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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position eines
Kolbens in einem Zylinder mit Hilfe von Ultraschallsignalen.
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Aus
der
DE 103 22 718
A1 ist ein Ultraschall-Positionsmesssystem bekannt, bei
dem von einem Ultraschallwandler Ultraschallsignale in einen Zylinder
in Richtung einer Stirnfläche eines Kolbens gesendet und
die von dort reflektierten Ultraschallsignale wieder empfangen werden.
Aufgrund der Laufzeit der Ultraschallsignale lässt sich,
sofern die Schallgeschwindigkeit in dem Medium bekannt ist, die
Entfernung der Kolben-Stirnfläche zum Ultraschallwandler
und damit die Position des Kolbens innerhalb des Zylinders bestimmen.
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In
der
US 4,543,649 wird
ein ähnliches System beschrieben, wobei an der relevanten
Stirnfläche des Kolbens eine Stufe ausgebildet ist, der
gegenüberliegend an der Stirnseite des Zylinders eine Teilkammer
zugeordnet ist, in die die Stufe kurz vor Erreichen der Endlage
des Kolbens eindringen kann. Dadurch wird eine Endlagendämpfung
der Bewegung des Kolbens bewirkt, um ein zu hartes Anschlagen des
Kolbens an den stirnseitigen Anschlag zu verhindern.
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer bekannten Kolben-Zylindereinheit,
bei der die Position des Kolbens mit Hilfe von Ultraschallsignalen
erfasst wird.
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Im
Inneren eines Zylinders 1 ist ein Kolben 2 axial
bewegbar, der mit Hilfe einer stirnseitig aus dem Zylinder 1 geführten
Kolbenstange 3 zusätzlich geführt wird.
Gegenüber einer Stirnfläche 4 des Kolbens 2 ist
an einem stirnseitigen Ende des Zylinders 1 eine Ultraschalleinrichtung 5 angeordnet,
die einen Ultraschallwandler 6 aufweist. Der Ultraschallwandler 6 dient
zum Senden von Ultraschallsignalen in Richtung der Stirnfläche 4 sowie
zum Empfangen von von der Stirnfläche 4 reflektierten
Ultraschallsignalen.
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Mit
dem Ultraschallwandler 6 ist eine Auswerteeinrichtung 7 verbunden,
die aufgrund der Laufzeit der Ultraschallsignale und anhand einer
Schallgeschwindigkeit des Ultraschalls in einem Medium, das eine
durch den Zylinder 1 und den Kolben 2 umschlossene
Hauptkammer 8 füllt, den Abstand der Stirnfläche 4 von
dem Ultraschallwandler 6 und damit die Position des Kolbens 2 im
Zylinder 1 bestimmt.
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Die
Schallgeschwindigkeit hängt ab von dem Medium, der Temperatur
und dem Druck und ändert sich während des Betriebs
der Kolben-Zylindereinheit. Zu die sem Zweck ist, wie auch in der
DE 103 22 718 A1 beschrieben,
vor dem Ultraschallwandler
6 eine Referenzfläche
9 mit
einem vorbestimmten Abstand
10 zu dem Ultraschallwandler
6 angeordnet. Aufgrund
der Laufzeit der Ultraschallsignale zwischen dem Ultraschallwandler
6 und
der Referenzfläche
9 sowie anhand des bekannten
Abstands
10 kann die Auswerteeinrichtung
7 die
Schallgeschwindigkeit in dem Medium stets aktuell bestimmen. Das Medium
kann z. B. Hydrauliköl oder auch ein anderes geeignetes
Fluid, wie z. B. eine Flüssigkeit oder ein Gas sein.
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Das
Fluid kann über eine Leitung 11 in die Hauptkammer 8 eingeleitet
bzw. daraus wieder abgelassen werden, um die Position des Kolbens 2 zu
verändern.
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Zusätzlich
kann auf der Rückseite der Stirnfläche 4 des
Kolbens, also auf der Seite der Kolbenstange 3 eine zweite
Hauptkammer 12 vorgesehen sein, die über eine
Leitung 13 ebenfalls mit dem Medium versorgt wird. Dadurch
lässt sich die auf den Kolben 2 wirkende Kraft
vergrößern bzw. es können Rückstellkräfte
erzeugt werden, die z. B. den Kolben 2 in 1 nach
links bewegen.
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Es
hat sich herausgestellt, dass mitunter aufgrund von Interferenz-
oder Beugungseffekten Störungen des Ultraschallsignals
auftreten, die eine präzise Bestimmung der Position des
Kolbens 2 erschweren.
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Es
wird angestrebt, dass die von dem Ultraschallwandler 6 abgegebenen
Ultraschallimpulse entlang einer einer Hauptachse des Zylinders 1 entsprechenden
Hauptrichtung 14 im Zylinder 1 verlaufen und senkrecht
auf die Stirnfläche 4 des Kolbens 2 auftreffen.
Aufgrund von z. B. Beugungseffekten werden unvermeidlich auch Ultraschallsignalanteile generiert,
die schräg zu der Hauptrichtung 14, also z. B.
entlang einer Nebenrichtung 15 verlaufen. Diese Signalanteile
erzeugen Störsignale, die sich mit dem unmittelbar von
der Stirnfläche 4 reflektierten Ultraschallsignal überlagern
können. Insbesondere können daher am Ort des Ultraschallwandlers 6 die
Signalanteile der unterschiedlichen Pfade 14, 15 interferieren,
die die Signale entlang der Innenwandung des Zylinders 1 und
der Stirnfläche 4 des Kolbens 2 genommen
haben. Dies führt zu Verformungen, Verstärkungen
oder Teilauslöschungen des Empfangssignals am Ultraschallwandler 6.
Da im Rohr des Zylinders 1 mehrere Schallausbreitungsmöglichkeiten über
die Rohrwandung mit unterschiedlichen Pfadlängen existieren,
kommt es zudem zu einer zeitlichen Verlängerung bzw. Verschiebung
der Empfangssignale. Die Unterschiedlichkeit der Empfangssignale
erschwert es, die Laufzeit des Ultraschallsignals längs
der Hauptrichtung 14 präzise zu messen.
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2 zeigt
typische Amplituden von Empfangssignalen, die als Echosignal zu
dem Ultraschallwandler 6 gelangen. Dabei wird in 2A ein Empfangssignal in annähernd
idealer Weise gezeigt, während 2B ein
gestörtes Empfangssignal darstellt.
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Aufgrund
der physikalischen Eigenschaften des Ultraschallwandlers 6 schwillt
ein Sendeimpuls über mehrere Schwingungsperioden, z. B. über
drei bis fünf Perioden bzw. Halbwellen, an. Das Sendesignal
ist in 2 nicht gezeigt und müsste auf der Zeitachse
weit links dargestellt werden. Das Empfangssignal weist eine entsprechende
Anzahl von anschwellenden Halbwellen auf, z. B. fünf in 2A. Der Anstieg des Signals ist durch
eine Kurve 16 gekennzeichnet. Der Beginn des Signalanstiegs
ist mit dem Bezugszeichen 17 markiert. Dem in 2A gezeigten und mit der Kurve 16 gekennzeichneten Hauptsignal
folgen nachfolgend noch schwächere Signalechos, die durch
Störungen hervorgerufen werden können.
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Zur
Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallimpulses wird die Amplitude
des Empfangssignals auf einen vorgegebenen konstanten Amplitudenwert 18 ausgesteuert
bzw. normiert. Mittels eines in der Auswerteeinrichtung 7 vorhandenen
Schwellwertkomparators wird das Signal überwacht und das Überschreiten
eines als Schwellwert 19 gekennzeichneten, vorgegebenen
zweiten Pegels erkannt. Der Moment des Überschreitens des
Schwellwerts 19 ist in 2A mit
dem Bezugszeichen 20A gekennzeichnet.
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Dem
Schwellwertkomparator ist zeitlich nachgeschaltet ein Nulldurchgangskomparator,
der präzise die Laufzeit des Signals genau zum nächsten darauf
folgenden, beispielsweise vom Negativen ins Positive verlaufenden
Nulldurchgang 21A des Signals detektiert.
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Vom
tatsächlichen Beginn des Signalanstiegs (Bezugszeichen 17)
bis zum Nulldurchgang 21 ist ein Zeitraum 22A verstrichen,
der einem vorgegebenen Signal-Offset entsprechen sollte. Wenn daher vom
Ultraschallwandler 6 die Signallaufzeit vom Senden eines
Impulses bis zum Nulldurchgang 21A des Signalechos ermittelt
worden ist, wird noch der Signal-Offset-Zeitraum 22A abgezogen,
um die tatsächliche Laufzeit des Signals vom Beginn des
Sendens bis zum Beginn des Signalanstiegs 17 zu bestimmen.
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Um
die Präzision dieser Messung zu erhalten, ist es erforderlich,
dass der vorgegebene Zeitraum 22 stets gleich ist bzw.
von dem Signalecho eingehalten werden kann. Dazu ist es erforderlich,
dass der Schwellwertkomparator bei jeder Messung die gleiche definierte
Halbwelle (Überschreiten des Schwellwerts zum Zeitpunkt 20)
erfasst. Um dies zu erreichen, muss die Kurve für den Signalanstieg 16 (Anstiegsflanke)
jeweils den gleichen Steigungsverlauf aufweisen und möglichst
steil sein.
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Durch
die oben beschriebenen Interferenzen und Signalverbreiterungen kommt
es jedoch zu stark wechselnden Signalformen, wie insbesondere in 2B gezeigt ist. Das dortige Echosignal
ist vor allem im Anstiegsverlauf stark deformiert und zeitlich gestreckt.
Der Zeitpunkt 20B des Überschreitens des Schwellwerts
erfolgt im Vergleich zu 2A deutlich später.
Dementsprechend wird auch der Nulldurchgang 21B erheblich
später detektiert. Der sich daraus ergebende Zeitraum 22B für
den Signal-Offset liegt erheblich über dem (korrekten)
Zeitraum 22A.
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Da
jedoch der dem Zeitraum 22 entsprechende Signal-Offset
in dem Ultraschallwandler 6 bzw. der Auswerteeinrichtung 7 vorgegeben
sein muss und damit für alle Messungen konstant ist, kann
die tatsächliche Laufzeit des Ultraschallsignals nicht
mehr präzise bestimmt werden. Eine Subtraktion des beispielsweise
vorgegebenen Signal-Offset-Zeitraums 22A von dem Zeitpunkt
für den Nulldurchgang 21B würde – wie
leicht erkennbar ist – nicht die Bestimmung des tatsächlichen
Beginns des Signalanstiegs 17 ermöglichen.
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Der
Schwellwertkomparator würde daher bei stark wechselnden
Signalformen an verschiedenen Halbwellen zu unterschiedlichen Zeiten 20A, 20B auslösen
und dementsprechend einen Fehler 23 generieren.
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Die
Schwingungsdauer eines Ultraschallsignals mit beispielsweise 1,25
MHz beträgt 800 ns, was bei einer Schallgeschwindigkeit
des Mediums von z. B. 1.500 m/s einer Wellenlänge von 1,2
mm entspricht. Es hat sich herausgestellt, dass sich das Empfangssignal
durch die genannten Interferenzen so stark verformen kann, dass
es zu einer Fehldetektion des Schwellwertkomparators um etliche,
beispielsweise fünf Wellenzüge kommen kann. Dies
entspricht einer Distanz von 12 mm bzw. einer Ungenauigkeit bei
der Messung der Kolbenposition in Höhe der halben bestimmten
Fehldistanz, also von 6 mm.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Bestimmen
der Position eines Kolbens in einem Zylinder anzugeben, mit der
eine präzisere Messung möglich ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung
nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Eine
Vorrichtung zum Bestimmen der Position eines Kolbens in einem Zylinder
weist eine Ultraschalleinrichtung zum Senden von Ultraschallsignalen
in das Innere des Zylinders und Empfangen von von dem Kolben reflektierten
Ultraschallsignalen auf. Die Signale werden im Inneren des Zylinders
in eine Richtung im Wesentlichen senkrecht auf eine Stirnfläche
des Kolbens geführt und von dort reflektiert. Auf der Stirnfläche
des Kolbens ist ein Vorsprung ausgebildet, der eine Stirnfläche
aufweist, die um eine bestimmte Höhe gegenüber
der restlichen Stirnfläche des Kolbens versetzt ist. Die
Stirnfläche des Vorsprungs kann zu der Stirnfläche
des Kolbens parallel stehen. Sie muss sich allerdings deutlich von
der restlichen Stirnfläche des Kolbens abheben. Insbesondere
ist die Stirnfläche des Vorsprungs derart gestaltet, dass
der Vorsprung in jeder im Betrieb erreichbaren Kolbenstellung isoliert
vorhanden ist, also dass eine an die Stirnfläche des Vorsprungs
angrenzende, zu der Stirnfläche des Kolbens führende
Seitenfläche des Vorsprungs frei steht und insbesondere nicht
unmittelbar an eine Innenfläche des Zylinders angrenzt.
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Weiterhin
ist eine Auswerteeinrichtung vorhanden, zum Auswerten einer Laufzeit
der Ultraschallsignale von der Ultraschalleinrichtung zu der Stirnfläche
des Vorsprungs und wieder zurück zu der Ultraschalleinrichtung,
sowie zum Bestimmen der Position des Kolbens aufgrund dieser Laufzeit
der Ultraschallsignale.
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Der
auf der Stirnfläche des Kolbens, die im Wesentlichen die
Ultraschallsignale reflektieren soll, ausgebildete Vorsprung bzw.
Fortsatz bildet somit eine gegenüber der Stirnfläche
des restlichen Kolbens versetzte weitere Stirnfläche, die
etwas näher zu der Ultraschalleinrichtung angeordnet ist.
Da der Vorsprung in jeder Kolbenstellung isoliert vorhanden sein
soll, kann er auch in den Endstellungen des Kolbens nicht in die
Nähe einer Innenfläche des Zylinders, z. B. an
einen von dem Zylinder gebildeten Anschlag gelangen. Vielmehr bildet
der Vorsprung die separate Stirnfläche, die, wie sich herausgestellt
hat, in dem Ultraschall-Echosignal mit großer Genauigkeit
identifiziert werden kann.
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Gegenüber
der am Vorsprung vorhandenen, erhabenen Stirnfläche ist
die restliche Stirnfläche des Kolbens entsprechend ausgeformt,
so dass eine an die Rohrinnenwand des Zylinders angrenzende, zurückgesetzte
Kolbenfläche entsteht. Die Stirnfläche des Vorsprungs
kann dabei parallel und direkt gegenüber einer Abstrahl fläche
der Ultraschalleinrichtung angeordnet sein. Insbesondere können
die Mittelachsen der Stirnfläche des Vorsprungs und der
Abstrahlfläche auf einer gleichen Achse ausgerichtet sein.
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Durch
die Anordnung wird bei entsprechender Wahl des Durchmessers der
Stirnfläche des Vorsprungs und ihrer Höhe gegenüber
der restlichen Stirnfläche des Kolbens erreicht, dass alle
Signalanteile, die von der Ultraschalleinrichtung wegen des beugungsbedingten Öffnungswinkels
z. B. einem Schallpfad in der Nebenrichtung folgen, über
die zurückgesetzte Kolben-Ringfläche laufen und
im Vergleich zu den Signalanteilen, die einer Hauptrichtung folgen,
räumlich und damit auch zeitlich versetzt werden, wodurch
sie verspätet an der Ultraschalleinrichtung auftreffen
und keine Interferenz des relevanten Echosignals bewirken.
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Als
Resultat ergeben sich Echosignale, deren erste Anstiegsflanken unabhängig
von der Stellung des Kolbens im Zylinderrohr identisch sind. Damit
wird eine genaue Erkennung der Anstiegsflanke eines Ultraschallsignals
mit einem Schwellwertkomparator möglich.
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Die
Ultraschalleinrichtung kann einen Ultraschallwandler zum Senden
und Empfangen der Ultraschallsignale aufweisen. Gegebenenfalls können für
das Senden und Empfangen der Ultraschallsignale auch getrennte Einrichtungen
vorgesehen werden.
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Der
Vorsprung bzw. insbesondere die Stirnfläche des Vorsprungs
kann achsensymmetrisch zu einer Hauptachse des Kolbens ausgebildet
sein.
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Dementsprechend
kann der Vorsprung bzw. insbesondere die Stirnfläche des
Vorsprungs einen kreisförmigen oder einen ringförmigen
Grundriss auf der restlichen Stirnfläche des Kolbens einnehmen.
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Der
Vorsprung kann integraler Bestandteil des Kolbens sein oder auch
als separates Bauelement auf dem restlichen Kolben befestigt, z.
B. aufgeschraubt werden. Dementsprechend kann der Vorsprung aus
dem gleichen Material wie der Kolben, aber auch aus einem anderen
Material bestehen.
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Der
Durchmesser des Vorsprungs kann wenigstens dem Durchmesser einer
wirksamen Sendefläche des Ultraschallwandlers, also der
Abstrahlfläche entsprechen. Damit ist eine ausreichend
große Stirnfläche des Vorsprungs gegeben, die
in genügendem Maße Ultraschallsignale reflektieren
kann.
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Der
Durchmesser des Vorsprungs sollte höchstens einem für
die Führung des Kolbens maßgeblichen Innendurchmesser
des Zylinders abzüglich dem Durchmesser der Sendefläche/Abstrahlfläche
des Ultraschallwandlers entsprechen. Jedenfalls sollte der Durchmesser
des Vorsprungs nur so groß sein, dass immer noch ein ausreichender
Abstand des Vorsprungs bzw. seiner Stirnfläche zu der den Kolben
führenden Innenwandung des Zylinders besteht, um die dort
entstehenden Stör-Echosignale zu vermeiden.
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Die
Höhe des Vorsprungs, nämlich ein Abstand zwischen
der Stirnfläche des Vorsprungs und der restlichen Stirnfläche
des Kolbens kann wenigstens einer halben Anstiegszeit des Ultraschallsignals multipliziert
mit der maximal möglichen Schallgeschwindigkeit in einem
von dem Kolben und dem Zylinder eingeschlossenen Medium entsprechen.
Bei Einhaltung dieser Vorschrift ist es gewährleistet,
dass die von der Stirnfläche des Vorsprungs reflektierten Impulse
rechtzeitig vor anderen Echosignalen zurück zum Ultraschallwandler
gelangen und auf diese Weise nicht durch Interferenzen oder andere
Effekte gestört werden können. Bei einem geringeren
Vorsprung, also einem kleineren Abstand zwischen der Stirnfläche
des Vorsprungs und der des Kolbens ist eine saubere Trennung der
Signale nicht mehr ohne Weiteres möglich.
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Eine
Obergrenze für die Höhe des Vorsprungs gibt es
in physikalischer Hinsicht nicht. Jedoch wird es das Bestreben sein,
den Bauraum nicht ohne weiteren Nutzen unnötig durch Verlängern
des Kolbens und des Zylinders zu vergrößern.
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Auf
der Innenseite des Zylinders kann ein Anschlag vorgesehen sein,
zum Anschlagen der restlichen Stirnfläche des Kolbens und
damit Definieren einer Endstellung für den Kolben. Der
Anschlag kann derart gestaltet sein, dass dann, wenn sich der Kolben
in der Endstellung befindet, der Teil der restlichen Stirnfläche
des Kolbens, der nicht den Anschlag berührt, Kontakt zu
dem Medium hat. Somit ist auch in der Endstellung, bei der ein Teil
der Stirnfläche des Kolbens an dem Anschlag anliegt, der
Vorsprung vollständig von dem Medium umgeben, so dass auch in
dieser Position Ultraschallsignale, die von dem Vorsprung reflektiert
werden, empfangen und verarbeitet werden können. Auch in
dieser Kolbenstellung soll demnach der Vorsprung isoliert vorhanden
sein und nicht durch Anlage an eine Anschlagfläche in seiner
Wirkung aufgehoben werden.
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Das
Medium kann ein übliches Fluid sein. z. B. Hydrauliköl,
Wasser oder Gas (Luft).
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Es
kann zweckmäßig sein, dass dann, wenn sich der
Kolben in der Endstellung befindet, zwischen dem Vorsprung des Kolbens
und dem Anschlag des Zylinders ein auf einer Seite durch einen Teil
der Stirnfläche des Kolbens begrenzter Ringspalt vorhanden
ist. Der Ringspalt ermöglicht eine deutliche konstruktive
Trennung zwischen dem Vorsprung bzw. der Stirnfläche des
Vorsprungs einerseits und dem zum Zylinder gehörenden Anschlag
andererseits, um dementsprechend reflektierte Echosignale unterscheiden
zu können.
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Die
Ultraschalleinrichtung kann eine Axial-Ultraschalleinrichtung sein
und an einem stirnseitigen Ende des Zylinders angeordnet werden.
Die Ultraschallsignale werden dann von dem Ultraschallwandler im
Wesentlichen axial entlang der Hauptrichtung in den Zylinder gesendet.
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Die
Ultraschalleinrichtung kann jedoch auch eine Umlenkeinrichtung aufweisen,
zum Umlenken der von dem Ultraschallwandler gesendeten Ultraschallsignale
hin zu der Stirnfläche des Kolbens bzw. zum Umlenken der
von der Stirnfläche des Kolbens reflektierten Ultraschallsignale
zurück zu dem Ultraschallwandler. Als Stirnfläche
des Kolbens ist hierbei stets die gesamte Stirnfläche,
also auch einschließlich der Stirnfläche des Vorsprungs
auf dem Kolben zu verstehen. Die Umlenkeinrichtung stellt also sicher,
dass die Ultraschallsignale nicht gradlinig von dem Ultraschallwandler
zu der Stirnseite des Kolbens geführt werden müssen,
sondern auch an wenigstens einer Stelle eine Umlenkung erfahren
können.
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Die
Ultraschalleinrichtung kann eine Quer-Ultraschalleinrichtung sein
und seitlich an dem Zylinder angeordnet werden. Die Ultraschallsignale werden
dann von dem Ultraschallwandler im Wesentlichen quer zu einer Hauptachsrichtung
des Zylinders in den Zylinder gesendet und durch die Umlenkeinrichtung
um einen Winkel von z. B. 90° in Richtung des Kolbens umgelenkt.
Diese Anordnung ermöglicht es, dass die Ultraschalleinrichtung
nicht am stirnseitigen Ende längs des Zylinders platziert
wird, sondern seitlich, z. B. auf einer Mantelfläche des
Zylinders, wobei die Ultraschallsignale dann im Inneren des Zylinders
umgelenkt werden, um den Kolben in der üblichen Weise senkrecht
zu treffen.
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Der
Kolben kann mit einer Kolbenstange verbunden sein, die axial an
einem stirnseitigen Ende aus dem Zylinder geführt wird.
An dem stirnseitigen Ende des Zylinders, an dem die Kolbenstange
nicht ausgeführt wird, kann die Axial-Ultraschalleinrichtung angeordnet
werden, während in einem Bereich des stirnseitigen Endes
des Zylinders, an dem die Kolbenstange ausgeführt wird,
die Quer-Ultraschalleinrichtung vorgesehen ist. Auf diese Weise
kann die Position des Kol bens von beiden Seiten gleichzeitig erfasst
und damit mit höherer Genauigkeit bestimmt werden. Die
Quer-Ultraschalleinrichtung ermöglicht es, Ultraschall
auch auf der Seite des Kolbens einzuleiten, die bereits weitgehend
durch die Kolbenstange ausgefüllt ist. Außerdem
kann der Messbereich, nämlich die Messlänge verlängert
bzw. eine Redundanz der Messsysteme für erhöhte
Sicherheitsanforderungen erreicht werden.
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Der
Kolben kann in einer Hauptkammer des Zylinders axial bewegbar sein
und an seiner Stirnfläche eine Stufe aufweisen, auf der
wiederum der Vorsprung ausgebildet ist. In dem Zylinder kann entsprechend
eine stirnseitig an die Hauptkammer angrenzende Teilkammer ausgebildet
sein, deren Innengeometrie derart gestaltet ist, dass die Stufe
wenigstens teilweise in die Teilkammer eindringen kann und die Teilkammer
dadurch durch die Stufe von der Hauptkammer abgetrennt ist. Das
bedeutet, dass die Stufe zwar zunächst eine ähnliche
Form wie der Vorsprung haben kann und von der restlichen Stirnfläche
des Kolbens vorsteht. Jedoch ist die Stufe nicht in jeder Betriebsstellung
des Kolbens isoliert vorhanden, sondern kann kurz vor Erreichen
einer Endstellung des Kolbens weitgehend passgenau in die Teilkammer eindringen
und dabei – von einem Schmierfilm abgesehen – die
Teilkammer weitgehend von der Hauptkammer trennen. Die Stufe berührt
die Teilkammer dabei bzw. zwischen der Stufe und der Wandung der Teilkammer
verbleibt ein nur noch sehr kleiner Spalt. Auf diese Weise lässt
sich eine Endlagendämpfung des Kolbens erreichen, wenn
das in der Teilkammer eingeschlossene Fluid nur noch langsam aus
der Teilkammer entweichen kann.
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Auch
dann, wenn die Stufe in die Teilkammer eingedrungen ist, bleibt
hingegen der Vorsprung isoliert vorhanden, so dass der Vorsprung
nach wie vor auf dem Kolben bzw. der Stufe frei steht.
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Die
Ultraschalleinrichtung kann eine Referenzfläche aufweisen,
deren Abstand zu dem Ultraschallwandler vorbestimmt ist. Durch die
Auswerteeinrichtung kann aufgrund der Laufzeit eines Ultraschallsignals
zwischen dem Ultraschallwandler und der Referenzfläche
eine Schallgeschwindigkeit in dem Medium ermittelt werden, wie dies
z. B. in der
DE 103
22 718 A1 beschrieben ist. Somit kann die Auswerteeinrichtung
aufgrund der Laufzeit zur Referenzfläche stets aktuell
die Schallgeschwindigkeit bestimmen, auch wenn sich die Schallgeschwindigkeit z.
B. durch Temperatur- oder Druckänderungen des Mediums oder
durch das Medium selbst ändert. Damit lässt sich
eine hohe Messgenauigkeit auch bei sich ändernden Messbedingungen
erreichen.
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Die
Referenzfläche kann mit dem Ultraschallwandler eine bauliche
Einheit bilden.
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Ebenso
ist es möglich, dass die Referenzfläche in die
Umlenkeinrichtung integriert ist, wenn eine solche vorhanden ist.
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Eine
andere Vorrichtung zum Bestimmen der Position eines Kolbens in einem
Zylinder weist ebenfalls eine Ultraschalleinrichtung auf, wobei
an der Ultraschalleinrichtung eine Umlenkeinrichtung vorhanden ist,
zum Umlenken der von der Ultraschalleinrichtung gesendeten Ultraschallsignale
hin zu der Stirnfläche des Kolbens oder zum Umlenken der
von der Stirnfläche des Kolbens reflektierten Ultraschallsignale
zurück zu der Ultraschalleinrichtung.
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Diese
Vorrichtung bietet eine gute Ergänzung zu der oben beschriebenen
Vorrichtung, bei der die Stirnfläche des Kolbens einen
Vorsprung trägt. Die mit der Umlenkeinrichtung ausgestattete
Ultraschalleinrichtung erfordert es nicht, dass an dem Kolben ein
derartiger Vorsprung vorhanden ist, wenn die Vorrichtung insbesondere
auf der Kolbenstangenseite eines Zylinders eingesetzt wird. Dort
ist der Raum zwischen Kolben und Zylinder weitgehend durch die Kolbenstange
ausgefüllt, so dass nur ein relativ schmaler Ringraum für
das Medium und damit die Ultraschallsignale zwischen der Innenwandung
des Zylinders, der rückwärtigen Stirnseite des
Kolbens und der Kolbenstange verbleibt. Es hat sich herausgestellt,
dass die Interferenzeffekte in einem derart schmalen Raum geringer
und damit tolerierbar sind.
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Diese
und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend
anhand von Beispielen unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung durch eine bekannte Kolben-Zylindereinheit
mit Ultraschalleinrichtung;
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2 Ultraschall-Empfangssignale
bei ungestörtem Empfang (2A)
und gestörtem Empfang (2B);
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3 eine
Kolben-Zylindereinheit mit Ultraschalleinrichtung;
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4 Signalverläufe
von Echosignalen;
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5 eine
andere Ausführungsform einer Kolben-Zylindereinheit mit
Ultraschalleinrichtung;
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6 wiederum
eine andere Ausführungsform einer Kolben-Zylindereinheit;
und
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7 eine
weitere Ausführungsform einer Kolben-Zylindereinheit.
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Anhand
von 1 wurde oben bereits eine bekannte Kolben-Zylindereinheit
mit Ultraschallmessvorrichtung beschrieben. Sofern bei den nachfolgend
beschriebenen Ausführungsformen identische oder ähnliche
Bauelemente eingesetzt werden, werden daher gleiche Bezugszeichen
wie in 1 verwendet.
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Bei
der in 3 gezeigten Ausführungsform einer Kolben-Zylindereinheit
ist auf einer einem Ultraschallwandler 6 zugewandten Stirnfläche 4 eines Kolbens 2 ein
Vorsprung 30 vorgesehen. Der Vorsprung 30 weist
eine Stirnfläche 31 auf, die um einen Abstand
bzw. eine Höhe 32 von der restlichen Stirnfläche 4 des
Kolbens 2 abgesetzt ist. Von der Stirnfläche 31 verläuft
eine zylinderförmige Seitenfläche 31a zur
restlichen Stirnfläche 4 des Kolbens 2.
Der Vorsprung 30 bildet insofern eine Warze auf dem Kolben 2.
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Die
restliche Stirnfläche 4 des Kolbens 2 grenzt
an eine Innenwandung 33 des Zylinders 1 an und
ist gegenüber der Stirnfläche 31 des
Vorsprungs 30 axial zurückgesetzt.
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Die
Stirnfläche 31 des Vorsprungs 30 ist
parallel und direkt gegenüber einer Sende- bzw. Abstrahlfläche 34 des
Ultraschallwandlers 6 angeordnet. Dementsprechend sind
die Mittelachsen der Stirnfläche 31 und der Abstrahlfläche 34 auf
einer gemeinsamen Achse 35 angeordnet, die im gezeigten Beispiel
gleichzeitig der Hauptachse des Zylinders 1 bzw. des Kolbens 2 entspricht.
Die Abstrahlfläche 34 kann einen Durchmesser zwischen
6 und 20 mm aufweisen.
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Durch
die Anordnung wird bei entsprechender Wahl eines Durchmessers 36 der
Stirnfläche 31 sowie der Höhe 32 der
Stirnfläche 31 erreicht, dass die Signalanteile,
die vom Ultraschallwandler 6 aufgrund des beugungsbedingten Öffnungswinkels
dem Schallpfad entlang der Nebenrichtung 15 folgen, über
die ringförmige Stirnfläche 4 des Kolbens 2 laufen
und im Vergleich zu den Signalanteilen, die der Hauptrichtung 14 folgen,
räumlich und damit auch zeitlich versetzt werden, wodurch
die Echosignale verspätet am Ultraschallwandler 6 auftreffen,
so dass es zu keiner Interferenz im Bereich des Signalanstiegs kommt.
Als Resultat ergeben sich Echosignale, deren erste Anstiegsflanke
unabhängig von der Stellung des Kolbens 2 im Zylinder 1 identisch
ist, wie später noch anhand von 4 erläutert
wird. Damit wird eine genaue Erkennung der Anstiegsflanke des Ultraschallsignals
mit einem Schwellwertkomparator ermöglicht.
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Der
Durchmesser 36 der Stirnfläche 31 sollte wenigstens
einem Durchmesser 34b der Abstrahlfläche 34 des
Ultraschallwandlers 6 entsprechen, so dass keine Nutzsignalanteile,
die zwischen dem Ultraschallwandler 6 und dem Vorsprung 30 direkt
hin- und herlaufen, verloren gehen.
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Andererseits
sollte der Durchmesser 36 des Vorsprungs 30 höchstens
einem Innendurchmesser 37 des Zylinders 1, also
der Innenwandung 33, abzüglich dem Durchmesser
der Abstrahlfläche 34 des Ultraschallwandlers 6 entsprechen,
weil ansonsten Signalanteile, die der Nebenrichtung 15 folgen,
wieder über den Vorsprung 30 laufen und die oben
beschriebenen Interferenzen verursachen.
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Für
den Abstand bzw. die Höhe 32 der Stirnfläche 31 des
Vorsprungs 30 gegenüber der restlichen Stirnfläche 4 des
Kolbens 2 gilt, dass diese mindestens der halben Anstiegszeit
des Ultraschallsignals multipliziert mit der maximalen Schallgeschwindigkeit
im Medium entsprechen soll. Erstreckt sich beispielsweise die Anstiegsflanke
des Ultraschallsignals über vier Periodendauern, so ergibt
sich bei einer Wellenlänge von 1,2 mm (bei einer Signalfrequenz
von 1,25 MHz und einer Schallgeschwindigkeit von 1.500 m/s) eine
minimal notwendige Höhe 32 des Vorsprungs 30 von
(4·1,2 mm)/2 = 4,8 mm/2 = 2,4 mm. Eine Höhe 32 von
z. B. 3 mm wäre daher voll ausreichend.
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An
der Innenwandung 33 des Zylinders 1 ist gemäß 3 ein
ringförmiger Anschlag 38 vorgesehen, gegen den
die Stirnfläche 4 des Kolbens 2 anschlagen
kann.
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Durch
die Gestaltung des Anschlags 38 wird erreicht, dass zwischen
dem Vorsprung 30 und dem ringförmigen Anschlag 38 ein
Ringspalt mit der Breite 39 bleibt, auch dann, wenn der
Kolben 2 am Anschlag 38 anliegt. Der Ringspalt 39 sorgt
dafür, dass stets das Medium, beispielsweise Hydrauliköl,
ungehindert zu der Leitung 11 fließen kann. Zum
anderen wird durch den Ringspalt 39 sichergestellt, dass
der Vorsprung 30 isoliert bleibt, also sich nicht in die Nähe
der Innenwandung 33 des Zylinders 1 erstreckt.
Ohne den Ringspalt 39 würde die oben erläuterte
Gefahr von Interferenzbildung bestehen.
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4 zeigt
Echosignale für zwei unterschiedliche Kolbenstellungen
im Zylinder 1 (4A und 4B). Es ist deutlich erkennbar, dass der
Signalanstieg 16 unabhängig von der Kolbenstellung
nahezu identisch ist. Auch der jeweilige tatsächliche Offset-Zeitraum 22 unterscheidet
sich nicht. Die Frequenz des Ultraschallsignals kann z. B. zwischen
300 kHz und 3 MHz liegen.
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Im
weiteren zeitlichen Verlauf der Ultraschallsignale sind Signalanteile 40 erkennbar,
die von Signalen stammen, die Schallpfaden über die Nebenrichtungen 15 gefolgt
sind und nun zeitlich versetzt zu der ersten Anstiegsflanke 16 ankommen. Diese
Signalanteile 40 lassen sich deutlich von den für
die Bestimmung der laufzeitrelevanten Signalanteilen des Signalanstiegs 16 unterscheiden,
so dass eine genaue Erkennung des Ultraschallsignals ermöglicht
wird.
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Der
Vorsprung 30 bzw. die von dem Vorsprung 30 getragene
Stirnfläche 31 ist bei der in 3 gezeigten
Ausführungsform kreisrund ausgebildet.
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Wenn
der Abstand zwischen dem Kolben 2 und dem Signalwandler 6 größer
wird, werden die von der restlichen Stirnfläche 4 des
Kolbens 2 reflektierten Signalanteile im Verhältnis
stärker als die von der Stirnfläche 31 des
Vorsprungs 30. Dementsprechend besteht die Möglichkeit,
dass das erste Anstiegssignal, dass durch den Signalanstieg 16 gekennzeichnet
ist, geringer wird als z. B. die Signalanteile 40, die
unter anderem von der Stirnfläche 4 des Kolbens 2 reflektiert
werden können. Um in diesem Fall dennoch eine präzise
Erkennung des dann verhältnismäßig schwächeren
Signalanteils am Signalanstieg 16 zu ermöglichen,
wird der stärkere Signalanteil 40 für
eine Groberkennung der Position des Kolbens 2 herangezogen.
Dabei wird unterstellt, dass der Signalanstieg 16 von der
Stirnfläche 31 des Vorsprungs 30 einige
Perioden früher am Signalwandler 6 detektiert
wird, so dass das gesamte Echosignal entsprechend ausgewertet werden
kann. Insbesondere kann von dem Eingang des Signalanteils 40 ausgehend
geprüft werden, ob vorher bereits ein schwächerer
Signalanstieg 16 festgestellt werden kann.
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5 zeigt
eine ähnliche Anordnung wie 3, bei der
jedoch der Vorsprung 30 kreisringförmig gestaltet
ist und dementsprechend auch die Stirnfläche 31 eine
Kreisringform aufweist. Der Vorsprung 30 bzw. die Stirnfläche 31 bilden
somit einen konzentrischen Ring um die Hauptachse 35 des
Zylinders 1.
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Der
Ultraschallwandler 6 ist außermittig zu der Hauptachse 35 angeordnet
und derart platziert, dass seine kreisrunde Abstrahlfläche 34 gegenüber von
einem Teil der Stirnfläche 31 des Vorsprungs 30 steht.
Dadurch steht dem Ultraschallwand ler 6 unabhängig
von der rotatorischen Ausrichtung des Kolbens 2 stets eine
entsprechende erhabene Reflexionsfläche gegenüber.
Dies kann beispielsweise dann sinnvoll sein, wenn in der zentralen
Position auf der Hauptachse 35 kein Platz zur Positionierung
des Ultraschallwandlers 6 zur Verfügung steht.
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Die
ringförmige Stirnfläche 31 mit dem Vorsprung 30 kann,
wie 5 zeigt, auf der Kolbenseite vorgesehen werden. 6 zeigt
eine Alternative, bei der die ringförmige Stirnfläche 31 auf
der so genannten "Stangenseite", also auf der Seite der Kolbenstange 3 angebracht
ist. Zur Unterscheidung des Vorsprungs auf der Kolbenseite (in 6 Bezugszeichen 30A)
wird der stangenseitige Vorsprung mit dem Bezugszeichen 30B gekennzeichnet.
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Bei
dem in 6 gezeigten Einbau eines Ultraschallwandlers auf
der Seite der Kolbenstange 3 ist es aus baulichen Gründen
vorteilhaft, dass der durch einen konzentrischen Ring gebildete
Vorsprung 30B innen durch die Kolbenstange 3 radial begrenzt
wird. Lediglich außen sollte ein Ringspalt 41 bestehen,
um die gewünschte Abgrenzung gegenüber der Innenwandung
des Zylinders 1 zu erreichen.
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Entsprechend
dem oben bereits erläuterten Anschlag 38 ist auf
der Stangenseite ein weiterer ringförmiger Anschlag 38B vorgesehen.
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Der
Einbau auf der Seite der Kolbenstange 3 kann beispielsweise
bei Gleichgangzylindern erforderlich sein, die beidseitig mit einer
beweglichen Kolbenstange 3 bestückt sind, so dass
hier nur noch ein außeraxialer Einbau des Ultraschallwandlers 6 möglich
ist.
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Für
den Einbau des Ultraschallwandlers 6 steht auf der Seite
der Kolbenstange 3 im Zylinder 1 meist nicht so
viel Bauraum zur Verfügung, dass der Ultraschallwandler
parallel oder koaxial zu der Hauptachse 35 ausgerichtet
werden kann.
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Daher
zeigt 6 als Variante einen Ultraschallwandler 6B,
der ebenfalls mit einer Auswerteeinrichtung 7B gekoppelt
ist. Der Ultraschallwandler 6B ist seitlich am Zylinder 1 im
Bereich von dessen Stirnseite angebracht und leitet Ultraschallsignale
zunächst radial in den Zylinderinnenraum, wo sie an einem
als Umlenkeinrichtung dienenden Umlenkspiegel 42 um 90° derart
umgelenkt werden, dass sie nachfolgend parallel zu der Hauptachse 35 in
Richtung des Vorsprungs 30B verlaufen, wie auch der Pfeil 43 zeigt.
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In
dem Umlenkspiegel 42 kann zusätzlich noch eine
Referenzfläche 44 integriert sein, die der oben
beschriebenen Referenzfläche 9 entspricht und zur
Messung der Schallgeschwindigkeit in dem Medium genutzt werden kann.
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Mit
Hilfe des querstehenden Ultraschallwandlers 6B und des
Umlenkspiegels 42 ist es möglich, Ultraschallwellen
auch in einen sehr schmalen Ringspalt 41a zwischen der
Kolbenstange 3 und der Innenwandung 33 des Zylinders 1 einzuleiten.
Die von dem Vorsprung 30B reflektierten Ultraschallsignale
werden über den Umlenkspiegel 42 wieder zurück
zu dem Ultraschallwandler 6B geführt, wo die Laufzeit
bestimmt werden kann.
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7 zeigt
eine Ausführung, bei der auf dem Kolben 2 eine
Stufe 45 ausgebildet ist, die ihrerseits wiederum den Vorsprung 30 trägt.
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Der
Durchmesser der Stufe 45 ist mit einem Innendurchmesser 46 einer
Teilkammer 47 derart abgestimmt, dass die Stufe 45 in
die Teilkammer 47 eindringen kann und dadurch die Teilkammer 47 von
einer Hauptkammer 48 des Zylinders 1 abtrennt.
Aufgrund von getrennten Leitungen 11A (zur Teilkammer 47)
und 11B (zur Hauptkammer 48) ist es möglich, die
Bewegung des Kolbens 2 kurz vor Erreichen seiner stirnseitigen
Endlage (in 7 die linke Endlage) zu dämpfen.
Dies ist insbesondere möglich, wenn der Ölabfluss
aus der Teilkammer 47 über die Leitung 11A nur
verzögert erfolgen kann.
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Für
die Funktion dieser Endlagendämpfung, die in ähnlicher
Form auch in der
US 4,543,649 beschrieben
ist, setzt voraus, dass die Stufe
45 weitgehend passgenau
auf den Innendurchmesser
46 der Teilkammer
47 abgestimmt
ist, so dass nur geringe Ölmengen noch aus der Teilkammer
47 in
die Hauptkammer
48 strömen können.
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Der
Vorsprung 30 hingegen ist deutlich abgesetzt und dadurch
isoliert. Zwischen dem Vorsprung 30 und dem Außendurchmesser
der Stufe 45 ist ein breiter Ringspalt gegeben, der die
Trennung des Vorsprungs 30 von Innenwänden des
Zylinders 1 auch dann ermöglicht, wenn die Stufe 45 in
die Teilkammer 47 eingedrungen ist.
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Der
Durchmesser des Vorsprungs 30 darf hierbei maximal dem
Innendurchmesser 46 der Teilkammer 47 abzüglich
dem Durchmesser der Abstrahlfläche 34 des Ultraschallwandlers 6 entsprechen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10322718
A1 [0002, 0007, 0047]
- - US 4543649 [0003, 0086]