raum Bwiechen diesen beiden ausfüllenden Spule 3 sowie dem Deckel 4 und dem im Ventilgehäuse zwischen dem Deckel und dem Polkörper hin- und hergleitenden Kolbenanker 5.

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Kurze Schaltzeiten lassen sich bei einem derartigen "Ventil dadurch erzielen, daß einerseits die Induktivität der Spule so niedrig wie möglich gehalten wird, und andererseits der ohmische Widerstand der Spule so groß wie möglich ist. Um nun aber trotz der geringen Induktivität die notwendige Zugkraft am Kolbenanker zu erreichen, ist es notwendig, den magnetischen Streuverlust so gering wie möglich zu halten. Die Erfindung hat sich daher zur Aufgabe gemacht, durch einen geeigneten Aufbau des Ventilkörpers, der sich hier aus dem Ventilgehäuse 1, der Spule 3, dem Polkörper 2 und dem Kolbenanker 5 zusammensetzt, einen möglichst kurzen geschlossenen magnetischen Kreis über die genannten Teile zu erhalten. Dazu müssen in der nächsten Umgebung der Spule 3 alle scharfen Kanten oder Absätze, Vorsprünge od. dgl. an den magnetisch leitenden Teilen vermieden werden. Dem gleichen Ziel dient außerdem, daß die Spule und die magnetisch leitenden Teile möglichst dicht in- oder aneinanderliegen. Daher sind sowohl das Ventilgehäuse als auch der Polkörper so aufgebaut, daß ihre Querschnittsflächen im wesentlichen rechteckig sind und mit der Spule zusammen- und ineinanderpassen. Hierzu werden in den zwischen dem Ventilgehäuse 1 und dem Polkörper 2 zur Verfügung gestellten kleinem Raum 6, der der erforderlichen Windungszahl knapp angepaßt ist, die maximal mögliche Anzahl Windungen eines Spulendrahtes eingebracht, d. ho zunächst mit eisern axialen Wickel-Foriahalter auf den Polkörper 2 eng aufgewickelt. Dieser Spulendraht ist mit einer dünnen, aasliärtbareß Lackschiciit versehea. Nach dem Aufwickeln wird die Spule durch einen definierten Stromstoß erwärmt, so daß der Lack und damit die Drafetwindungen au einem festen Spulenpaket 3 verkleben und aushärten. Da die Spule 3 direkt auf den Polkörper 2 aufgewickelt ist, wird die Wärmeableitung zum Magnetkern bin im Betrieb sehr günstig»

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Die ausgehärtete Spule ist so fest, daß sie ohne weiteres die in Achsrichtung des Ventile auf einen Ring 7 und damit weiterhin auf die Spule 3 wirkende Kraft, die durch den Arbeitsdruck des Mediums entsteht, aushalten kann. Der Ring 7 könnte an sich aus jedem nichtmagnetischen Werkstoff hergestellt werden. Wenn dieser jedoch elektrisch leitend ist, treten Wirbelströme auf, die die Schaltzeit verlängern. Die Erfindung sieht deshalb zur Verringerung der Schaltzeit des Ventils weiterhin vor, daß der Ring 7 aus nichtleitendem Material ^ entsprechender Festigkeit, z.B. aus glasfaserverstärktem Polyamid

hergestellt wird. Durch diesen Ring 7 wird der Raum des Spulenpakete gegenüber der vom Arbeitemedium durchströmten Kammer 8 außerdem noch dadurch abgedichtet, daß er Träger von Dichtringen 10 ist. Hiermit ist zugleich auch die Lecksicherheit des Ventils gegeben.

Für das einwandfreie Funktionieren des Ventils ist es von entscheidender Bedeutung, daß der Kolbenanker 5 im Ventilgehäuse 1 so leicht wie möglich gleitet. Der Kolbenanker 5 ist daher mit einer Gleitschicht 9 aus Bronze, Molybdän oder Kunststoff versehen. Besonders bewährt hat sich eine Teflonschicht, die daa Entstehen von Wirbelströmen beim Auf- und Abbau des magnetischen Feldes verhindert. Außerdem muß es vermieden werden, dal' exzentrische Magnetkräfte auftreten. Zumindest muß aber die magnetische Exzentrizität klein gehalten werden. Das zwischen dem Ventilgehäuse 1 und dem Kolbenanker 5 und seiner Gleitschicht 9 notwendige Spiel 11 muß also möglichst klein gegenüber der Gleitschicht 9 gehalten werden. Das bedeutet aber, daß die innere Führungefläche 12 des Ventilgehäuses 1 für den in dieser gleitenden Kolbenanker 5, sein AußendurchrD easer 13 und die auf ihn aufgetragene Gleitschicht 9 so dimensioniert werden, daß das zwischen der inneren

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Führungsfläche 12 und der Außenfläche 13 der Gleitschicht 9 notwendige Spiel 11 allenfalls die Stärke der Gleitschicht 9 aufweist, nach Möglichkeit jedoch kleiner als die Stärke dieser Gleitschicht ist. Kleinstes Spiel und kleinste Gleitechichtdicke gewähren nämlich ein Minimum an magnetischen Verlusten und somit eine optimal erwünschte Zugkraft des Kolbenankers.

Der Kolbenanker 5 ist von dem zu steuernden Medium umgeben, das er bei seiner Bewegung verdrängen muß. Um die dabei auftretenden Widerstände zu verringern, die schaltzeitverlängernd wirken, sind in dem den Kolbenanker 5 umgebenden Teil 14 des Ventilgehäuses 1 mehrere Durchbrüche 15 vorgesehen, die die Kammerteile 16 und 17 miteinander verbinden. Außerdem sind an wenigstens einer der gegenüberliegenden Stirnflächen 13 und 19 des Kolbenankers 5 oder des Polkörpers 2 Nuten 21 vorgesehen, die auch bei kleinem Spalt 22 eine schnelle Verdrängung des Mediums erlauben.

Dieser Spalt 22 sollte nach Möglichkeit klein sein, jedoch nicht das Maß von 1/10 mm unterschreiten, da sonst der Kolbenanker 5 klebt. Da also der Spalt 22 einen wesentlichen Einfluß auf die Funktion des Ventils überhaupt hat, ist es notwendig, diesem beim Bau dee Ventile im Hinblick auf seine FesÜegbarkeit größte Beachtung zu schenken. Durch Auswahl der Teile bei der Serienfertigung läßt sich nämlich leicht das beim Zusammenbau eines Ventils entstehende Maß für den Spalt 22 im voraus bestimmen und damit durch das einfache Mittel der Vorauswahl die Toleranz für die Größe des Spaltes erheblich verringern. Dies läßt eich im wesentlichen dadurch erzielen, daß der

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Spalt von der gegenseitigen Lage einer Lagernadel 23 und einem Sitzring 24 gebildet wird, und daß diese Teile in der Großserie gemessen und entsprechend dem Ausfall dieser Messung eingesetzt oder vor dem Einsetzen nachgearbeitet werden. Die Lagernadel und der Sitz sind mit

ihren zugehörigen Teilen so ausgebildet, daß die Lagernadel, die mit einem Nadelhalter 25 im Kolbenanker 5 gelagert ist, aus diesem mit einem halbkugeligen Kopf 26, der als Dichtelement dient, herausragt. Auf der Gegenseite sitzt im Polkörper 2 der Sitzring 24, der den Ventilsitz für die Lagernadel 23 bildet.

Zur Messung des Spaltes ist so vorzugehen, wie anhand der Fig. 5 im folgenden erläutert wird:

Das Maß für den Spalt 22 ergibt eich aus der Gleichung s = h₁ + h„ - d. Zur Feststellung der Größe des Spaltes wird vor dem Zusammenbau des Ventils das Maß h., d.h. also die Größe gemessen, um die die Lagernadel aus dem Kolbenanker 5 vorsteht. Außerdem wird das Maß h_ dadurch

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ermittelt, daß auf den Sitzring 24 eine Meßkugel 27 vom Durchmesser des halbkugeligen Kopfes 26 aufgesetzt und dann das Maß h_o gemessen wird. Aus der Gleichung ergibt sich dann die Größe des Spaltes 22. Liegt das Maß ftlr den Spalt nicht in den vorgesehenen Grenzen, so sind entweder andere Teile auszuwählen oder die gewählten Teile nachzuarbeiten.

Der Ventilhub 28 des Kolbenankers 5 ist mit Hilfe einer durch eine Kontermutter 29 gesicherten Hohlschraube 31 in vorteilhafter Weise von einer Seite her einstellbar. Die Hohlschraube ist in den das Ventilgehäuse abschließenden Deckel 4 eingeschraubt.

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Der Kolbenanker wird durch eine Zugfeder 32 zurückgezogen, die an der Federhalte rung 33 aufgehängt ist. Die Zugfeder 32 greift also einerseits am Kolbenanker 5 und andererseits an der Hohlschraube 31 an und versucht dadurch, die Lagernadel 23 von ihrem vom Federangriff abgelegenen Sitzring 24 abzuziehen. Bei Einschaltung des die Spule 3 durchfliessenden Stromes wird selbstverständlich die Federkraft der Zugfeder 32 überwunden und der Kolbenanker 5 an den Polkörper angezogen, so daß die Lagernadel 23 mit dem halbkugelförmigen Kopf 26 auf dem Sitzring

24 abdichtend aufliegt und so das weitere Durchströmen des Mediums verhindert.

Die Federhalte rung 33 ist zur besseren Montage zunächst über die Verjüngung 34 um den verlorenen Griff 35 verlängert, der nach Beendigung der Montage abgebrochen wird»

Ähnlich wie das in Fig. 1 dargestellte Einlaßventil ist das in Fig. 2 dargestellte Auslaßventil konstruiert. Dort tritt lediglich anstelle der Zugfeder 32 eine Druckfeder 36. Im übrigen ist das Ventil so aufgebaut, daß die einerseits am Polkörper 2' und andererseits am Kolbenanker 5' angreifende Druckfeder 36 den Kolbenanker 5' mit der Lagernadel 23· gegen eine in den Deckel 4* eingeschraubte, zugleich den Sitsring der Lagernadel 23' bildende Hohlschraube 31* zu drücken versucht.

Im übrigen sind die Ventile so ausgebildet, daß der Lagernadelhalter

25 bzw. 25' mit radialem Spiel in einer Bohrung 37 des Kolbenankers 5 bzw. 5' sitzt und mit einer von der Feder 3.2 bz;w. 36 abgekehrte» Stirnfläche 38 bzw. 38' an einer mit dem Kolbenanker 5 fosw. 5' verbundenen Anschlagfläche 39 bzw. 30· anliegt.

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Claims

- 10 - Daim 8706/4 Ansprüche

1. Schnellschaltendee, lecksicheres elektromagnetisch betätigtes Ventil für Flüssigkeiten oder Gase mit direkter hydraulischer Steuerung des zu schaltenden Mediums sowie einem justierbaren Kolbenanker, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Hub (28,28*) des leicht glcitbar und abhebbar gemachten Kolbenankers (5), als auch der Spalt (22) zwischen diesem und dem Polkörper (2) in vorbestimmten Grenzen festlegbar sind, der unmittelbar Träger der in vorgegebenem kleinen Rahmen mit größtmöglicher Windungsanzahl gewickelten Spule (3) ist, die infolge geeigneten Aufbaues des Ventils einen kurzen geschlossenen magnetischen Kreis (40) erzeugt.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche (13) des Kolbenankers (5) eine vorzugsweise aus amagnetischem Metall oder Kunststoff bestehende Gleitschicht (9) trägt.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Führungsfläche (12) des Ventilgehäuses (1) für den in dieser gleitenden Kolbenanker (5), sein Außendurchmesser (13) und die auf ihm aufgetragene Gleitschicht (9) so dimensioniert sind, daß das zwischen der Führungsfläche (12) des Ventilgehäuses (1) und der Gleitschicht (9) entstehende Spiel (11) allenfalls die Stärke der Gleitschicht (9) aufweist.

4. Ventil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einer der gegenüberliegenden Stirnflächen (18,19) des Kolbenankers (5) und des Polkörpers (2) Nuten {21) vorgesehen sind.

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5. Ventil nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (22) durch eine aus dem Kolbenanker (5) he raus ragende, mit einem Nadelhalter (25) im Kolbenanker (5) gelagerte Lagernadel (23) mit als Dichtelement dienendem halbkugeligen Kopf (26) und einem im Polkörper (2) eingelassenen, den Ventilsitz für die Lagemadel (23) bildenden Sitzring (24) insbesondere aus amagnetischem Material gebildet wird, die zur Festlegung des Spalts (22) austauschbar sind (Fig. 1).

6. Ventil nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hub (28) des Kolbenankers (5) durch eine in einen das Ventilgehäuse (1) abschließenden Deckel (4) eingeschraubte und von einer Kontermutter (29) in ihrer Einschraubtiefe gesicherte Hohlschraube (31) von einer Seite her einstellbar ist.

7. Ventil nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen Ventilgehäuse (1) und Polkörper (2) vorgesehene kleine Raum (6) mit der größtmöglichen Windungszahl an Spulendrähten dadurch im wesentlichen ausgefüllt ist, daß mit einer dünnen aushärtbaren Lackschicht versehener Spulendraht in vielfachen Windüngen unter Vermeidung eines besonderen Spulenkörpers unmittelbar auf den Polkörper (2) aufgewickelt und durch einen definierten Stromstoß erwärmt wird, der den Lack und damit die Drahtwindungen zu einem festen Spulenpaket (3) verklebt und aushärtet.

8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (6) des Spulenpakets gegenüber der vom Arbeitsmedium durchström-

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ten Kammer (8) durch einen Ring (7) aus glasfaserverstärktem Kunststoff abgegrenzt ist, der Träger von Dicbtringen (10) ist.

9. Ventil nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen

Gesaxntaufbau des Ventils« der durch Vermeidung von Absätzen und scharfen Kanten sowie dadurch» daß Polkörper (2), Ventilgehäuse (1) und Kolbenanker (5) passend ineinandergreifende einfache, im wesentlichen rechteckige Formen in einem Axialschnitt aufweisen, einen kurzen geschlossenen magnetischen Kreis (40) über nebeneinander liegende Teile des Polkörpers (2), des Ventilgehäuses (1) und des Kolbenanke rs (5) bildet.

10. Ventil nach den Ansprüchen 1 bis 9, das ale Einlaßventil ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine einerseits an der in dem Deckel (4) eingeschraubten Hohlschraube (31) und andererseits am Kolbenanker (5) angreifende Zugfeder (32) den Kolbenanker (5) mit der L^agernadel (23) von ihrem vom Federangriff abgelegenen Sitzring (24) abzuziehen versucht (Fig. 1).

11. Einlaßventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß an einer in die Hohlschraube (31) eingelassenen, sich an ihr abstützenden Federhalterung (33) über eine Verjüngung (34) ein verlorener Griff (35) angeordnet ist, der nach Einsetzen der Federhalterung (33) an der Verjüngung (34) abgebrochen wird (Fig. 1).

12. Ventil nach den Ansprüchen 1 bis 9, das als Auslaßventil auegebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine einerseits am PoI-

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körper (2*) und andererseits am Kolbenanker (5*) angreifende Druckfeder (36) den Kolbenanker (5*) mit der Lagernadel (23*) gegen eine in den Deckel (4·) eingeschraubte, zugleich den Sitzring der Lagernadel (23*) bildende Hohlschraube (31·) zu drücken versucht (Fig. 2).

13. Ventil nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagernadelhalter (25, 25') mit radialem Spiel in einer Bohrung (37) des Kolbenankers (5,5·) sitzt und mit einer von der Feder (32,36) abgekehrten Stirnfläche (38,38·) an einer mit dem Kolbenanker (5) verbundenen Anschlagfläche (39,39·) anliegt.

14. Ventil nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in dem den Kolbenanker (5) umgebenden Teil (14) des Ventilgehäuses (1) Durchbrüche (15) angeordnet sind, die vom Arbeitsmedium durchströmte Kammerteile (8,16,17) zu beiden Stirnseiten (18,18») dee Kolbenankers (5) miteinander verbinden.

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