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GEBIET
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft einen Druckspeicher für ein Hydrauliksystem
und insbesondere einen aktiven Druckspeicher mit einem Elektromotor
für ein
Hydrauliksteuerungssystem.
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HINTERGRUND
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Die
Aussagen in diesem Abschnitt stellen nur Hintergrundinformationen
mit Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit und können den
Stand der Technik bilden oder auch nicht.
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Druckspeicher
sind geläufige
Komponenten bei hydraulischen Betriebs- und Steuerungssystemen. Sie werden
eingesetzt, um eine Menge an Hydraulikfluid oder Öl unter
Druck zu speichern, sodass entweder bei relativ kurzen Perioden
eines Fluidverbrauchs, der die Lieferkapazität der Systempumpe überschreitet,
oder bei Perioden, in denen die Pumpe nicht arbeitet, weiterhin
eine ausreichende Zufuhr von druckbeaufschlagtem Hydraulikfluid
vorhanden ist, sodass ein Betriebsdruck und eine Betriebsströmung nicht
unter ein benötigtes
Minimum fallen.
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Derartige
Einrichtungen können
als passive Einrichtungen charakterisiert sein und typischerweise
die Gestalt eines Zylinders mit einem kombinierten Einlass- und
Auslassanschluss und einem Kolben, der von einer Druckfeder zu dem
Einlass/Auslassanschluss hin vorgespannt ist, mit einem Gas an der Seite
des Kolbens, die dem Einlass/Auslassanschluss gegenüberliegt,
Verriegelungssolenoiden oder anderen Mitteln annehmen.
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Bei
derartigen Einrichtungen gibt es einige Probleme, welche die Folge
ihrer passiven Arbeitsweise sind. Zunächst sammeln sie allgemein
kein Fluid an und stellen daher ihre beabsichtigte Funktion nicht
bereit, bis die Systempumpe lang genug gearbeitet hat, um einen
ausreichend hohen Druck zu erzeugen und eine Menge an überschüssigem Fluid bereitzustellen,
die dann an den Druckspeicher geleitet und darin gespeichert wird.
Somit stellt ein Druckspeicher bei einem Systemstart und einer kurzen Zeitspanne
danach typischerweise nicht nur nicht die Funktion bereit, für die er
gedacht ist, sondern er wird auch tatsächlich druckbeaufschlagtes
Fluid verbrauchen, bis er aufgeladen ist, wodurch der Startzyklus des
Systems effektiv verlängert
wird. Wenn darüber hinaus
die Aufladezeit des Druckspeichers größer als die Dauer eines Arbeitszyklus
ist, wird durch den Druckspeicher nur wenig oder kein Betriebsnutzen bereitgestellt.
Folglich wird ein passiver Druckspeicher sowohl bei Systemstarts
als auch bei kurzen Betriebszyklen seine beabsichtigte Funktion
wahrscheinlich nicht bereitstellen.
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Außerdem kann
ein Druckspeicher, wenn er passiv ist, keinen Druck erzeugen, der
höher ist
als derjenige, der von der Systempumpe erzeugt wird. Wenn die Pumpe
versagt oder das System einem Kaltstart unterzogen wird und damit
Druck nur langsam aufbaut, stellt der Druckspeicher wieder nicht nur
seine beabsichtigte Funktion nicht bereit, sondern er ist auch nicht
in der Lage, irgendeine aktive Korrektur- oder Kompensationsmaßnahme zu
erreichen. Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, diese
und andere Nachteile herkömmlicher
passiver Fluiddruckspeicher zu überwinden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen aktiven elektrisch betriebenen
hydraulischen Fluiddruckspeicher bereit. Der Druckspeicher umfasst
einen bidirektionalen Elektromotor, dessen Abtrieb mit einem Übertrager
von mechanischer Drehung in eine lineare Bewegung, etwa einer Leitspindel,
einer Keilwelle mit Kugelbuchse oder einer ähnlichen Einrichtung gekoppelt
ist. Der Ausgang des Übertragers
ist mit einem Kolben gekoppelt, der in einem Druckspeicherzylinder
angeordnet ist. Der Druckspeicherzylinder umfasst vorzugsweise ein
Paar von Einlass- und Auslasssperrventilen, die mit einer Hydraulikzufuhr und
Speiseleitungen von der Systempumpe oder einem Sumpf bzw. dem System
in Verbindung stehen. Der aktive elektrische Druckspeicher der vorliegenden
Erfindung verfügt über breite
Einsatzmöglichkeiten
bei Hydrauliksystemen, wie etwa hydraulischen Steuerungssystemen
und hydraulischen Steuerungssystemen für Kraftfahrzeugautomatikgetriebe.
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Es
ist folglich eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen aktiven
Druckspeicher für
Hydraulikfluid zur Verwendung in Hydrauliksystemen bereitzustellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen aktiven
Druckspeicher für
Hydraulikfluid zur Verwendung in hydraulischen Steuerungssystemen
bereitzustellen.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
aktiven Druckspeicher für Hydraulikfluid
mit einem Elektromotor zur Verwendung in Hydrauliksystemen bereitzustellen.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
aktiven Druckspeicher für Hydraulikfluid
mit einem Übertrager
von mechanischer Drehung in eine Translation zur Verwendung in Hydrauliksystemen
bereitzustellen.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
aktiven Druckspeicher für Hydraulikfluid
mit einem Elektromotor und einem Übertrager von mechanischer
Drehung in eine Translation zur Verwendung in Hydrauliksystemen
bereitzustellen.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
aktiven Druckspeicher für Hydraulikfluid
mit einem Elektromotor und einem Übertrager von mechanischer
Drehung in eine Translation zur Verwendung in hydraulischen Steuerungssystemen
bereitzustellen.
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Weitere
Aufgaben, Vorteile und Anwendungsgebiete ergeben sich aus der hier
bereitgestellten Beschreibung. Es versteht sich, dass die Beschreibung
und spezielle Beispiele nur zu Veranschaulichungszwecken gedacht
sind und den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken sollen.
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ZEICHNUNGEN
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Die
hier bereitgestellten Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung
und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung keinesfalls einschränken.
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1 ist
eine schematische Zeichnung eines aktiven elektrischen Druckspeichers
gemäß der vorliegenden
Erfin dung bei einer ersten Hydraulikfluidsystemanwendung;
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2 ist
eine schematische Zeichnung eines aktiven elektrischen Druckspeichers
gemäß der vorliegenden
Erfindung bei einer zweiten Hydraulikfluidsystemanwendung;
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3 ist
eine Vollschnittansicht einer ersten Ausführungsform eines aktiven elektrischen
Druckspeichers gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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4 ist
eine Vollschnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines aktiven elektrischen Druckspeichers
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Die
folgende Beschreibung ist rein beispielhafter Natur und ist nicht
dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendungsmöglichkeiten
einzuschränken.
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Mit
Bezug auf 1 ist ein Abschnitt eines Hydrauliksystems,
das die vorliegende Erfindung enthält, veranschaulicht und allgemein
durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet. Das Hydrauliksystem 10 umfasst
eine hydraulische Hauptpumpe 12, die ein Hydraulikfluid
durch ein Filter 13 aus einem Sumpf 14 entnimmt.
Die Hydraulikpumpe 12 kann eine Zahnradpumpe, eine Gerotorpumpe
oder eine andere Pumpe, vorzugsweise eine Verdrängerpumpe sein, die typischerweise
von einer (nicht veranschaulichten) Antriebsmaschine angetrieben
wird, wie etwa einer Benzin- oder Dieselbrennkraftmaschine oder
einem hybriden oder elektrischen Antriebsaggregat.
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Eine
verzweigte Hauptzufuhrleitung 16 führt vom Ausgang der hydraulischen
Hauptpumpe 12 zu einer ersten Leitung 16A, die
davon abzweigt und ein Paar einander entgegengesetzt angeordneter,
durch Federn vorgespannter Absperrventile 18A und 18B umfasst.
Die erste Leitung 16A wirkt als eine Zufuhr- und Rückführungsleitung
an einen aktiven elektrischen Druckspeicher 20. Das Paar
durch Federn vorgespannter Absperrventile 18A und 18B verhindert eine
Strömung
in den aktiven Druckspeicher 20 hinein und aus diesem heraus,
bis vorbestimmte Druckunterschiede über diesen erreicht sind. Der
aktive elektrische Druckspeicher 20 umfasst ein zylindrisches
Gehäuse 22,
das einen Zylinder 24 definiert, der einen Kolben 26 aufnimmt.
Der Kolben 26 ist mit einer Übertrageranordnung 28 von
mechanischer Drehung in eine lineare Bewegung gekoppelt und wird
von dieser angetrieben, welche wiederum von einer elektrischen Antriebsanordnung 30 angetrieben wird.
Diese Komponenten des aktiven elektrischen Druckspeichers 20 werden
anschließend
vollständiger
beschrieben.
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Die
Hauptzufuhrleitung 16 umfasst ein erstes Sperrventil 32,
das eine Fluidströmung
von der Hydraulikpumpe 12 und dem aktiven Druckspeicher 20 an
stromabwärts
gelegene Leitungen und Komponenten des Hydrauliksystems 10 ermöglicht,
etwa eine zweite Leitung 16B, die mit einem Überdruckventil 34 in
Verbindung steht, und andere Komponenten, welches aber eine Rück- oder
Rückwärtsströmung von
derartigen Komponenten an die Hydraulikpumpe 12 und den
aktiven Druckspeicher 20 verhindert. Die verzweigte Hauptzufuhrleitung 16 umfasst auch
nur als Beispiel und zur Veranschaulichung eine dritte Leitung 16C und
eine vierte Leitung 16D, die Hydraulikfluid an einige Anschlüsse eines
hydraulischen Druckreglers oder Schiebeventils 36 liefern, sowie
einen zusätzlichen
Zweig 16E. Der hydraulische Druckregler oder das Schiebeventil 36 wird
von einem Stellglied 38 gesteuert.
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Mit
Bezug nun auf 2 ist ein Abschnitt eines zweiten
Hydraulksystems, das die vorliegende Erfindung enthält, veranschaulicht
und allgemein mit dem Bezugszeichen 50 bezeichnet. Das
zweite Hydrauliksystem 50 umfasst die Hydraulikpumpe 12, welche
wieder vorzugsweise eine Verdrängerpumpe ist,
die Hydraulikfluid durch das Filter 13 aus dem Sumpf 14 entnimmt.
Die Hydraulikpumpe 12 wird typischerweise von einer (nicht
veranschaulichten) Antriebsmaschine angetrieben. Das zweite Hydrauliksystem 50 umfasst
auch die verzweigte Hauptzufuhrleitung 16, den aktiven
Druckspeicher 20, das erste Sperrventil 32 und
nur als Beispiel und zur Veranschaulichung die Hydraulikleitungen 16B, 16C, 16D und 16E,
das Überdruckventil 34,
den hydraulischen Druckregler oder das Schiebeventil 36 und
das Stellglied 38.
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Bei
dem zweiten Hydrauliksystem 50 führt eine Druckspeicherzufuhrleitung 52,
die vorzugsweise ein Filter 54 enthält, vom Sumpf 14 an
ein Einlasssperrventil 56, das in der Druckspeicherzufuhrleitung 52 angeordnet
ist, um eine hydraulische Fluidströmung aus dem Sumpf 14 zuzulassen,
aber eine Rückströmung zu
diesem zu verhindern. Die Druckspeicherzufuhrleitung 52 steht
mit einem Einlassanschluss 62 im Gehäuse 22 des aktiven
Druckspeichers 20, welcher mit dem Zylinder 24 in
Verbindung steht, in Verbindung und endet dort. Ein Auslassanschluss 64 im
Gehäuse 22 steht
mit einer Systemzufuhrleitung 66 in Verbindung, die ein
Auslasssperrventil 68 aufweist, das angeordnet ist, um
eine hydraulische Fluidströmung
aus dem Zylinder 24 an die verzweigte Hauptzufuhrleitung 16 zu
ermöglichen, aber
eine Rückströmung zu
diesem zu verhindern. Der aktive Druckspeicher 20 umfasst
auch den Zylinder 24, den Kolben 26, die Übertrageranordnung 28 von
mechanischer Drehung in eine lineare Bewegung und die elektrische
Antriebsanordnung 30.
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Bei
dem zweiten hydraulischen System 50 ist der aktive elektrische
Druckspeicher 20 parallel zu der primären Quelle von druckbeaufschlagtem
Hydraulikfluid, der Hydraulikpumpe 12, angeordnet und kann
daher wie eine zweite, im Wesentlichen unabhängige, jedoch begrenzte Quelle
von druckbeaufschlagtem Hydraulikfluid wirken. Da der aktive elektrische
Druckspeicher 20 unabhängig
von der Hydraulikpumpe 12 arbeiten kann, ist er vorzugsweise im
Sumpf 14 angeordnet, wobei sich sein Einlass unter dem
Fluidnennniveau befindet, sodass er über eine bereitstehende Zufuhr
von Hydraulikfluid verfügt,
die vom Betrieb und der Zufuhr von der Pumpe 12 vollständig unabhängig ist.
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Mit
Bezug nun auf 3 ist eine erste Ausführungsform
des aktiven elektrischen Druckspeichers 20 veranschaulicht.
Wie angemerkt wurde, umfasst der aktive elektrische Druckspeicher 20 das
vorzugsweise zylindrische Gehäuse 22,
das einen ersten Einlassanschluss oder Durchgang 72 und
einen zweiten Auslassanschluss oder Durchgang 74 definiert.
Auf Wunsch können
der erste und zweite Anschluss 72 und 74 zu einem
einzigen Anschluss oder Durchgang kombiniert werden. Das erste Sperrventil 18A steht
mit dem ersten Einlassanschluss 72 in Verbindung und umfasst
eine Druckfeder 76, welche die Sperrkugel 78 in
eine geschlossene Position vorspannt, bis ein Fluiddruck gegen die
Sperrkugel 78 die Kraft der Feder 76 überwindet,
sodass zu diesem Zeitpunkt ein Hydraulikfluid durch das erste Sperrventil 18A und
durch den ersten Einlassanschluss 72 in den Zylinder 24 hinein
strömt.
Das zweite Sperrventil 18B steht mit dem zweiten Auslassanschluss 74 in
Verbindung und umfasst eine Druckfeder 82, welche die Sperrkugel 84 in
eine geschlossene Position vorspannt, bis ein Fluiddruck gegen die
Sperrkugel 84 die Kraft der Feder 82 überwindet,
sodass zu diesem Zeitpunkt ein Hydraulikfluid durch den zweiten
Auslassanschluss 74 und das zweite Sperrventil 18B ausströmt.
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Das
zylindrische Gehäuse 22 definiert
den glattwandigen Zylinder 24, der den Kolben 26 gleitend
aufnimmt. Der Kolben 26 definiert ein Paar umlaufender
Rillen oder Kanäle 86,
die jeweils eine O-Ring-Dichtung 88 aufnehmen und festhalten.
Der Kolben 26 ist mit einem länglichen Zwischenrohrelement 90 gekoppelt,
das einen Abschnitt der Übertrageranordnung 28 von
Rotation in Translation definiert. Das Rohrelement 90 enthält eine
koaxial angeordnete Öffnung
mit einem innenliegenden oder weiblichen Gewinde 92. Das
Gewinde 92 steht in Eingriff mit einer Stange oder einer
Führungsschraube 94 mit
einem Komplementärgewinde,
welche von einem Abtriebselement 96 der elektrischen Antriebsanordnung 30 bidirektional
gedreht wird. Es ist festzustellen, dass andere mechanische Übertrager
von Rotation in Translation, zum Bespiel Keilwellen mit Kugelbuchsen,
Schraubenfedern, Nocken und dergleichen für die beschriebenen mit einem
Komplementärgewinde
versehenen Elemente eingesetzt werden können, welche alle als im Umfang
und der Lehre der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet werden.
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Bei
der ersten Ausführungsform
des aktiven elektrischen Druckspeichers 20 umfasst die
elektrische Antriebsanordnung 30 einen bidirektionalen elektrischen
Kleinmotor 102 mit einer Abtriebswelle 104, die
mit einem Eingangselement einer Planetenrad-Drehzahluntersetzungsanordnung 106 gekoppelt
ist und diese antreibt, welche das Abtriebselement 96 antreibt.
Das Abtriebselement 96 kann zum Beispiel eine Welle oder
ein Planetenradträger
sein, welche bzw. welcher mit der Gewindewelle oder Führungsschraube 94 durch
eine Verzahnung oder eine andere geeignete Verbindung gekoppelt
ist. Der Elektromotor 102 kann mit dem Zylinder 24 in
Fluidverbindung stehen, wobei das Hydraulikfluid in diesem Fall
als Kühlmittel
und Wärmeübertragungsmedium
für den
Motor 102 wirkt, oder er kann permanent abgedichtet sein.
Zudem kann der Elektromotor 102 innerhalb des zylindrischen
Gehäuses 22 angeordnet
sein oder er kann extern montiert und daran angebracht sein.
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Mit
Bezug auf die Planetenanordnung 106 sind Planetenradanordnungen
wegen ihrer konzentrischen Konfiguration und der Leichtigkeit, mit
der eine mehrstufige Planetenradanordnung entworfen und eingebaut
werden kann, bevorzugt, obwohl andere Typen von Drehzahluntersetzungsanordnungen leicht
eingesetzt werden können.
In Abhängigkeit
von der gewünschten
Reaktionsgeschwindigkeit gegenüber
Druckcharakteristika des aktiven Druckspeichers 20 kann
eine einfache oder eine doppelte Planetenradfolge in die Drehzahluntersetzungsanordnung 106 eingebaut
sein.
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Mit
Bezug nun auf 4 ist eine zweite Ausführungsform
eines aktiven elektrischen Druckspeichers gemäß der vorliegenden Erfindung
veranschaulicht und allgemein mit dem Bezugszeichen 120 bezeichnet.
Die zweite Ausführungsform
des aktiven elektrischen Druckspeichers 120 enthält das gleiche
zylindrische Gehäuse 22,
welches den gleichen Zylinder 24 definiert, in dem sich
der gleiche Kolben 26 befindet und sich bidirektional bewegt.
Der Kolben 26 umfasst die zwei umlaufenden Rillen oder Kanäle 86,
die jeweils eine O-Ring-Dichtung 88 aufnehmen. Der Kolben 26 ist
mit einem länglichen Rohrelement 90' gekoppelt,
das eine Kugelumlaufmutter oder eine Keilwellenanordnung 124 mit
Kugelbuchse an seinem dem Kolben 26 entgegengesetzten Ende
aufweist. Die Kugelumlaufmutter oder Keilwellenanordnung 124 mit
Kugelbuchse nimmt eine Gewindewelle oder eine Führungsschraube 126 auf, die
ein männliches
oder Außengewinde
aufweist, das zu der Konfiguration der Kugelumlaufmutteranordnung 124 komplementär ist. Eine
bidirektionale Drehung der Welle oder Führungsschraube 126 verschiebt
den Kolben 26 im Zylinder 24 bidirektional. Die
Gewindewelle oder Führungsschraube 126 ist mit
einer Abtriebswelle 104' des
bidirektionalen Kleinelektromotors 102 gekoppelt und wird
von diesem bidirektional gedreht.
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Die
Direktantriebskonfiguration des aktiven elektrischen Druckspeichers 120 der
zweiten Ausführungsform
stellt eine relativ schnellere Antwort und schnellere Fluidströmungen als
der Antrieb mit reduzierter Drehzahl des aktiven elektrischen Druckspeichers 20 der
ersten Ausführungsform
bereit, der zum Arbeiten bei und zum Bereitstellen von relativ höheren Fluiddrücken in
der Lage ist. Somit hängt
es von Systemanforderungen an die hydraulische Fluidströmung und
den Druck und von Betriebsparametern sowie der Leistungsausgabe
des Elektromotors 102 ab, ob eine einstufige oder mehrstufige
Getriebedrehzahluntersetzungsanordnung 106, wie sie in 3 veranschaulicht
ist, oder eine Direktantriebsanordnung, wie sie in 4 veranschaulicht
ist, bei einem aktiven elektrischen Fluiddruckspeicher gemäß der vorliegenden
Erfindung eingesetzt wird.
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Obwohl
die erste Ausführungsform
des aktiven elektrischen Druckspeichers 20 allgemein in 3 in
Verbindung mit dem Hydrauliksystem 10 veranschaulicht und
beschrieben wurde und der aktive elektrische Druckspeicher 120 der
zweiten Ausführungsform
in 4 allgemein in Verbindung mit dem Hydrauliksystem 50 veranschaulicht
und beschrieben wurde, ist festzustellen, dass jeder aktive Druckspeicher
zur Verwendung in jedem System geeignet und angemessen ist. Obwohl
die Planetenrad-Drehzahluntersetzungsanordnung 106 in 3 in
Verbindung mit dem Gewinde 90 im Rohrelement 90 beschrieben
wurde, wohingegen die Direktantriebskonfiguration von 4 in
Verbindung mit der Kugelumlaufmutter oder der Keilwellenanordnung 124 mit
Kugelbuchse beschrieben wurde, kann gleichermaßen jede mechanische Übertrageranordnung 28 mit
jeder elektrischen Antriebsanordnung 30 verwendet werden.
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Es
ist auch festzustellen, dass die aktiven elektrischen Druckspeicher 20 und 120 gemäß der vorliegenden
Erfindung zahlreiche Vorteile und Vergünstigungen relativ zu herkömmlichen
passiven Druckspeichern bereitstellen. Zunächst können die Druckspeicher 20 und 120 durch
eine Betätigung
des Elektromotors 102 vollständig aufgeladen werden. Somit
kann der Druckspeicher sogar schon vor einem Systemstart vollständig aufgeladen
und zum Bereitstellen einer beabsichtigten Funktion bereit sein.
Ein zweiter Nutzen, der auch in Bezug zu dem unabhängigen Betrieb
des Elektromotors 102 steht, besteht darin, dass die Druckspeicher 20 und 120 ohne
oder unabhängig
von der Schaffung eines Systemfluiddrucks oder einer Systemfluidströmung gefüllt oder
aufgeladen werden können.
Darüber
hinaus kann durch ein Modulieren der Drehzahl des Elektromotors 102 die
Auffüll-
oder Wiederauflade- und Entladerate gesteuert werden. Schließlich können die Druckspeicher 20 und 120 als
Pumpen mit niedriger Strömung
und niedrigem Druck verwendet werden, um die hydraulische Hauptpumpe 12 des
Systems während
kurzer Perioden mit hoher Systemströmungsanforderung oder anderen
transienten Bedingungen zu ergänzen
oder zu ersetzen.
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Die
Beschreibung der Erfindung ist rein beispielhafter Natur und Veränderungen,
die nicht vom Geist der Erfindung abweichen, sollen im Umfang der Erfindung
liegen. Solche Veränderungen
dürfen
nicht als ein Abweichen vom Geist und Umfang der Erfindung aufgefasst
werden.