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Die Erfindung betrifft elektrohydraulische Betätigungs
- bzw. Stellelemente.
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Man weiß seit langem, daß die hydraulische im Gegensatz zu
rein mechanischer oder elektromagnetischer Betätigung für
einige Anwendungen wünschenswerter ist. Ein Grund hierfür
ist, daß sich Hydrauliksysteme in Anwendungen, für die hohe
Zuverlässigkeit und ein hohes
Kraft-/Geschwindingkeitsvermögen kombiniert mit raschem Ansprechen erforderlich sind,
als praktischer erwiesen haben. So verwendet beispielsweise
derzeit ein Großteil der zivilen und militärischen
Luftfahrzeuge die hydraulische Betätigung für ihre
Hauptsteuerflächen. Für die hydraulische Servobetätigung bestehen
jedoch Grenzen, vor allem durch die Notwendigkeit eines
zentralen Hydraulikversorgungssystems. Es sind eine
Hydraulikpumpe zusammen mit einem Hauptantrieb für den Antrieb der
Pumpe, ein Vorratsbehälter, ein Druckspeicher und
Rohrleitungen zur Übertragung des Hydraulikdrucks zu jedem
entfernt angeordneten Servostellelement erforderlich. Es
fallen erhebliche Kosten und Installationsaufwendungen an,
außerdem treten potentielle Wartungsprobleme aufgrund von
Leckagen der Rohrleitungen, erhebliche Energieverluste an
der Pumpe, unerwünschte Geräusche sowie im Falle von
Luftfahrzeuginstallationen erhebliche Gewichts- und
Volumenprobleme auf.
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Es hat zahlreiche Versuche gegeben, hydraulische
Servobetätigungssysteme durch elektromechanische
Servobetätigungssysteme zu ersetzen, wodurch das zentrale
Hydraulikversorgungssystem entfällt. Diese Versuche sind aufgrund der
jüngsten Entwicklungen auf dem Gebiet der Servomotoren
unter Verwendung von Seltenerd-Dauermagneten und jüngster
Entwicklungen der elektronischen Steuerungs-Hardware, die
solche Motoren erfordern, verstärkt worden. Jedoch haben
sich die erforderlichen Getriebe (und Kupplungen) zwischen
solchen verbesserten Elektromotoren und der Last als
Schwachstelle erwiesen und sind nicht in dem Ausmaß
verbessert worden, wie es zum Ersatz der hydraulischen
Servobetätigung in vielen Anwendungen notwendig ist.
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Die Patentschrift DE-A-3 635 694 beschreibt ein
elektrohydraulisches Betätigungs- bzw. Stellelement gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1 mit einem Elektromotor und einer
Pumpe, die in einem Hydraulikfluidbehälter versenkt und mit
einer Kolben-Zylinderanordnung verbunden sind, wobei eine
Betätigungsstange eine mechanische Ausgangsleistung des
Stell- bzw. Betätigungselements bereitstellt. Ein
Federkissen ist zwischen dem Zylinder und einem Außengehäuse
vorgesehen.
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Ein Artikel in Machine Design, Bd. 59, Nr. 18, vom 6.
August 1987 beschreibt auf Seite 52 ein
elektrohydrostatisches Stell- bzw. Betätigungselement mit einer
Zweirichtungs-Motorpumpeneinheit mit angebautem Vorratsbehälter,
Positionssensor des hydraulischen Stellelements und
Elektronik.
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Gemäß der Erfindung wird ein elektrohydrauliches
Betätigungselement bereitgestellt, welches folgendes umfaßt:
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ein Gehäuse mit einer Hydraulikspeicherkammer mit einem
Vorrat an Hydraulikfluid und einer Zylinderkammer;
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einen Betätigungskolben und eine damit verbundene
Betätigungsstange, wobei der Kolben in der Zylinderkammer
bewegbar ist, und der Betätigungskolben die Zylinderkammer in
eine "Rückzugs"-Kammer am vorderende Ende der
Zylinderkammer und eine "Vorschub"-Kammer am hinteren Ende der
Zylinderkammer unterteilt;
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eine Hydraulikpumpe, die in dem Hydraulikspeicher
angeordnet ist, um Hydraulikflüssigkeit in die Zylinderkammer zu
Pumpen, um die Betätigungsstange durch Hydraulikdruck zu
bewegen;
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einen Elektromotor, der in der Hydraulikspeicherkammer
angeordnet ist und mechanisch mit der Hydraulikpumpe
verbunden ist, um die Hydraulikpumpe anzutreiben, damit sie die
Hydraulikflüssigkeit pumpt; und
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Hydraulikleitungen, die in dem Gehäuse angeordnet sind und
die Pumpe mit der Hydraulikspeicherkammer und der
Zylinderkammer verbinden, um den Betätigungskolben in die
Zylinderkammer zu bewegen;
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gekennzeichnet durch einen Faltenbalgspeicher, der in der
Hydraulikspeicherkammer angeordnet ist und ein Druckgas
enthält, so daß eine veränderliche Verdrängung von
Hydraulikflüssigkeit in der Hydraulikspeicherkammer stattfindet,
um jegliche Volumenänderungen in der darin befindlichen
Hydraulikflüssigkeit auszugleichen;
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einen Temperaturfühler, der vorgesehen ist, um
Temperaturänderungen von in dem Faltenbalgspeicher enthaltenem Gas
zu messen; und
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einen Temperaturfühler, der vorgesehen ist, um
Temperaturänderungen der Hydraulikflüssigkeit in der
Hydraulikspeicherkammer zu messen.
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Somit verwendet die Erfindung eher eine elektromotorische
Betätigung als eine zentrale Hydraulikversorgung, ersetzt
jedoch eine mechanische Kraftübertragung durch eine
eigenständige hydraulische Kraftübertragung. Dadurch lassen sich
viele der bei der Verwendung mechanischer Kupplungen und
Getriebe auftretenden Probleme vermeiden. So kann die
Erfindung z.B. ein effektives Übersetzungsverhältnis von 2000
: 1 oder höher zwischen dem Motor und der Last
bereitstellen, ohne irgendwelche Zahnräder zu verwenden. Dies
beseitigt die Ermüdungsprobleme mit den Zahnradzähnen, welche in
elektromechanischen Servostellelementen auftreten. Die
Notwendigkeit für Kupplungen in redundanten mechanischen
Systemen entfällt, da die Funktion eines ausgefallenen
erfindungsgemäßen Servobetätigungselements von anderen
parallelen Servobetätigungselementen übernommen werden kann.
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Bei einem erfindungsgemäßen Stell- bzw. Betätigungselement
kann Undichtigkeit generell ausgeschlossen werden, da die
Ausführung nur eine einzige mögliche Leckstelle und nicht
die vielen solcher potentiellen Leckstellen der früheren
Konstruktionen vorsehen kann, wodurch der Wartungsaufwand
in hohem Maße verringert wird.
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Vorteilhafterweise treibt der Elektromotor die
Hydraulikpumpe auf Basis des Bedarfs, so daß nur der erforderliche
Druck und Durchfluß erzeugt werden. Dies kann Energie
sparen, die Kosten für den elektrischen Strom senken und
außerdem weniger Lärm erzeugen, was für industrielle
Anwendungen von Bedeutung sein kann. Das Betätigungselement kann
über eigenständige Fehlererkennungsfunktionen verfügen, um
die Wartungskosten zu senken.
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Bei der Pumpe handelt es sich vorzugsweise um eine
zweigerichtete hydraulische Konstantpumpe zur Förderung des
Hydraulikfluid für die Bewegung der Betätigungsstange, und
der Motor ist vorzugsweise ein bürstenloser
Gleichstrom-Umkehrmotor mit einem integralen Rückkopplungsdrehzahlmesser
und einem Temperaturfühler für die Motorwicklung, welcher
mechanisch mit der Hydraulikpumpe verbunden ist und diese
antreibt, wobei das Gehäuse die Pumpe und den
Vorratsbehälter mit Hydraulikfluid enthält, in dem der Elektromotor
eingetaucht ist. Das Gehäuse enthält außerdem den
Betätigungs-
bzw. Stellzylinder mit dem Kolben sowie die
Hydraulikleitungen, die die Pumpe mit dem Hydraulikspeicher und
dem Zylinder verbinden, wie dies zur Bewegung der
Betätigungsstange erforderlich ist.
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Hat die vordere oder Rückzugskammer des Zylinders ein von
der hinteren Kammer verschiedenes Volumen, so wird die
Bewegung des Kolbens ein Ungleichgewicht des Hydraulikfluids
verursachen, das vorzugsweise durch die Bereitstellung
einer asymmetrischen Schlitzplatte für die Pumpe ausgeglichen
wird. Ein erster Schlitz dieser Platte hat im Vergleich zu
einem zweiten Schlitz eine andere radiale Erstreckung,
wodurch sich für den ersten und zweiten Schlitz verschiedene
Größen ergeben. Diese Größen werden dem Verhältnis zwischen
Volumen und Stangenbewegung derjenigen Kammer angepaßt, in
die jeder der Schlitze bei rotierender Pumpe mündet. Ein
dritter Schlitz gestattet der Pumpe, das Differenzvolumen
des Hydraulikfluid zu einer Kammer mit veränderlichem
Volumen zu fördern bzw. von dieser abzupumpen.
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Bei der Pumpe und dem Motor handelt es sich vorzugsweise um
Umkehrgeräte mit veränderlicher Drehzahl, die eine Bewegung
der Betätigungsstange mit variabler Geschwindigkeit mittels
elektrischer Signale zum Motor in beide Richtungen
gestatten.
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Abgesehen von der Temperaturmessung können die Fühler
anhand der Geschwindigkeit der Temperaturänderung das
Vorhandensein von Gas im Hydraulikfluid oder von Öl in der
Gaskammer erkennen.
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Des weiteren ist vorzugsweise ein Positionsfühler mit der
Betätigungsstange verbunden, die durch den Kolben des
Hydraulikzylinders mitgenommen wird. Außerdem kann der
Hydraulikkreis über einen Lastbegrenzer bzw. ein
Überdruckventil verfügen, wodurch die vom Stellelement
abgegebene Kraft auf einen voreingestellten Wert begrenzt
wird.
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Die Erfindung ist in den beiliegenden Zeichnungen bei
spielhaft schematisch dargestellt; es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines
erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Stell- bzw. Betätigungselements;
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Fig. 2 eine Draufsicht des Stell- bzw. Betätigungselements
von Fig. 1;
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Fig. 3 eine Schnittansicht eines Abschnitts des Stell- bzw.
Betätigungselements von Fig. 1;
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Fig. 4 eine schematische Ansicht eines Abschnitts des
Stell- bzw. Betätigungselements von Fig. 1; und
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Fig. 5 eine schematische Ansicht ähnlich der von Fig. 4,
die eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
elektrohydraulischen Stell- bzw. Betätigungselements zeigt.
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Wie aus Fig. 1 und 2 zu ersehen ist, handelt es sich bei
einem elektrohydraulischen Stell- bzw. Betätigungselement
11 um die Art, wie sie für Steuerflächen eines
Luftfahrzeugs verwendet wird.
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Obwohl das Stell- bzw. Betätigungselement 11 speziell für
ein Luftfahrzeug konzipiert ist, ist es für den Fachmann
offenkundig, daß dieses elektrohydraulische
Betätigungselement für zahlreiche andere Anwendungen eingesetzt werden
kann. Das Betätigungselement 11 enthält einen Zapfen 12,
der an einem Ende eines Gehäuses 13 angeformt ist, damit
das Betätigungselement 11 an der Struktur eines
Luftfahrzeugs befestigt werden kann. Ein Stangenende 16 einer
Betätigungsstange 15 kann an einer vom Betätigungselement
11 zu bewegenden Steuerfläche befestigt sein.
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Das Gehäuses 13 besteht aus einem Stück, welches sich von
einem Hydraulikfluidvorratsbehälter 17 zu einer
Zylinderkammer 19 erstreckt, in der sich ein Kolben 20 bewegt. Der
Kolben 20 ist an der Betätigungsstange 15 befestigt und
teilt die Zylinderkammer 19 in eine vordere Kammer 22 und
eine hintere Kammer 24.
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Im Behälter 17 und in dem den Behälter 17 füllenden
Hydraulikfluid eingetaucht ist eine von einem Elektromotor 25
angetriebene Hydraulikpumpe 23 angeordnet. Der Elektromotor
25 treibt die Pumpe 23, um Hydraulikfluid zwischen den
Kammern 22 und 24 zu fördern, so daß die Betätigungsstange 15
aus- oder eingefahren wird. Hydraulikfluidkanäle 27 sind in
das Gehäuse 13 eingearbeitet, um das Fluid zwischen der
Pumpe 23 und den Kammern 22 und 24 zu befördern.
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Die Pumpe 23 und der Elektromotor 25 sind umkehrbar und
arbeiten so, daß dann, wenn Fluid zu einer der Kammern 22 und
24 gefördert, es von der anderen der Kammern 22 und 24
abgepumpt wird. Auf diese Weise wird das Aus- und Einfahren
der Betätigungsstange 15 durch den Druck des Hydraulikfluid
in den beiden Kammern 22 und 24 zwangsläufig gesteuert. Die
Pumpe 23 ist mit dem Gehäuse 13 verschraubt und über eine
Wellenkupplung 37 mit dem Motor 25 gekoppelt. Ein Stift 33
indexiert den Motor 25, so daß dieser bezüglich des
Gehäuses 13 in einer festen Position gehalten wird.
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Die die Pumpe 23 umgebende Zone und das Innere des Motors
23 liegen auf dem Behälterdruck. Folglich verursacht eine
Leckage der Pumpe keine Leckage von Hydraulikfluid aus dem
System; evtl. Leckmengen werden einfach in den Behälter
zurückgeführt, wo das Fluid wiederverwendet wird. Analog sind
keine Druckdichtungen zwischen der Pumpe 23 und dem
Innenraum des Motors 25 erforderlich, wodurch eine in
früheren Ausführungen vorhandene Verschleiß- und
Ausfallursache beseitigt wird.
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Der Abschnitt des Hydraulikbehälters 17, der den Motor 25
umgibt, ist mit Wärmetauscherrippen 35 versehen. Da der
Behälter 17 mit Hydraulikfluid gefüllt ist, kann die Wärme
vom Motor 25 rasch an das Gehäuse 13 übertragen und von den
Rippen 35 abgeführt werden. Dieser Vorteil ergibt sich
durch das Eintauchen des Motors 25 in dem Hydraulikfluid.
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Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung der Teile ist das
relativ niedrige Gewicht des für den Betrieb des Stell- bzw.
Betätigungselements erforderlichen Hydraulikfluids. Im
Gegensatz zu der Füllmenge der vorderen und hinteren Kammer
22 und 24 ist ein relativ kleines Volumen an Hydraulikfluid
erforderlich.
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Fig. 3 ist eine detailliertere Darstellung der Pumpe 23 und
zeigt, daß es sich um eine Kolbenpumpe handelt. Die
Pumpenwelle 37 wird in Lagern 43 geführt und rotiert in einem
Pumpengehäuse 45. Kolben, einschl. der Kolben 49 und 51,
sind um die Welle 37 angeordnet und mit dieser drehbar
verbunden. Die Kolben 49 und 51 werden während der Drehung
mittels einer Taumelscheibe 47 hin- und herbewegt, welche
in einem hinreichenden Winkel gegenüber der Senkrechten zur
Welle 37 ausgeführt ist, um die gewünschte
Verdrängungsmenge des Fluids durch die Kolben 49 und 51 zu bewirken.
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Die Kolben 49 und 51 werden in einem Kolbensammlerrohr 48
hin- und herbewegt. Während der Hin- und Herbewegung der
Kolben 49 und 51 wird Hydraulikfluid durch Öffnungen 50 und
52 im Sammlerrohr 48 in die und aus der Pumpe 23 gefördert.
Eine Pumpenschlitzplatte 53 am Ende der Pumpe 23 ist mit
Formschlitzen 55, 57, 59 (siehe Fig. 5) ausgeführt, die bei
Rotation der Kolben neben den Öffnungen 50 und 52 liegen,
durch die das Fluid zu und von Kanälen 29 und 31 geleitet
wird.
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Bei rotierender Welle 37 wird Hydraulikfluid zu den und von
den Kanälen 29 und 31 geleitet. Die Umkehr der Motor- und
Wellendrehrichtung kehrt die Strömungsrichtung um. Somit
ist der Durchfluß des Hydraulikfluids direkt proportional
zur Drehgeschwindigkeit der Pumpenwelle 37.
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Dem Fachmann sind Pumpen der Art wie die Pumpe 23 gut
bekannt. Obwohl solche Pumpen besonders vorteilhaft für das
erfindungsgemäße Stell- bzw. Betätigungselement sind, ist
anzunehmen, daß auch andere umkehrbare Hydraulikpumpen
verwendet werden könnten.
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Der Betrieb des Motors 25 und der Pumpe 23 kann zur
Wärmeerzeugung führen. Es ist deshalb wünschenswert, die
Temperatur des Hydraulikfluids zu überwachen, und ein
Temperaturfühler 61 ist zu diesem Zweck am oberen Ende des
Behälters 17 vorgesehen. Zusätzlich verfügt der Fühler 61 über
ein Widerstandsheizelement, welches gepulst werden kann, so
daß die durch die Wärme vom gepulsten Heizelement
verursachte Temperaturänderung gemessen werden kann. Ist die
Abklingcharakteristik der Temperaturänderung nach der
Pulsation des Heizelementes zu träge, so deutet dies darauf hin,
daß Gas im Hydraulikfluid vorhanden und eine Wartung des
Stell- bzw. Betätigungselements erforderlich ist.
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Zum Ausgleich von Mengenänderungen des Hydraulikfluids im
Behälter 17 ist ein gasgefüllter Metallbalgen 60 dicht
schließend mit der Oberseite des Behälters 17 verbunden.
Der Balgen 60 ist mit einem inerten Gas, wie z.B.
Stickstoff, gefüllt und kann sich deshalb entsprechend der Menge
des Hydraulikfluids im Behälter 17 ausdehnen oder
zusammenziehen. Ein Füllstutzen 62 ist am Gehäuse 13 zum Befüllen
des Balgen 60 angebracht. Ein Temperaturfühler 63 ist am
Gehäuse 13 am oberen Ende des Balgen 60 befestigt, um die
Gastemperatur messen zu können. Wie der Fühler 61 ist auch
der Fühler 63 mit einem Thermoelement versehen, um die
Temperaturabklingcharakteristik des Gases überwachen zu
können. Auf diese Weise kann im Balgen vorhandene Flüssigkeit
erkannt werden.
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Im Gehäuse 13 sind Fluidkanäle und Hohlräume 67 vorgesehen,
damit das Hydraulikfluid zwischen verschiedenen
Hilfskomponenten und zum Schutz des Systems befördert werden kann. So
erstrecken sich beispielsweise die Kanäle und Hohlräume 67
zum Blindende des Gehäuses, über eine Dichtung der Stange
15 hinaus, um eine Ansammlung von Hydraulikfluid am Ende
der Stange zu vermeiden. Die Kanäle 67 sind außerdem mit
einer Schnellschlußarmatur 66 verbunden, um ein Befüllen
des Stell- bzw. Betätigungselements mit Hydraulikfluid zu
gestatten.
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Außerdem verlaufen die Kanäle 67 vom Behälter 17 zu einem
Druckmeßwertumformer 70. Der Druckmeßwertumformer 70
gestattet die elektrische Fernüberwachung des statischen
Hydraulikdrucks im Behälter 17. Druckschwankungen im
Behälter 17 können aufgrund von Wärmedehnung oder -kontraktion
des Fluids oder bedingt durch Fluidverarmung bei
mechanischen, strukturellen oder Dichtungsausfällen auftreten. Der
Druckmeßwertumformer 70 gestattet die elektrische
Fernüberwachung des Fluiddrucks, so daß Wartungsmaßnahmen vor
Ausfällen geplant und Störungen erkannt werden können.
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Die Kanäle 67 verbinden außerdem den Behälter 17 mit einem
Lastbegrenzungs-Überdruckventil 68, das mit den Kanälen 29
und 31 verbunden ist, um die Lasten des Hydraulikfluids in
der vorderen und hinteren Kammer 22 und 24 zu begrenzen.
Überschreitet der Hydraulikdruck in einer dieser beiden
Kammern ein am Lastbegrenzungs-Überdruckventil 68
eingestelltes vorgegebenes Kraftniveau, wird Fluid durch die
Kanäle 67 an den Behälter 17 freigegeben. Das vorgegebene
Kraftniveau am Überdruckventil 68 kann mittels einer Feder,
welche auf einen Ventilkolben des Ventils 68 drückt,
geregelt werden. Rückschlagventile sind vorgesehen, um eine
Strömung von der Kammer 22 zur Kammer 24 und umgekehrt zu
verhindern, obwohl beide durch das Überdruckventil 68
miteinander verbunden sind.
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Ein Drehpositionskodierer 83 ist am Gehäuse 13 neben der
Stange 15 befestigt. Der Positionskodierer 83 arbeitet
durch Ablesen einer Bewegung eines Zahnstangenmechanismus,
der Bestandteil des Positionskodierers 83 ist. Der
Zahnstangenabschnitt des Kodierers ist parallel zu der Stange
15 angeordnet und bewegt sich mit dieser. Die Drehung des
Ritzels wird elektrisch erkannt und kann elektrisch
fernabgelesen werden, so daß die Position der Stange 15 bestimmt
wird. Mit anderen Worten, der Kodierer 83 erzeugt
elektrische Signale, die den Ausfahr- oder Rückzugsweg der
Betätigungsstange 15 melden. Dies ermöglicht eine Bestätigung der
an den Motor 25 abgesetzten Ausfahr- oder Rückzugsbefehle.
Des weiteren ist dadurch eine direktere Ablesung der
Position der Stange 15 gegeben.
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Die Schlitze in der Pumpenschlitzplatte 53 können die Art
der in Fig. 5 dargestellten Betätigungsstange ausgleichen.
Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, verläuft die Stange 15 nicht
ganz durch den Kolben 20, so daß die vordere Kammer 22 ein
von der hinteren Kammer 24 verschiedenes Verhältnis von
Volumen zu Stangenweg aufweist. Bei einer herkömmlichen Pumpe
mit rotierenden Kolben sind die Schlitze 55 und 57
symmetrisch ausgebildet, so daß deshalb eine gleich große
Fluidmenge durch jeden Schlitz strömt. Für einen asymmetrischen
Kolben, wie in Fig. 5 dargestellt, muß deshalb ein Teil des
Fluids in einen oder aus einem Fluidbehälter mit
veränderlichem Überschußvolumen gepumpt werden.
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Ein zusätzlicher Schlitz 59 in der Schlitzplatte 53 gleicht
die Strömung von oder zu einer Kammer 69 mit veränderlichem
Volumen aus. Durch Regelung der Größe des Schlitzes 59 wird
eine präzise Strömung von und zur Kammer 69 die Ströme zu
den Kammern 22 und 24 ausgleichen. Dies resultiert in einem
sehr viel effizienteren Fluidtransport, indem für eine
Verdrängung des Fluids zu und von der Kammer 69 gesorgt wird.
Rückschlagventile 71 und 73 können zur Korrektur geringer
Durchflußdifferenzen zur Kammer 69 vorgesehen werden.
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Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, ist eine Filtrierung des
Fluids zu und von der "Rückzugs"- und "Vorschub"-Kammer 24
und 22 bereitgestellt. Der "Rückzugs"-Kanal 31 ist mit
einem Einwegfilter 80 versehen, das einen ersten Kanal 82 mit
einem Filter 84 und einem Rückschlagventil 79, das eine
Fluidpassage durch das Filter 84 nur in der Richtung von
der Pumpe 23 zur "Rückzugs"-Kammer 22 gestattet, umfaßt.
Ein Bypass-Kanal 85 mit einem Rückschlagventil 81 erlaubt
dem Fluid den Durchfluß nur in der Richtung, die der durch
das Rückschlagventil 79 erlaubten Strömungsrichtung
entgegengesetzt ist.
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Analog besitzt der "Vorschub"-Kanal 29 ein Einwegfilter 70,
das einen ersten Kanal 72 mit einem Filter 78 und einem
Rückschlagventil 77, das eine Strömung von der Pumpe 23 in
Richtung der Kammer 24 gestattet, umfaßt. Die Strömung von
der Kammer 24 zu der Pumpe 24 läuft durch einen
Bypass-Kanal 74 mit einem Rückschlagventil 75 und um das Filter 78
herum.