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Die
Erfindung betrifft ein hydraulisches System mit einer verstellbaren
hydrostatischen Maschine, einer mit der hydrostatischen Maschine
zusammenwirkenden Stellvorrichtung und einem Regelventil, wobei
die Stellvorrichtung zumindest einen ersten Stellkolben aufweist,
der an einer Stellkolbenfläche mit einem Stelldruck beaufschlagt
ist, und wobei das Regelventil ein Regelelement aufweist, das in
Richtung einer ersten Endstellung des Ventils mit einer von der
Position des ersten Stellkolbens abhängigen Kraft beaufschlagt
ist und das zur Einstellung einer Regelventilstellung an einem zweiten
Ende mit einer Stellkraft beaufschlagt ist.
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Aus
der
DE 199 49 169
C2 ist ein hydrostatisches System mit einer in einem offenen
Kreislauf angeordneten verstellbaren Hydropumpe bekannt. Der Verstellmechanismus
der Hydropumpe wird durch eine Stellvorrichtung betätigt.
Die Stellvorrichtung weist einen Stellkolben auf, der einen in einem Stellzylinder
ausgebildeten Stelldruckraum begrenzt. Der in dem Stelldruckraum
herrschende Stelldruck wird durch ein Regelventil geregelt. Der
Stelldruckraum ist zum Einstellen eines auf die Stellkolbenfläche
des Stellkolbens wirkenden Stelldrucks über das Regelventil
variabel mit einer förderseitigen Arbeitsleitung der Hydropumpe
oder einem Tankvolumen verbindbar.
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Das
Regelventil weist als Ventilelement einen Ventilkolben auf, der
an einem ersten Ende mit der Kraft einer Rückkoppelfeder
beaufschlagt ist. Die Rückkoppelfeder stützt sich
einerseits an einem Ende des Ventilkolbens und andererseits an der
mit dem Stelldruck beaufschlagten Kolbenfläche des Stellkolbens
ab. Die durch die Rückkoppelfeder auf dem Ventilkolben
erzeugte Kraft ist damit abhängig von der Position des
Stellkolbens. In der entgegen gesetzten Richtung wirkt auf den Ventilkolben
die Kraft eines Elektromagneten. In Abhängigkeit eines Steuersignals
für den Elektromagneten wird damit eine proportionale Verstellung
des Stellkolbens abhängig von einem Steuersignal des Proportionalmagneten
erreicht.
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Zwar
erlaubt das vorgeschlagene hydrostatische System aufgrund der Anordnung
der Rückkoppelfeder einerseits und des Proportionalmagneten anderseits
eine einfache Integration in eine Pumpeneinheit. Es ist jedoch nachteilig,
dass eine Mittelposition des Stellkolbens bei verschwindendem Steuersignal
nicht möglich ist und eine in zwei entgegen gesetzte Richtungen
verstellbare hydrostatische Maschine nur durch Erzeugung einer Steuerkraft
durch den Proportionalmagneten in ihre Neutralstellung gebracht
werden kann.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein hydrostatisches System
zu schaffen, welches ausgehend von einer Ruheposition bei verschwindendem Steuersignal
in zwei entgegen gesetzte Richtungen verschwenkbar ist.
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Die
Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße hydraulische
System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße hydraulische System weist eine
verstellbare hydrostatische Maschine, eine mit einem Verstellmechanismus
der hydrostatischen Maschine zusammenwirkende Stellvorrichtung und
ein Regelventil auf.
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Die
Stellvorrichtung weist zumindest einen Stellkolben auf, der zumindest
an einer Stellkolbenfläche mit einem Stelldruck beaufschlagt
ist. Das Regelventil weist als Regelelement einen Ventilkolben auf,
der mit einer von der Position des Stellkolbens abhängigen
Kraft beaufschlagt ist. Zur Einstellung der gewünschten
Stellung des Verstellmechanismus ist das Regelelement mit einer
durch Betätigungsmittel erzeugbaren Steuerkraft beaufschlagbar.
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Durch
das Vorsehen einer an dem Regelelement angreifenden und entgegen
der von der Position des Stellkolbens abhängigen Kraft
wirkenden Gegenkraft kann auch bei verschwindenden Steuersignalen,
wenn keine Steuerkraft auf das Regelelement erzeugt wird, eine Kräftegleichgewicht
an dem Regelventil in einer Ruheposition des ersten Stellkolbens
erreicht werden. Da die durch das Betätigungsmittel erzeugte
Steuerkraft gleichsinnig mit der Gegenkraft oder entgegen gesetzt
zu ihr gerichtet ist, kann durch das Betätigungsmittel
ausgehend von der durch die Gegenkraft bestimmten Ruheposition der Stellvorrichtung
bei verschwindendem Steuersignal, die Stellvorrichtung in zwei entgegen
gesetzte Richtungen ausgelenkt werden. Das erfindungsgemäße hydrostatische
System hat daher den Vorteil, dass nicht nur eine Verstellung eine
Hydropumpe zwischen z. B. einem Nullfördervolumen und ihrem
maximalen Fördervolumen möglich ist, sondern dass auch
in entgegen gesetzte Richtungen verschwenkbare hydrostatische Maschinen,
wie beispielsweise für zwei Förderrichtungen vorgesehene
Pumpen oder aber eine Pumpe/Motor-Einheit, wie sie in Bremsenergie-Rückgewinnungseinrichtungen
verwendet wird, in einfacher Weise angesteuert werden kann.
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In
den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des
erfindungsgemäßen hydraulischen Systems ausgeführt.
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Die
Gegenkraft wird bevorzugt durch eine Feder erzeugt und die Steuerkraft
ist vorzugsweise in beide Kraftrichtungen stetig einstellbar.
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Das
Betätigungsmittel umfasst vorzugsweise zwei, in entgegen
gesetzte Richtungen auf den Ventilkolben wirkende Proportionalmagnete.
Solche Proportionalmagnete sind einfach aufgebaut und preiswert
verfügbar.
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Insbesondere
ist es vorteilhaft, dass durch die Ansteuerung beider Stellrichtungen
durch lediglich einen Aktuator als Betätigungsmittel eine
einfache Integration des Regelventils in eine hydrostatische Maschine
möglich ist, bei der die mit der positionsabhängigen
Kraft beaufschlagte Seite des Regelelements nicht zugänglich
ist.
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Das
Betätigungsmittel ist gemäß einer alternativen
Ausführung bevorzugt als Doppelhubmagnet mit einer ersten
Wicklung und einer zweiten Wicklung ausgeführt. Dabei wird
durch jede der Wicklungen eine Kraft in jeweils einer der entgegen
gesetzten Kraftrichtungen erzeugt. Mit einem solchen Aktuator kann
durch Beaufschlagen der ersten oder der zweiten Wicklung die Kraftrichtung
und auch die Größe der Kraft in einfacher Weise
durch zwei individuelle Steuersignale vorgegeben werden. Insbesondere
ist es möglich, das hydrostatische System in einfacher Weise
unter Verwendung eines elektronischen Steuergeräts anzusteuern.
Die Verwendung lediglich eines Aktuators für beide Kraftrichtungen
hat dabei weiterhin den Vorteil, dass der Leitungs- und Steckeraufwand
klein gehalten werden kann.
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Ein
besonders einfacher Aufbau wird erreicht, wenn die Rückkoppelfeder
zwischen dem Stellkolben und dem Ventilkolben angeordnet ist.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, dass die hydrostatische Maschine bei verschwindender
Steuerkraft und einem Kräftegleichgewicht zwischen der
Gegenkraft und der von der Position des Stellkolbens abhängigen
Kraft auf das Regelelement auf ein von Null verschiedenes Fördervolumen
eingestellt ist. Durch eine solche Einstellung in der Ruheposition
des hydrostatischen Systems auf ein von Null verschiedenes Fördervolumen
ist es gewährleistet, dass nach Inbetriebnahme und bei
verschwindendem Steuersignal bereits ein Minimalfördervolumen
durch die hydrostatische Maschine gefördert wird. Aufgrund
dieses minimalen Fördervolumens existiert in dem hydraulischen
System bereits ein leicht erhöhter Druck, der genutzt werden
kann, um die Stellvorrichtung der hydrostatischen Maschine zu betätigen.
Durch die besagte Einstellung in der Ruheposition wird weiterhin
vermieden, dass bei der hydrostatischen Maschine Ansaugprobleme
aufgrund falscher Schwenkseite auftreten.
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Die
Stellvorrichtung weist vorzugsweise zusätzlich zu dem Stellkolben,
der die hydrostatische Maschine ausgehend von einer Ruheposition
in Richtung einer ersten Endposition mit einer Stellkraft beaufschlagt,
einen weiteren, auch Gegenkolben genannten Stellkolben auf, der
die hydrostatische Maschine in entgegen gesetzter Richtung ausgehend von
der Ruheposition in Richtung einer zweiten Endposition mit einer
Stellkraft beaufschlagt. Eine solche Aufteilung der Stellvorrichtung
in einen ersten Stellkolben für eine erste Bewegungsrichtung
und einen zweiten Stellkolben für eine zweite Bewegungsrichtung
hat den Vorteil, dass der zur Verfügung stehende Bauraum
in beispielsweise einer hydrostatischen Axialkolbenmaschine besonders
effizient ausgenutzt werden kann. So ist es möglich, die
beiden Stellkolben und die Stellzylinder, in denen die Stellkolben
angeordnet werden, auf gegenüberliegenden Seiten einer
Schwenkwiege oder Schrägscheibe anzuordnen. Durch den jeweiligen
Stellkolben sind dabei nur Druckkräfte auf die Schwenkwiege
zu übertragen, was die mechanische Kopplung zwischen dem
Stellkolben und der hydrostatischen Maschine vereinfacht.
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Der
durch die Kolbenfläche des Stellkolbens begrenzte Stelldruckraum
ist vorzugsweise über das Regelventil mit einer Stelldruckquelle
verbindbar. Dabei ist die Stelldruckquelle insbesondere über
eine Verbindungsleitung, in der ein Druckreduzierventil angeordnet
ist, mit dem Regelventil verbunden. Die Verbindungsleitung mit dem
darin vorgesehenen Druckreduzierventil hat den Vorteil, dass mittels
des Druckreduzierventils ein gegenüber dem Arbeitsdruck
reduzierter Eingangsdruck erzeugt wird. Damit kann als Stelldruckquelle
ein beispielsweise von verschiedenen Betriebssituationen des hydrostatischen Systems
abhängiger Druck verwendet werden. Insbesondere kann der
Förderdruck der hydrostatischen Maschine als Stelldruckquelle
vorgesehen sein. Ferner ist es besonders vorteilhaft, bei Verwendung
des Druckreduzierventils in der Verbindungsleitung die Stellvorrichtung
durch einen ersten Stellkolben und einen zweiten Stellkolben zu
realisieren. Dabei hat der zweite Stellkolben eine im Vergleich
zu dem ersten Stellkolben kleinere Kolbenfläche, die unmittelbar mit
dem Arbeitsdruck der hydrostatischen Maschine beaufschlagt ist.
Durch die Reduzierung des aus dem Arbeitsdruck der hydrostatischen
Maschine gewonnenen Stelldrucks bei gleichzeitig größerer
Kolbenfläche des ersten Stellkolbens wird erreicht, dass
der Stellmechanismus der hydrostatischen Maschine zu jedem Zeitpunkt
hydraulisch eingespannt ist. Trotzdem werden die maximal möglichen
Stelldrücke des ersten Stellkolbens gegenüber
dem tatsächlichen Arbeitsdruck reduziert. Insbesondere
ist dadurch das Betätigungsmittel, aber auch das Regelventil
lediglich einer geringeren Druckbelastung ausgesetzt.
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Die
Stelldruckquelle ist vorzugsweise eine Arbeitsleitung der hydrostatischen
Maschine oder eine weitere Druckmittelquelle. Die Arbeitsleitung oder
die Druckmittelquelle sind dabei über ein Wechselventil
mit der Verbindungsleitung verbunden. Die Möglichkeit,
neben der Arbeitsleitung als Stelldruckquelle auch eine weitere
Druckmittelquelle alternativ vorzusehen, hat den Vorteil, dass auch
bei verschwindendem Arbeitsleitungsdruck ein zur Betätigung
des hydrostatischen Systems ausreichender Stelldruck verfügbar
ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das hydrostatische
System bei der Rückgewinnung von kinetischer Energie durch
Speicherung der Energie in einem hydrostatischen Speicher eingesetzt
wird. Dabei kann es im Betrieb auftreten, dass der hydrostatische
Speicher vollständig entleert ist. In diesem Fall kann
durch die weitere Druckmittelquelle ein ausreichender Stelldruck
in dem ersten Stelldruckraum erzeugt werden, durch den bei einer
nachfolgenden Speicherung von Energie die hydrostatische Maschine
auf ein höheres Fördervolumen eingestellt werden
kann.
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Das
Regelventil ist vorzugsweise als 3/3-Wegeventil ausgeführt.
Die Verwendung eines 3/3-Wegeventils ermöglicht es, zwischen
den beiden Endpositionen zusätzlich eine Neutralposition
des Regelventils vorzusehen. Diese Neutralposition wird dabei durch
eine definierte Regelventilstellung bestimmt. In dieser Neutralposition
des Regelventils ist vorzugsweise der durch die Stellkolbenfläche
des ersten Stellkolbens begrenzte Stelldruckraum gedrosselt mit
einem Tankvolumen und gedrosselt mit der Stelldruckquelle verbunden.
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In
der ersten Endstellung des Regelventils ist der Stelldruckraum mit
der Stelldruckquelle verbunden. In der entgegen gesetzten zweiten
Endstellung des Regelventils ist dagegen der durch die Stellkolbenfläche
des ersten Stellkolbens begrenzte Stelldruckraum mit einem Tankvolumen
verbunden. Das 3/3-Wegeventil ist dabei zwischen diesen beiden Endpositionen
variabel verstellbar.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
hydrostatischen Systems ist in der Zeichnung darstellt und wird
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen hydraulischen Systems am
Beispiel einer Einrichtung zur Bremsenergierückgewinnung;
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2 eine
schematische Darstellung zur Verdeutlichung der proportionalen Verstellung
des Hubvolumens der hydrostatischen Maschine in Abhängigkeit
von einem ersten und einem zweiten Steuersignal;
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3 eine
schematische Darstellung eines abgewandelten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen hydraulischen Systems, mit
einem durch zwei Proportionalmagnete betätigten Regelventil;
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4 eine
Schnittdarstellung einer beispielhaften Axialkolbenmaschine, die
nach dem erfindungsgemäßen System gebaut ist;
und
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5 eine
Schnittdarstellung durch ein von zwei Proportionalmagneten betätigtes
Regelventil.
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Das
erfindungsgemäße hydrostatische System 1 weist
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
eine hydrostatische Maschine 2 auf. Die hydrostatische
Maschine 2 ist als Pumpe/Motor-Maschine ausgeführt.
Die hydrostatische Maschine 2 ist hinsichtlich ihres Hubvolumens
einstellbar ausgeführt und bevorzugt eine hydrostatische
Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbausweise, die aus
einer Neutralstellung heraus in zwei Richtungen verschwenkbar ist.
Das Hubvolumen wird durch eine Verstellung der Schrägscheibe
eingestellt. In dem dargestellten Beispiel ist die hydrostatische
Maschine 2 mit einer ersten Arbeitsleitung 3 und
einer zweiten Arbeitsleitung 4 verbunden. Die erste Arbeitsleitung 3 verbindet
die hydrostatische Maschine 2 mit einem Hydrospeicher 6.
Die zweite Arbeitsleitung 4 ist dagegen mit einem Tankvolumen 7 verbunden.
Alternativ kann auch ein Hochdruckspeicher als Hydrospeicher 6 und
ein Niederdruckspeicher anstelle des Tankvolumens 7 vorgesehen
sein.
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Die
hydrostatische Maschine 2 kann als Pumpe betrieben werden,
so dass sie über die zweite Arbeitsleitung 4 Druckmittel
aus dem Tankvolumen 7 ansaugt und über die erste
Arbeitsleitung 3 gegen den in dem Hydrospeicher 6 herrschenden
Druck fördert. Damit lässt sich Druckenergie in
dem Hydrospeicher 6 speichern. Um die hydrostatische Maschine 2 als
Pumpe betreiben zu können, ist eine Triebwelle 5 vorgesehen,
die die hydrostatische Maschine 2 mit einem Antriebsstrang
eines Fahrzeugs verbindet. Durch Verstellen des Fördervolumens
der als Pumpe betriebenen hydrostatischen Maschine 2 bei gleichzeitiger
Verbindung der Triebwelle 5 mit dem Antriebsstrang eines
Fahrzeugs wird bei einem Bremsvorgang des Fahrzeugs Druckmittel
in den Hydrospeicher 6 gefördert und damit das
Fahrzeug abgebremst.
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Umgekehrt
ist eine Entleerung des Hydrospeichers 6 über
die hydrostatische Maschine 2 möglich. In diesem
Fall wird die hydrostatische Maschine 2 in entgegen gesetzter
Richtung ausgeschwenkt und als Motor mit einem definiert eingestellten Schluckvolumen
betrieben. An der Triebwelle 5 wird dann bei einer Entleerung
des Hydrospeichers 6 über die hydrostatische Maschine 2 ein
Abtriebsdrehmoment erzeugt, welches zur Beschleunigung des Fahrzeugs
dem Antriebsstrang zugeführt wird. Der Hydrospeicher 6 wird über
die erste Arbeitsleitung 3, die hydrostatische Maschine 2 und
die zweite Arbeitsleitung 4 in das Tankvolumen 7 entleert.
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Zur
Verstellung des Fördervolumens bzw. des Schluckvolumens
der hydrostatischen Maschine 2 ist eine Stellvorrichtung
vorgesehen. Die Stellvorrichtung umfasst einen ersten Stellkolben 8 und
einen zweiten Stellkolben 9. Der erste Stellkolben 8 ist in
einem ersten Stellzylinder 10 verschiebbar angeordnet und
mit dem Verstellmechanismus der hydrostatischen Maschine 2 mechanisch
gekoppelt. Durch den ersten Stellkolben 8 sind Schubkräfte
auf beispielsweise die Schrägscheibe als Verstellmechanismus
der hydrostatischen Maschine 2 übertragbar. In entsprechender
Weise ist der zweite Stellkolben 9 in einem zweiten Stellzylinder 11 verschiebbar
angeordnet. Auch der zweite Stellkolben 9 kann Schubkräfte
auf den Verstellmechanismus der hydrostatischen Maschine 2 übertragen,
allerdings mit entgegen gesetzter Wirkung bezüglich der
Schwenkrichtung. Dazu greifen die Stellkolben 8 und 9 an
entgegen gesetzten Seiten der Schrägscheibe der hydrostatischen
Maschine 2 an, so dass bei einem Kräftegleichgewicht
der beiden durch die Stellkolben 8 und 9 auf die
Schrägscheibe übertragenen Kräfte eine weitere
Verstellung der hydrostatischen Maschine 2 unterbleibt.
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Zur
Erzeugung der Stellkräfte durch den ersten Stellkolben 8 bzw.
den zweiten Stellkolben 9 sind in dem ersten Stellzylinder 10 ein
erster Stelldruckraum 12 und in dem zweiten Stellzylinder 11 ein
zweiter Stelldruckraum 13 ausgebildet. Die beiden Stelldruckräume 12, 13 werden
durch den ersten Stellkolben 8 oder den zweiten Stellkolben 9 einseitig
begrenzt. Entsprechend dem in dem ersten Stelldruckraum 12 herrschenden
Stelldruck wird somit an einer ersten, den ersten Stelldruckraum 12 begrenzenden Stellkolbenfläche 14 des
ersten Stellkolbens 8 eine hydraulische Kraft erzeugt.
Diese hydraulische Kraft wird über ein entsprechendes Gestänge
auf den Verstellmechanismus der hydrostatischen Maschine 2 übertragen.
In gleicher Weise wird durch den in dem zweiten Stelldruckraum 13 herrschenden
Druck auf die zweite Stellkolbenfläche 15 des
zweiten Stellkolbens 9 eine in entgegen gesetzter Richtung
auf den Verstellmechanismus der hydrostatischen Maschine 2 wirkende
Kraft erzeugt.
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Zur
Einstellung des in dem ersten Stelldruckraum 12 herrschenden
Stelldrucks ist ein Regelventil 16 vorgesehen. Ein erster
Anschluss des Regelventils 16 ist über eine Stelldruckleitung 17 mit
dem ersten Stelldruckraum 12 verbunden. In Abhängigkeit von
der Position eines Regelelements des Regelventils 16 wird
die Stelldruckleitung 17 mit einer Stelldruckquelle oder
dem Tankvolumen 7 verbunden. Hierzu ist ein zweiter Anschluss
des Regelventils 16 über eine Verbindungsleitung 18 mit
einem Wechselventil 19 verbunden. Mit Hilfe des Wechselventils 19 wird
als Stelldruckquelle entweder die erste Arbeitsleitung 3 oder
aber eine weitere Druckmittelquelle über die weitere Verbindungsleitung 20 mit
der Verbindungsleitung 18 verbunden. Über die
weitere Verbindungsleitung 20 kann aus einer externen Druckmittelquelle
Druckmittel eingespeist werden. Dies kann beispielsweise dann sinnvoll
sein, wenn der in dem Hydrospeicher 6 verfügbare
Restdruck nicht ausreichend ist, um die Stellvorrichtung zu betätigen.
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In
der Verbindungsleitung 18 ist ein Druckreduzierventil 21 vorgesehen.
Das Druckreduzierventil 21 weist eine Messfläche
auf, die mit dem Ausgangsdruck des Druckreduzierventils 21,
der dem Regelventil 16 zugeführt wird, beaufschlagt
ist. In entgegen gesetzter Richtung wirkt auf das Druckreduzierventil 21 die
Kraft einer Feder, über die der Regelbeginn des Druckreduzierventils 21 eingestellt
ist. Dem Regelventil 16 wird damit ein konstanter Eingangsdruck zugeführt,
sofern auf der Eingangsseite des Druckreduzierventils 21 ein
ausreichender Druck durch die Stelldruckquelle verfügbar
ist.
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Das
Regelventil 16 weist ein Regelventilelement auf, welches
bevorzugt als Ventilkolben ausgeführt ist. Dieser Ventilkolben
ist in einem Ventilgehäuse axial verschieblich angeordnet
und weist ein erstes Ende und ein davon abgewandtes zweites Ende auf.
Das erste Ende des Ventilkolbens ist mit dem in dem ersten Stelldruckraum 12 herrschenden
Stelldruck beaufschlagt und begrenzt den ersten Stelldruckraum 12.
Zwischen dem ersten Stellkolben 8 und dem Ventilkolben
des Regelventils 16 ist eine Rückkoppelfeder 22 angeordnet.
In Abhängigkeit von der Position des ersten Stellkolbens 8 wirkt
damit auf den Ventilkolben des Regelventils 16 eine Kraft,
die durch die Rückkoppelfeder 22 erzeugt wird
und die von der Position des ersten Stellkolbens 8 abhängt.
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In
entgegen gesetzter Richtung wirkt auf den Ventilkolben eine Gegenkraft,
die durch eine Feder 23 erzeugt wird. Die Feder 23 ist
einstellbar ausgeführt, so dass die Position des ersten
Stellkolbens 8, bei der sich der Ventilkolben in einem
Kräftegleichgewicht zwischen der Rückkoppelfeder 22 und
der Feder 23 befindet, eingestellt werden kann. Die bevorzugte
Einstellung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 noch
erläutert.
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Das
Regelventil 16 ist druckkompensiert ausgeführt.
Hierzu zweigt von der Stelldruckleitung 17 ein Leitungszweig
ab, der den Ventilkolben an seinem zweiten Ende gleichsinnig mit
der Feder 23 mit einer hydraulischen Kraft beaufschlagt.
Die in dem Stelldruckraum 12 auf das erste Ende des Ventilkolbens
wirkende hydraulische Kraft wird damit durch eine entsprechend große
hydraulische Kraft an dem zweiten Ende kompensiert. Damit ist eine
integrierte Anordnung des Regelventils 16 in die Stellvorrichtung
möglich. Auch die Druckreduzierung ist in die Stellvorrichtung
integriert.
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In
der 1 ist das Regelventil 16 in seiner Neutralposition
gezeigt. In dieser Neutralposition ist der erste Anschluss des Regelventils 16 mit
dem zweiten Anschluss des Regelventils 16 und mit einem
dritten Anschluss des Regelventils 16 jeweils gedrosselt
verbunden. Der dritte Anschluss ist mit dem Tankvolumen 7 verbunden.
Das Regelventil 16 ist mit negativer Überdeckung
ausgeführt.
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Aus
dieser Neutralposition des Regelventils 16 heraus ist das
Regelventil 16 in Richtung einer ersten Endposition und
in Richtung einer zweiten Endposition verstellbar. Das Regelventil 16 kann
dabei jede beliebige Zwischenposition zwischen den beiden Endstellungen
einnehmen. In der ersten Endstellung des Regelventils 16 ist
der erste Anschluss mit dem zweiten Anschluss des Regelventils 16 ungedrosselt
oder nahezu ungedrosselt verbunden. Dadurch wird eine Verbindung
zwischen der Verbindungsleitung 18 und der Stelldruckleitung 17 erzeugt. In
der zweiten Endstellung des Regelventils 16 wird dagegen
der erste Anschluss und damit die Stelldruckleitung 17 mit
dem Tankvolumen 7 über den dritten Anschluss des
Regelventils 16 ungedrosselt oder nahezu ungedrosselt verbunden.
Infolgedessen ist der erste Stelldruckraum 12 in der zweiten
Endstellung des Regelventils 16 mit dem Tankvolumen 7 verbunden
und der Druck in dem ersten Stelldruckraum 12 wird in das
Tankvolumen 7 entspannt.
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Die
Verbindungsleitung 18 ist zudem in einem Abschnitt zwischen
dem Wechselventil 19 und dem Druckreduzierventil 21 mit
dem zweiten Stelldruckraum 13 verbunden. Durch den so in
dem zweiten Stelldruckraum 13 herrschenden Stelldruck und den
in dem ersten Stelldruckraum 12 herrschenden Stelldruck
wird die hydrostatische Maschine 2 solange verstellt, bis
ein Kräftegleichgewicht herrscht. Dabei ist die Stellkolbenfläche 15 des
zweiten Stellkolbens 9 kleiner als die Stellkolbenfläche 14 des
ersten Stellkolbens 8.
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An
dem zweiten Ende des Ventilkolbens des Regelventils 16 ist
ein Aktuator 24 vorgesehen. Durch die Druckreduzierung
mittels des Druckreduzierventils 21 wird die Belastung
auf den Aktuator 24 verringert. Dieser Aktuator 24 ist
als Doppelhubmagnet mit zwei Wicklungen ausgebildet. Durch eine
erste Wicklung ist bei Anlegen eines Steuersignals an diese erste
Wicklung eine Druckkraft als Steuerkraft an dem zweiten Ende des
Ventilkolbens erzeugbar. Damit wird bei Ansteuerung des Aktuators 24 mittels der
ersten Wicklung eine Steuerkraft in einer ersten Kraftrichtung,
die gleichsinnig mit der Gegenkraft der Feder 23 auf den
Ventilkolben wirkt, erzeugt. Zusätzlich ist in einer entgegen
gesetzten zweiten Kraftrichtung durch Bestromen einer zweiten Wicklung
des Aktuators eine Kraft entgegen der Kraft der Feder 23 erzeugbar.
Die Resultierende aus der Kraft der Feder 23 und der Kraft
des Aktuators 24 wirkt auf das zweite Ende des Ventilkolbens.
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Wird
ausgehend von der in der 1 dargestellten Ruheposition
des hydraulischen Systems 1 der Aktuator 24 in
Richtung der ersten Kraftrichtung angesteuert, so wird der Ventilkolben
in Richtung seiner zweiten Endposition verstellt. Infolgedessen
wird der erste Stelldruckraum 12 über die Stelldruckleitung 17 in
das Tankvolumen 7 entspannt. Dadurch reduziert sich die
hydraulische Kraft auf den ersten Stellkolben 8. Da in
dem zweiten Stelldruckraum 13 zum gleichen Zeitpunkt ein
unveränderter Druck herrscht, reduziert sich die Kraft
auf den zweiten Stellkolben 9 nicht. Aufgrund des Kräfteungleichgewichts
erfolgt eine Verstellung des ersten Stellkolbens 8 in der 1 nach
rechts. Dadurch erhöht sich die Kraft der Rückkoppelfeder 22 auf
das erste Ende des Ventilkolbens, bis wieder ein Kräftegleichgewicht zwischen
der Kraft der Rückkoppelfeder 22 und der Resultierenden
aus der Steuerkraft des Aktuators 24 und der Gegenkraft
der Feder 23 herrscht.
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Umgekehrt
kann durch Bestromen der zweiten Wicklung des Aktuators 24 eine
Schubkraft entgegen der Feder 23 erzeugt werden und die
Vorspannung der Feder 23 auf den Ventilkolben wird entlastet.
Durch die damit kleiner werdende, auf das zweite Ende des Ventilkolbens
wirkende Resultierende wird der Ventilkolben in Richtung seiner
ersten Endposition verstellt. In der ersten Endposition des Regelventils 16 ist
die Verbindungsleitung 18 mit der Stelldruckleitung 17 verbunden,
so dass dem ersten Stelldruckraum 12 von der Stelldruckquelle
Druckmittel zugeführt wird. Die hydraulische Kraft, die
auf den ersten Stellkolben 8 wirkt, ist aufgrund der Flächenverhältnisse
damit größer als die am zweiten Stellkolben wirkende
hydraulische Kraft, so dass eine Verstellung des ersten Stellkolbens 8 in
der 1 nach links erfolgt. Dadurch reduziert sich die
durch die Rückkoppelfeder 22 auf den Ventilkolben
an dem ersten Ende erzeugte Kraft.
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Die
Bewegung des ersten Stellkolbens 8 erfolgt dabei jeweils
soweit, bis sich wieder ein Kräftegleichgewicht zwischen
der Resultierenden und der Kraft der Rückkoppelfeder 22 eingestellt
hat und sich das Regelventil wieder in der in der 1 dargestellten
Ruheposition befindet. Damit ist die Position des ersten Stellkolbens 8 und
somit das eingestellte Hubvolumen der hydrostatischen Maschine 2 jeweils
proportional zu den dem Aktuator 24 zugeführten
Steuersignalen für jeweils eine Bewegungsrichtung.
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Der
maximal mögliche Schwenkwinkel der hydrostatischen Maschine 2 wird
durch mechanische Anschläge eingestellt, die an dem Verstellmechanismus
der hydrostatischen Maschine 2 ausgebildet sind. Um bei
drucklosem System die hydrostatische Maschine 2 in eine
Ruheposition zu bringen, in der sie auf ein beliebiges, insbesondere
auf ein geringfügig von Null verschiedenes Fördervolumen
eingestellt ist, sind eine erste Rückstellfeder 25 und
eine zweite Rückstellfeder 26 vorgesehen. Mit
dem Gestänge, das den ersten Stellkolben 8 mit
dem Verstellmechanismus der hydrostatischen Maschine 2 verbindet,
ist ein Paar Mitnahmeelemente 27, 27' vorgesehen.
Die Mitnahmeelemente 27, 27' spannen die erste
Rückstellfeder 25 vor. Bei einer Verstellung der
hydrostatischen Maschine 2 durch eine Verschiebung des
ersten Stellkolbens 8 in der 1 nach rechts
stützt sich die erste Rückstellfeder 25 an
einem verschiebbar angeordneten Federteller 28 ab. Dieser
ist auf dem Gestänge verschiebbar und stützt sich
bei einer Bewegung nach rechts gehäuseseitig ab. Bei einer
Stellbewegung, bei der der erste Stellkolben 8 in der 1 nach
rechts verstellt wird, wird damit die erste Rückstellfeder 25 über
ihre Vorspannung hinaus komprimiert. In gleicher Weise stützt sich
die zweite Rückstellfeder 26 über einen
verschiebbar angeordneten weiteren Federteller 29 bei einer
entgegen gesetzten Verstellung gehäuseseitig ab. Die zweite
Rückstellfeder 26 ist zwischen einem Paar weiterer
Mitnahmeelemente 30 30' vorgespannt. Abhängig
von der Einstellung der hydrostatischen Maschine 2 wird
so außerhalb eines kleinen Verstellbereichs um die Ruheposition
hierzu entweder die erste Rückstellfeder 25 oder
die zweite Rückstellfeder 26 komprimiert. Die
jeweils andere Rückstellfeder 25 bzw. 26 wird
gleichzeitig mit dem Gestänge bewegt.
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Die
Mitnahmeelemente 27, 27' und 30, 30' sind
so an dem Gestänge angeordnet, dass die Rückstellfedern 25 und 26 vorgespannt
sind und an den verschiebbaren Federtellern 28, 29 anliegen.
Die verschiebbaren Federteller 28, 29 sind, auch
wenn das nicht unbedingt notwendig ist, in einer Ruheposition der
hydrostatischen Maschine 2 beabstandet zu dem Gehäuse
angeordnet. Prinzipiell geht es auch ohne Abstand zu dem Gehäuse.
Durch den Abstand können Bauteiltoleranzen leicht ausgeglichen
werden. Durch die Vorspannung der Rückstellfedern 25, 26 zwischen
den Mitnahmeelementen 27, 27' und 30, 30' wird
die Montage erheblich vereinfacht, da eine Vormontage erfolgen kann.
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In
der 2 ist die Verstellung der hydrostatischen Maschine 2 noch
einmal anhand eines Diagramms erläutert. Auf der Ordinate
sind dabei die Ströme I1 eines
ersten Steuersignals und eines zweiten Steuersignals I2 zum
Bestromen der ersten Wicklung bzw. der zweiten Wicklung dargestellt.
Auf der Abszisse sind dagegen das Fördervolumen VP beim Betrieb der hydrostatischen Maschine 2 als
Pumpe bzw. das Schluckvolumen VM beim Betrieb
der hydrostatischen Maschine 2 als Motor dargestellt. Es
ist zu erkennen, dass die hydrostatische Maschine 2 aus einer
stromlosen Neutrallage heraus in beide Richtungen bis zur 100% Endstellung
verstellt werden kann. Die Feder 23 des Regelventils 16 wird
dabei so eingestellt, dass die Neutralposition des Regelventils 16 in
einer Position des ersten Stellkolbens 8 erreicht wird,
die eine Auslenkung der hydrostatischen Maschine 2 aus
ihrer Ruheposition heraus auf ein minimales Fördervolumen
VP,min entspricht. Durch eine solche Einstellung
der hydrostatischen Maschine 2 bei verschwindendem Steuersignal
für den Aktuator 24 wird sichergestellt, dass
bei einer Verbindung der Triebwelle 5 mit dem Antriebsstrang
eines Fahrzeugs durch die hydrostatische Maschine 2 ein
Mindestdruck in der ersten Arbeitsleitung 3 durch Fördern von
Druckmittel in den Hydrospeicher 6 aufgebaut wird. Damit
ist sichergestellt, dass durch das hydraulische System 1 jederzeit
ein zur Betätigung der Stellvorrichtung ausreichender Druck
verfügbar ist und die hydrostatische Maschine keine Ansaugprobleme aufgrund
falscher Schwenkseite hat.
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Die
Auslegung der Flächenverhältnisse des ersten Stellkolbens 8 zu
der Fläche des zweiten Stellkolbens 9 ist vorzugsweise
etwa 3/1. Gleichzeitig wird das Druckreduzierventil 21 vorzugsweise
so eingestellt, dass eine Reduzierung auf etwa 2/3 des Arbeitsdrucks
erfolgt. Der Arbeitsdruck ist der maximale Speicherdruck des Hydrospeichers 6.
Bei dem bevorzugten Flächenverhältnis ist zum
Erreichen eines Kräftegleichgewichts zwischen beiden Stellkolben 8,9 ein
Druck von ca. 1/3 des Arbeitsdrucks erforderlich. Durch die Einstellung
des Druckreduzierventils auf 2/3 des Arbeitsdrucks ist somit eine
ausreichende Druckreserve zum Schwenken der hydrostatischen Maschine 2 in
Richtung des Motorbetriebs vorhanden.
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3 zeigt
ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel. Die Funktion stimmt
im wesentlichen mit der unter Bezugnahme auf 1 erläuterten
Funktion überein, weswegen nachfolgend lediglich auf die Änderungen
gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel eingegangen
wird. Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten
System ist das Regelventil 16' hier nicht in axialer Verlängerung
des ersten Stellzylinders 10 angeordnet. Die freie Anordnung
des Regelventils 16' erlaubt es, als Betätigungsmittel
anstelle des Doppelhubmagneten 24, wie er in der 1 verwendet
wird, einen ersten Proportionalmagneten 24.1 und einen
zweiten Proportionalmagneten 24.2 vorzusehen. Die beiden
Proportionalmagneten 24.1. und 24.2 sind jeweils
geeignet, Schubkräfte auf den Ventilkolben des Regelventils 16' zu übertragen.
Da der erste Stellkolben 8 und der zweite Stellkolben 9 über
den Verstellmechanismus der Hydropumpe 2, i. d. R. einer
Schwenkwiege, miteinander mechanisch gekoppelt sind, kann ein Abgreifen
der Position des Verstellmechanismus auch über die Verbindung
zwischen dem zweiten Stellkolben 9 und dem Verstellmechanismus
der hydraulischen Maschine 2 erfolgen. Dies erfolgt im
dargestellten Ausführungsbeispiel über ein Gestänge 31.
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An
dem Gestänge 31 stützt sich die Rückkoppelfeder 22' ab,
welche den Ventilkolben an einem Ende mit der von der Position des
Verstellmechanismus abhängigen Kraft beaufschlagt. In entgegengesetzter
Richtung wirkt, wie es bereits unter Bezugnahme auf die 1 erläutert
wurde, eine Gegenkraft, welche durch eine Feder 23' erzeugt
wird. Bei verschwindender Steuerkraft, d. h., ohne anliegendes Steuersignal
an dem ersten Proportionalmagneten 24.1 und dem zweiten
Proportionalmagneten 24.2 befinden sich die Kraft der Rückkoppelfeder 22' und
die Gegenkraft der Feder 23' in einem Kräftegleichgewicht,
wenn die hydraulische Maschine 2 in ihrer Ruheposition
ist. Das Auslenken des Ventilkolbens des Regelventils 16' erfolgt
nunmehr nicht mehr über den Doppelhubmagneten 24,
welcher an einer Seite des Ventilkolbens angeordnet ist, sondern über entweder
eine Erzeugung einer Schubkraft durch den ersten Proportionalmagneten 24.1 oder
aber einer Schubkraft durch den zweiten Proportionalmagneten 24.2 an
gegenüberliegenden Stirnseiten des Ventilkolbens.
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Analog
zu der vorbeschriebenen Funktion stellt sich das hydraulische System
auch hier so ein, dass die Resultierende aus der Steuerkraft, welche nunmehr
durch die beiden Proportionalmagneten 24.1 und 24.2 erzeugt
wird, und der Gegenkraft 23' mit der Kraft der Rückkoppelfeder 22' im
Gleichgewicht ist. In diesem Fall ist das Regelventil 16' in
seiner in der 3 dargestellten Ruheposition.
Wird das Steuersignal für den Proportionalmagneten 24.1 oder 24.2 geändert,
so wird aufgrund des Kräfteungleichgewichts der Ventilkolben
entweder in Richtung einer ersten Endposition oder der zweiten Endposition
verschoben. Infolgedessen wird die Stelldruckleitung 17',
wie es schon unter Bezugnahme auf die 1 erläutert
wurde, entweder mit dem Tankvolumen 7 oder aber der Stelldruckquelle
verbunden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist
die Verbindungsleitung 18 kein Druckreduzierventil auf.
Dieses kann jedoch ebenso bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 vorgesehen
sein.
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Die
Anordnung des zweiten Ausführungsbeispiels hat außerdem
den Vorteil, dass zu den Proportionalmagneten lediglich Lecköldruck
gelangen kann. Eine gegenüber Hochdruck druckfeste Konstruktion der
Proportionalmagnete ist daher nicht erforderlich.
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Übereinstimmende
Elemente sind mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.
Um die Gleichwirkung des hydraulischen Systems zu verdeutlichen,
wurden die geänderten Elemente mit gestrichenen Bezugszeichen
versehen.
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Die 4 zeigt
einen Teilschnitt durch eine Axialkolbenmaschine 40, bei
der das erfindungsgemäße hydraulische System Anwendung
findet. Elemente, die in den schematischen Darstellungen bereits
gezeigt und erläutert wurden, sind in der Schnittdarstellung
in entsprechender Weise bezeichnet. Auf ihre erneute Erläuterung
wird zur. Vermeidung unnötiger Wiederholungen verzichtet.
Die Axialkolbenmaschine 40 weist zur Einstellung ihres
Förder- bzw. Schluckvolumens eine Schwenkwiege 41 auf.
Diese Schwenkwiege ist hinsichtlich ihres Neigungswinkels gegenüber
der Rotationsachse einer Triebwelle der Axialkolbenmaschine 40 neigbar.
Zur Einstellung des Neigungswinkels ist die Schwenkwiege 41,
die den Verstellmechanismus der hydraulischen Maschine bildet, durch
mit dem ersten Stellkolben 8 bzw. dem zweiten Stellkolben 9 erzeugte
Schubkräfte beaufschlagbar. Die Position der Schwenkwiege 41 und damit
des eingestellten Förder- bzw. Schluckvolumens der Axialkolbenmaschine 40 wird
mittels des Rückführhebels 31 auf das
Regelventil 16 zurückgekoppelt. Der Rückführhebel 31 greift
hierzu an einem bewegbar angeordneten Federlager 42 an.
An dem Federlager 42 stützt sich die Rückkoppelfeder 22' ab, und
wirkt in bereits beschriebener Weise auf das Regelventil 16'.
Das Federlager 42 ist von einem Übertragungselement 43 durchdrungen,
durch welches die von dem zweiten Proportionalmagneten 24.2 erzeugte
Schubkraft auf den Ventilkolben des Regelventils 16' übertragen
wird.
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Federlager 42 und Übertragungselement 43 berühren
sich dabei nicht.
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Eine
vergrößerte Darstellung des Regelventils 16' ist
in der 5 gezeigt.
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In
dem gezeigten Schnitt ist der Ventilkolben 44 des Regelventils 16' zu
erkennen, der in einer Ventilbuchse längs verschieblich
angeordnet ist. An seinem ersten Ende ist ein Federteller angeordnet, auf
dem sich die Rückkoppelfeder 22' abstützt.
Der Ventilkolben 44 wird damit über den Federteller
mit der Kraft der Rückkoppelfeder 22' beaufschlagt.
In entgegengesetzter Richtung wirkt auf den Ventilkolben 44 die
durch die Feder 23' erzeugte Gegenkraft. Wie schon erläutert,
wird als Betätigungsmittel in diesem Ausführungsbeispiel
ein Paar von Proportionalmagneten 24.1 und 24.2 vorgesehen.
Diese wirken jeweils über Betätigungsstangen auf
die beiden voneinander abgewandten Enden des Ventilkolbens 44. Während
sich die Betätigungsstange 43 des zweiten Proportionalmagneten 24.2 an
dem Federteller der Rückkoppelfeder 22' oder parallel
mit der Feder 22' an der einen Seite des Ventilkolbens
abstützt, wirkt der Stößel des Proportionalmagneten 24.1 parallel mit
der Feder 23' auf die gegenüberliegende Stirnseite
des Ventilkolbens 44. In der in der 5 dargestellten
Ruheposition des Ventilkolbens 44 ist die Stelldruckleitung 17' gedrosselt
mit der Verbindungsleitung 18 und mit dem Tankvolumen 7 verbunden.
In dem ersten Stelldruckraum 12 wirkt daher ein mittlerer
Druck. Zum Abführen von Druckmittel in das Tankvolumen
sind in der Ventilbuchse Bohrungen 45, 46 vorgesehen,
die miteinander und mit dem Federraum 47 in Verbindung
stehen. An der Stelle der Durchführung des Rückführarms 38 ist
der Federraum 47 mit dem Gehäusevolumen der Axialkolbenmaschine 40 verbunden,
die damit das Tankvolumen bildet. Bei einer Bewegung des Ventilkolbens 44 in axialer
Richtung geben Steuerkanten eine ungedrosselte oder nahezu ungedrosselte
Verbindung zwischen der Stelldruckleitung 17' und jeweils
einem von zwei um den Ventilkolben 44 herum ausgebildeten
Ringräumen frei. Der näher zu dem ersten Proportionalmagneten 24.1 orientierte
Ringraum steht dabei in permanenter Verbindung mit der Bohrung 45 und
damit mit dem Tankvolumen 7. Über weitere Verbindungsbohrungen
steht dagegen der auf der dem zweiten Proportionalmagneten 24.2 zugewandten Seite
angeordnete Ringraum mit der Verbindungsleitung 18 in permanenter
Verbindung.
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Die
die Gegenkraft erzeugende Feder 23' ist in einer zum Ventilkolben 44 hin
offenen Büchse 51 aufgenommen, deren Außenseite
kegelförmig gestaltet ist und an einem in die Ventilbuchse
eingeschraubten Justierstift 52 anliegt. Durch verschieden weites
Einschrauben des Justierstifts kann die Büchse 51 axial
verschoben und damit die Kraft der Feder 23' eingestellt
werden. Durch eine Kontermutter 53 wird die Position des
Justierstifts 52 gesichert. Damit ist die Ruhestellung
des Verstellmechanismus bei verschwindender Steuerkraft einstellbar.
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Alternativ
zu Proportionalventilen kann das Regelventil auch hydraulisch betätigbar
sein, wobei verschieden hohe Kräfte auf den Ventilkolben
durch unterschiedlich hohe Steuerdrücke ausgeübt
werden.
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Die
Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt. Vielmehr sind auch einzelne Merkmale des erfindungsgemäßen
hydrostatischen Systems in vorteilhafter Weise miteinander kombinierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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