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Die
Erfindung betrifft eine verbesserte elektrohydraulische Energieversorgung
für mindestens einen
Verbraucher, wie insbesondere ein Kraftfahrzeugbremssystem.
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Es
sind beispielsweise Bremssysteme bekannt, bei denen zur Energieversorgung
sowohl ein pneumatischer Bremskraftverstärker, als auch eine elektromotorisch
angetriebene Pumpe zum Einsatz kommen, um einen angeforderten Bremsdruck
bereit zu stellen. Dabei ist eine vollständige Trennung von wenigstens
zwei Bremskreisen vorgesehen. Mit anderen Worten ist für jeden
der Bremskreise eine gesonderte Pumpe vorgesehen. Eine Doppelfunktion der
Pumpe, einerseits als Rückförderpumpe
im Rahmen von Antiblockierbremsfunktionen oder im Rahmen eines fahrerunabhängig angeforderten
Druckaufbaus, erfordert Kompromisse in der Systemauslegung und Gestaltung.
Es besteht daher Bedarf an einer verbesserten Gestaltung bzw. Funktion
der Energieversorgung.
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Zur
Energieversorgung von Bremssystemen sind auch sogenannte elektrohydraulische
Bremssysteme vorgeschlagen worden, wobei ggf. mehrflutig ausgeführte Pumpen
zum Aufladen eines zentralen Hochdruckspeichers vorgesehen sind.
Diese Bremssysteme haben sich bisher nicht durchgesetzt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Energieversorgung
für zumindest einen
Verbraucher, beispielsweise für
Kraftfahrzeugbremssysteme, Aktuatoren oder dergleichen, zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Wenn
das hydraulische System eines (oder mehrerer) Verbraucher nur in
seltenen Betriebssituationen einen besonders hohen Versorgungsdruck
benötigt,
ist es energetisch nicht optimal, dieses System permanent mit dem
maximalen Druck zu versorgen. Zur Energieversorgung von hydraulischen
Systemen mit diskontinuierlichem Bedarf, beispielsweise Bremssystemen,
ist es sinnvoll Energie zwischenzuspeichern. Weiterhin ist es oft
zweckmäßig, die
Energie in einem Hydrospeicher bereit zu halten und nicht in einem
elektrischen Energiespeicher, weil dann höhere Leistungsspitzen abgegeben
werden können, als
bei einer spontan abgerufenen elektrisch-mechanisch-hydraulischen
Energiewandlung.
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Bei
der Erfindung ist daher zumindest eine weitere Druckquelle oder/und
ein weiterer Druckspeicher vorgesehen ist, wobei die erste Druckquelle bzw.
der erste Druckspeicher den (die) Verbraucher bis zu einem ersten
Druckniveau versorgt, das für
einen bestimmten Anwendungsbereich ausreichend ist und dass die
weitere Druckquelle bzw. der weitere Druckspeicher den (die) Verbraucher
bis zu einem zweiten, höheren
Druckniveau versorgt, das für
einen weiteren Anwendungsbereich mit höherem Druckniveau ausreichend
ist.
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Solange
die Grundversorgung ausreicht wird das Hydrauliksystem mit dem Druck
der ersten Druckquelle bzw. des ersten Druckspeichers versorgt und
die Hochdruckquelle bleibt abgekoppelt. Bei Bedarf eines über die
Grundversorgung hinausgehenden Versorgungsdruckes wird zumindest
eine weitere Hochdruckquelle bzw. Druckspeicher zugeschaltet, so
dass der Druck bis zum maximal gewünschten Niveau erhöht werden
kann.
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Die
Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, dass der Wirkungsgrad elektrohydraulischer Akuatorsysteme
mit hydraulischem Energiespeicher am größten ist, wenn das Druckniveau
des Energiespeichers möglichst
niedrig gewählt
ist. Bei bekannten Systemen wird das Druckniveau durch den benötigten Maximaldruck
festgelegt. Bei der Erfindung werden hingegen zumindest zwei unterschiedliche Drücke bereit
gehalten, die bedarfsweise in Betrieb genommen werden, so dass die
zu einer Wirkungsgradabsenkung führende
Verwendung einer Hochdruckquelle zur Ansteuerung der Aktuatoren
in einem Bereich, indem ein niedrigerer Versorgungsdruck ausreichen
würde,
vermieden wird. Mit anderen Worten wird es vermieden, dass eine
Hochdruckquelle zur Versorgung des Verbrauchers in einem Niederdruckbereich
verwendet wird und umgekehrt. Dadurch werden elektrohydraulischer
Wirkungsgrad und somit die Effizienz erhöht. Dies braucht nicht, wie bei
bekannten Lösungen,
mit Funktionseinbußen
erkauft werden.
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Zwar
ist es bei Bremssystemen bereits bekannt, ein unzureichendes Druckniveau
mit Hilfe einer elektromotorisch angetriebenen Pumpe auf den benötigten Wert
anzuheben. Dabei müssen
jedoch äußerst aufwändige Elektromotoren
eingesetzt werden, falls man sich nicht mit der eingeschränkten Dynamik
eines Standardantriebs zufrieden gibt. Ferner ist bei diesen Lösungen eine
unterbrechungsfreie und ausfallsichere Energieversorgung Vorbedingung für eine sichere
Funktion. Die auftretenden Leistungsspitzen erfordern eine Stützbatterie,
um die Bordnetzbelastung auf einem vertretbaren Niveau zu halten.
Wegen der vorgeschriebenen Trennung der Bremskreise muss für jeden
Bremskreis eine separate Pumpe vorgesehen werden. Schließlich treten
bei diesen Systemen trotz technisch aufwändiger Gegenmaßnahmen
unerwünschte
Druckpulsationen auf.
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Erfindungsgemäß ist auch
ein hydraulischer Linearantrieb mit Sitzventilen vorgesehen, der
vorteilhaft insbesondere bei einem Bremssystem Verwendung finden
kann.
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Der
hydraulische Linearantrieb zeichnet sich durch einen besonders einfachen
Aufbau und einfache Herstellbarkeit aus und ist somit besonders
kostengünstig.
Die Kolben und Sitzventile des Linearantriebes können vorteilhaft auf der gleichen
Achse angeordnet sein, wobei die Anzahl der hydraulischen Verbindungsbohrungen
auf ein Minimum reduziert werden kann.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden
näher erläutert.
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Es
zeigen in der Zeichnung:
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1:
eine erste Ausführungsform
einer elektrohydraulischen Energieversorgung,
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2:
eine zweite Ausführungsform
einer elektrohydraulischen Energieversorgung,
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3 eine
dritte Ausführungsform
einer elektrohydraulischen Energieversorgung,
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4 eine
vierte Ausführungsform
einer elektrohydraulischen Energieversorgung, und
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5 eine
Ausführung
eines erfindungsgemäßen Linearantriebes,
der z. B. zur Energieversorgung (gemäß 2 bis 4)
verwendet werden kann.
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1 zeigt
eine motorisch angetriebene Pumpe 2, deren Druckpfad/Druckseite 4 über ein elektromagnetisch
ansteuerbares, stromlos offenes 2/2-Wegeventil 6 und eine
hydraulische Verbindung 8 mit einem Niederdruckspeicher 10 verbunden
ist. Dabei bezeichnet «Niederdruckspeicher» in diesem Kontext
einen hydraulischen Speicher mit einem mittleren Druckniveau in
der Größenordnung
eines Bremsdrucks d. h. zwischen ca. 2000 und 10000 kPa und ist
nicht zu verwechseln mit dem in der Bremssystemtechnik bekannten
gewöhnlichen
Niederdruckspeicher, der üblicherweise
im Bereich von 100 bis 200 kPa betrieben wird. Der Niederdruckspeicher 10 ist über eine
(oder mehrere) hydraulische Leitung(en) mit einem (oder mehreren)
Verbraucher(n) 14 verbunden. Im Leitungsabschnitt 8 ist
ein Hochdruckspeicher 16 angeordnet, dem ein stromlos geschlossenes
2/2-Wegeventil 18 vorgeschaltet ist.
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Durch Öffnen des
2/2-Wegeventils 18 kann der mittels der Pumpe 2 aufladbare
Hochdruckspeicher 16 zur Versorgung des Verbrauchers 14 mit
erhöhtem
Druck herangezogen werden. Ein Rückschlagventil 20,
das in der Verbindung zwischen dem Niederdruckspeicher 10 und
dem Hochdruckspeicher 16 angeordnet ist, verhindert ein
Zurückströmen des
Druckmittels. Überschüssiges Druckmittel
kann, in Abhängigkeit
von einer abzuarbeitenden Funktion bzw. Druckregelungsaufgabe, aus
dem Verbraucher 14 in einen drucklosen Behälter 22 abgelassen
werden. Auf der Saugseite 23 der Pumpe 2 wird
das benötigte
Druckmittel dem drucklosen Behälter 22 entnommen.
Dadurch ist der Druckmittelkreislauf geschlossen.
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Druckseitig
ist die Pumpe 2 mit einer zusätzlichen hydraulischen Leitung 24 ausgestattet,
die nach dem Rückschlagventil 20 in
die Verbindung zum Verbraucher 14 einmündet und der Pumpe 2 eine
unmittelbare Versorgung des Verbrauchers 14 ermöglicht,
falls der Niederdruckspeicher 10 oder der Hochdruckspeicher 16 keinen
Beitrag zur Druckversorgung leisten können oder sollen. Beispielsweise
wird es durch diese Bauweise ermöglicht,
die Pumpe 2 zur Basisversorgung des Verbrauchers 14 zu
verwenden.
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Durch
den beschriebenen Aufbau wird es auch ermöglicht, eine Mehrzahl von Druckquellen (Pumpe 2,
Niederdruckspeicher 10, Hochdruckspeicher 16)
unabhängig
voneinander und koordiniert in Abhängigkeit von den konkret herrschenden
Betriebsverhältnissen
und dem jeweiligen Druckmittelbedarf des bzw. der Verbraucher(s)
anzusteuern bzw. nach Wunsch mit Druckmittel zu befüllen.
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In
diesem Zusammenhang sei erwähnt,
dass bei dieser Ausführungsform
(wie auch bei den anderen Ausführungsformen)
zusätzlich
eine nicht dargestellte elektronische Steuereinheit, Sensoren, insbesondere
Drucksensoren und andere Bauteile vorgesehen sind, um elektronisch
Regelungsaufgaben zu erfüllen.
Speziell in Bremssystemen ist auch eine zusätzliche, durch den vom Fahrer
aufgebrachten Druck steuerbare Umschaltung sinnvoll, um selbst bei
ausgefallener Elektronik einen hohen Versorgungsdruck für den Verbraucher
(wie Bremskraftverstärker)
abrufen zu können.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 2 ist ein
Saugpfad 23 einer motorisch angetriebenen Pumpe 2 mit
einem drucklosen (d. h. unter Atmosphärendruck stehenden) Behälter 22 verbunden.
Auf ihrer Druckseite 4 ist die Pumpe 2 über eine
Verbindung 8 mit einem Niederdruckspeicher 10 und
einem Verbraucher 14 verbunden. In die Verbindung ist ein Rückschlagventil 20 eingebaut,
welches einen Druckmittelrückfluss
verhindert.
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Neben
der dadurch möglichen
grundsätzlichen
Basisversorgung mittels der Pumpe 2 und dem Niederdruckspeicher 10 ist
in die Verbindung ein zusätzlicher
Versorgungskreis mit einer zusätzlichen, von
einem Hydromotor angetriebenen, Pumpe 26 eingebunden. Dadurch
wird es ermöglicht,
dass die Pumpe 2 bzw. der Niederdruckspeicher 10 zum
Antrieb der zusätzlichen
hydromotorisch angetriebenen Pumpe 26 herangezogen werden
können.
Die zusätzliche
hydromotorisch angetriebene Pumpe 26 verfügt über einen
Antriebspfad 28 mit einem stromlos geschlossenen 2/2-Wegeventil 30 und
einen Druckpfad 32, welche beide in die zum Verbraucher 14 führende Verbindung
einmünden.
Die Platzierung der Einmündung
des Druckpfades 32 in die Verbindung ist so gewählt, dass
vermöge
des Rückschlagventils 20 ein
Zurückströmen des
Druckmittels in Richtung Saugpfad 28 verhindert wird. Im
Druckpfad 32 befindet sich der Hochdruckspeicher 16 sowie
ein stromlos geschlossenes 2/2-Wegeventil 18, über das das
erforderliche Druckmittel bei Bedarf zum Verbraucher 14 gelangen
kann. Der Verbraucher 14 ist über eine Rücklaufleitung mit dem drucklosen
Behälter 22 verbunden.
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Durch
diese hydraulische Schaltung wird der Hochdruck mittels der hydraulisch
angetriebenen Pumpe 26 erzeugt, wobei die zur Hochdruckerzeugung
benötigte
Antriebsenergie dem Niederdruckspeicher 10 mit Grunddruck
entnommen wird.
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Die
Ausführungsform
der 3 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform mit reduziertem
Bauaufwand, wobei bei dieser Ausführungsform insbesondere ein
Hochdruckspeicher nicht erforderlich ist. Eine motorisch angetriebene
Pumpe 2 ist auf der Saugseite 23 mit einem drucklosen
Behälter 22 verbunden.
Auf der Druckseite 4 ist die Pumpe 2 über eine
hydraulische Verbindung 8, in die ein Niederdruckspeicher 10 geschaltet
ist, über
ein Rückschlagventil 20 mit
einem Verbraucher 14 verbunden. Von der Verbindung 8 zweigt
eine hydraulische Verbindung 28 ab, in die über ein
stromlos geschlossenes 2/2-Wegeventil 30 eine hydraulisch
angetriebene Pumpe 26 zuschaltbar ist. Auf ihrer Druckseite
ist die Pumpe 26 über
eine Leitung 32 mit dem Verbraucher 14 verbunden.
Der Verbraucher 14 steht über eine Rücklaufleitung mit dem drucklosen
Behälter 22 in Verbindung.
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Das
normalerweise geschlossene 2/2-Wegeventil 30 (welches auch
nach der Pumpe 26 angeordnet sein kann) kontrolliert den
Antriebsvolumenstrom der hydraulisch angetriebenen Pumpe 26.
Bei geschlossenem Ventil 30 wird der Verbraucher 14 mit dem
von der elektromotorisch angetriebenen Pumpe 2 erzeugten
Grunddruck versorgt. Bei geöffnetem Ventil 30 erhöht die hydraulisch
angetriebene Pumpe 26 den Versorgungsdruck.
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Eine
gegenüber
der Ausführung
gemäß 3 weitgehend
baugleiche, aber noch weitergehend vereinfachte Ausführung zeigt
die 4. Eine elektromotorisch angetriebene Pumpe 2 fördert über eine
Verbindung 8 und ein Rückschlagventil 20 zu
einem Verbraucher 14. Der hydraulisch angetriebenen zusätzlichen
Pumpe 26 ist ein stromlos geschlossenes 2/2-Wegeventil 30 nachgeschaltet.
Bei dieser Ausführungsform
wird nicht der Antriebsvolumenstrom der Pumpe 26 kontrolliert,
sondern der abzugebende Volumenstrom im Druckpfad. Die hydraulisch angetriebene
Pumpe 26 ist hierbei derart beschaffen, dass bei unterbrochenem
Fördervolumenstrom
auch kein Antriebsvolumenstrom auftritt. Der Fördervolumenstrom kann vor oder
nach der Pumpe 26 unterbrochen werden.
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5 zeigt
einen erfindungsgemäßen hydraulischen
Linearantrieb 50, der als Hydromotor-Pumpe-Einheit z. B.
im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Energieversorgung
und insbesondere den Ausführungsformen
der 2 bis 4 vorteilhaft zum Einsatz gebracht
werden kann. Auch z. B. zum Antrieb einer Rückförderpumpe ist der Linearantrieb
vorteilhaft einsetzbar.
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Der
Aufbau und die Wirkungsweise des hydraulischen Linearantriebes 50 sind
wie folgt: Der Antrieb weist ein Gehäuse 52 auf, mit einer
abgestuften Bohrung 54. In der Bohrung 54 sind
zwei relativ zueinander verschiebbare, abgestufte Kolben 56, 58 mit
unterschiedlich groß ausgebildeten,
kreis- bzw. kreisringförmigen
Wirkquerschnitten 60, 62 bzw. 64, 66, 68 angeordnet.
Jeder Kolben 56, 58 ist durch eine Feder 70 bzw. 72 elastisch
federnd vorgespannt und liegt in seiner Grundstellung an jeweils
einem gehäuseseitigen
Anschlag 74 bzw. 75 an.
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Der
abgestufte Kolben 56 trennt die Räume 76, 78 und 79 voneinander,
wobei die Räume 76 und 79 durch
eine Bohrung 94 im Kolben 56 permanent miteinander
verbunden sind. Der Kolben 58 ist derart abgestuft ausgeführt, dass
die Räume 79, 80 und 82 voneinander
getrennt sind.
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Zum
Reversieren der Bewegung des Kolbens 56 ist ein hydraulisches
Ventil 84 im oberen Teil des Gehäuses 52 angeordnet,
das als Sitzventil ausgebildet ist. Ein im Kolben 56 auf
der gleichen Achse wie das Ventil 84 angeordnetes, gleichfalls
als Sitzventil ausgebildetes Ventil 86 dient zum Reversieren der
Bewegung des Kolbens 58. Weiterhin sind im unteren Teil
des Gehäuses 52 Rückschlagventile 88, 90 angeordnet,
die den Raum 82 begrenzen.
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Der
Kolben 56 des Linearantriebes 50 ist über eine
Druckmittelzuführbohrung 92 mit
Druckmittel beaufschlagbar (z. B. von der Pumpe 2 bzw.
dem Niederdruckspeicher 10 in den in den 2 bis 4 dargestellten
Ausführungsformen).
Das Druckmittel wirkt in der dargestellten Position des Linearantriebes 50 auf
den Wirkquerschnitt 62 des Kolbens 56 und über das
Sitzventil 86 und eine achsparallele Bohrung 94 auf
den Wirkquerschnitt 60 des Kolbens 56. Aus dem
Raum 76 kann das Druckmittel über eine Druckmittelabführbohrung 96 wieder
in den Kreislauf zurückgeführt werden
(z. B. den Behälter 22 der
in den 2 bis 4 dargestellten Ausführungsformen).
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Im
Raum 79 wirkt das Druckmittel auf den Wirkquerschnitt 66 des
Kolbens 58. Der Kolben wird infolgedessen entgegen der
Kraft der Feder 72 bewegt, so dass ein über eine Druckmittelzuführbohrung 98 und
das Rückschlagventil 88 zugeführtes Druckmittel über eine
beispielsweise aber nicht notwendigerweise auf derselben Achse wie
die Druckmittelzuführbohrung 98 angeordnete
Druckmittelabführbohrung 100 und
das Rückschlagventil 90 aus dem
Raum 82 in einen Pump- bzw.
Verbraucherkreis gefördert
wird (z. B. zum Verbraucher 14 der in den 2 bis 4 dargestellten
Ausführungsformen). Infolge
der (Pump-)Bewegung des Kolbens 58 wird schließlich das
Sitzventil 86 geschlossen, wodurch der Kolben 56 entgegen
der Kraft der Feder 70 bewegt wird. Dabei wird das Sitzventil 84 geöffnet und das
Druckmittel wird über
das Sitzventil und die Druckmittelabführbohrung abgeführt. Da
der Druck im Raum 79 reduziert wird, bewegt sich der Kolben 58 infolge
der Kraft der Feder 70 wieder nach oben wodurch der (Pump-)Raum 82 vergrößert und
Druckmittel angesaugt wird. Im Laufe dieser Bewegung erreicht der
Kolben 58 eine Stellung, in der er das Sitzventil 86 wieder öffnet, so
dass schließlich
die dargestellte Ausgangsposition wieder erreicht wird.
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Mit
anderen Worten steuern die hydraulischen Sitzventile 84, 86 den
Antriebsvolumenstrom in Abhängigkeit
von den Kolbenpositionen derartig, dass eine sich selbst erhaltende,
periodische Bewegungsabfolge entsteht. Die hin- und hergehende Bewegung
des Kolbens 58 wirkt hierbei wie eine Hubkolbenpumpe. Auf
diese Weise ist eine Hydromotor-Pumpen-Einheit realisiert, bei der das antreibende
und das geförderte
Druckmittel voneinander getrennt sind, so dass die Einheit vorteilhaft
z. B. auch bei Bremssystemen eingesetzt werden kann. Der Antrieb
ermöglicht
eine Kreistrennung sowie eine hydraulische Entkoppelung, wobei infolge
einer Druckmittelversorgung in einem Primär- oder Antriebskreis mit Hilfe
des Antriebes eine Pumpwirkung in einem abgetrennten Sekundär- bzw.
Pumpkreis erzielt wird.
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- 2
- Pumpe
- 4
- Druckpfad/Druckseite
- 6
- 2/2-Wegeventil
- 8
- Leitungsabschnitt
- 10
- Niederdruckspeicher
- 12
- hydraulische
Verbindung
- 14
- Verbraucher
- 16
- Hochdruckspeicher
- 18
- 2/2-Wegeventil
- 20
- Rückschlagventil
- 22
- druckloser
Behälter
- 23
- Saugseite
- 24
- hydraulische
Leitung
- 26
- hydraulisch
angetriebene Pumpe
- 28
- Antriebspfad
- 30
- 2/2-Wegeventil
- 32
- Druckpfad
- 50
- hydraulischer
Linearantrieb
- 52
- Gehäuse
- 54
- Bohrung
- 56,
58
- Kolben
- 60,
62, 64
- Wirkquerschnitt
- 66,
68
- Wirkquerschnitt
- 70,
72
- Feder
- 74,
75
- Anschlag
- 76,
78, 79
- Raum
- 80,
82
- Raum
- 84,
86
- Sitzventil
- 88,
90
- Rückschlagventil
- 92
- Druckmittelzuführbohrung
- 94
- Bohrung
- 96
- Druckmittelabführbohrung
- 98
- Druckmittelzuführbohrung
- 100
- Druckmittelabführbohrung