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Die Erfindung betrifft eine hydraulische Antriebsvorrichtung, umfassend eine Druckquelle zur Bereitstellung eines unter Druck stehenden Hydraulikfluids und eine Drucksenke sowie wenigstens zwei durch das Hydraulikfluid beaufschlagbare Zylinder-Kolben-Aggregate, wobei jedem der Zylinder-Kolben-Aggregate ein durch einen Sollwertgeber gesteuertes oder geregeltes, an Druckquelle und Drucksenke angeschlossenes Proportionalventil zugeordnet ist, welches jeweils zwei im Druckniveau proportional einstellbare und umschaltbare Hydraulikausgänge aufweist, an welche die Kolbenräume der Zylinder-Kolben-Aggregate anschaltbar bzw. angeschaltet sind.
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Die Erfindung betrifft weiterhin auch eine Austauschvorrichtung für hydraulische Antriebe, die als energetisch optimierter Ersatz zumindest eines Teils bekannter hydraulischer Antriebsvorrichtungen eingesetzt werden kann.
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Hydraulische Antriebsvorrichtungen der vorbeschriebenen gattungsgemäßen Art sind im Stand der Technik bekannt und kommen beispielsweise zum Einsatz bei mobilen oder auch stationären Arbeitsmaschinen, wie sie beispielsweise im Baugewerbe Verwendung finden, beispielsweise in Verbindung mit Baggern, Kränen oder ähnlichen Vorrichtungen.
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Als Druckquelle kommen hierbei oftmals motorisch betriebene Kompressoren zum Einsatz, die geeignet sind, ein Hydraulikfluid, wie beispielsweise Hydrauliköl, mit einem bestimmten anwendungsbezogen benötigten Druckniveau bereitzustellen. In einer solchen Druckquelle wird demnach das Hydraulikfluid durch die Hydraulikleitungen der Antriebsvorrichtung gepumpt in Richtung zu einer Drucksenke, die beispielsweise durch einen Tank gebildet sein kann, beispielsweise ein solcher Tank, in dem Umgebungsdruckniveau vorherrscht.
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Sollwertgeber, die zur Steuerung oder Regelung der Proportionalventile eines jeden Zylinder-Kolben-Aggregates eingesetzt werden, können beispielsweise durch Steuerknüppel oder Hebel ausgebildet sein, die oftmals im Cockpit einer solchen hydraulischen Antriebsvorrichtung von Maschinenführern bedient werden, um die Auslenkungsweite der jeweils angeschlossenen Zylinder-Kolben-Aggregate vorzugeben.
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Demnach wird in Abhängigkeit des durch einen solchen Sollwertgeber vorgegebenen Sollwertes des daran angeschlossene Proportionalventil umgesteuert bzw. entsprechend weit aufgesteuert, um die daran angeschlossenen Hydraulikausgänge mit einem proportionalen, vom Sollwertgeber abhängenden Volumenstrom des Hydraulikfluids zu beaufschlagen.
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Die einzelnen, in der hydraulischen Wirkungskette angeordneten Elemente, wie beispielsweise die Zylinder-Kolben-Aggregate, Proportionalventile oder auch sonstige Elemente werden üblicherweise durch Hydraulikleitungen, beispielsweise mittels entsprechender Anschlusskupplungen, untereinander verbunden. Hierfür können beispielsweise die Zylinder-Kolben-Aggregate, Proportionalventile und sonstige Elemente die dafür notwendigen Kupplungsvorrichtungen aufweisen.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, dass hydraulische Antriebsvorrichtungen dieser gattungsgemäßen Art üblicherweise wenigstens zwei, wenn nicht gar mehr Zylinder-Kolben-Aggregate aufweisen. Dabei sind üblicherweise wenigstens zwei oder mehrere solcher Zylinder-Kolben-Aggregate in einer Kraftwirkungskette angeordnet, was bedeutet, dass z. B. eine gehobene Last eine Kraft erzeugt, die sich vektoriell, je nach Winkellage der einzelnen Zylinder-Kolben-Aggregate unterschiedlich auf diese Zylinder-Kolben-Aggregate aufteilt.
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Wird demnach bei einer Antriebsvorrichtung der im Stand der Technik bekannten Art eine einzige hydraulische Druckquelle eingesetzt, so bedeutet das, dass diese Druckquelle ein Druckniveau bereitstellen muss, welches hoch genug ist, um das Druckniveau desjenigen Zylinder-Kolben-Aggregates aufzubringen, welches den höchsten Kraftanteil bzw. das höchste Lastdruckniveau (welches sich aus den Wirkkräften und -flächen im jeweiligen Zylinder ergibt) aufnimmt. In gleicher Weise bedeutet dies, dass die geringeren benötigten Druckniveaus an anderen Zylinder-Kolben-Aggregaten, die mit kleineren Kraftanteilen, bzw. Lastdruckniveaus beaufschlagt werden, gedrosselt werden müssen. Dies erfolgt durch die proportionale Ansteuerung der Proportionalventile, die einem jeden Zylinder-Kolben-Aggregat vorgeschaltet sind, wobei diese Drosselverluste zur Umgebung hin entstehen.
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Darüber hinaus ist es im Stand der Technik bekannt, dass die in einer solchen Antriebsvorrichtung gespeicherte Energie, beispielsweise die Energie, die gespeichert ist, wenn eine Last getragen wird, üblicherweise zur Umgebung hin verloren geht, wenn ein Entlastungsfall, also z. B. das Absetzen der Last, stattfindet.
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Es zeigt sich demnach, dass die im Stand der Technik bekannten Antriebsvorrichtungen der vorgenannten gattungsgemäßen Art mit starken Verlusten behaftet sind, die sich beispielsweise in erhöhten Kraftstoffverbräuchen sowie sonstigen Emissionen bemerkbar machen.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Antriebsvorrichtung der eingangs genannten gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, dass die Drosselverluste beim Betrieb einer solchen Antriebsvorrichtung gegenüber dem Stand der Technik signifikant verringert werden.
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Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, eine Antriebsvorrichtung der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, dass eine Rückgewinnung der in der Antriebsvorrichtung gespeicherten Energie ermöglicht wird.
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Ebenso ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Austauschvorrichtung bereit zu stellen, die als Ersatz zumindest eines Teils von im Stand der Technik bereits verbauten Antriebsvorrichtungen eingesetzt werden kann, insbesondere um eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung nachträglich auszubilden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine hydraulische Antriebsvorrichtung der eingangs beschriebenen gattungsgemäßen Art, bei der zumindest eines der wenigstens zwei Zylinder-Kolben-Aggregate als ein Aggregat mit mehr als zwei Kolbenräumen ausgebildet ist und die Kolbenräume zur stufenweise variablen Einstellung verschieden großer effektiv wirkender Kolbenfläche wahlweise zusammenschaltbar sind, wozu jeder Kolbenraum hydraulisch mit dem Ausgang eines jeweiligen, dem Kolbenraum zugeordneten elektrisch gesteuerten Umschaltventils verbunden ist, über welches der jeweilige Ausgang wahlweise an einen der Hydraulikausgänge des zugeordneten Proportionalventils anschaltbar ist und wobei weiterhin eine Stelleinheit vorgesehen ist, der von Drucksensoren zumindest der Druck an den jeweiligen zwei Hydraulikausgängen derjenigen Proportionalventile als Messwerte zugeführt ist, die Zylinder-Kolben-Aggregaten mit mehr als zwei Kolbenräumen zugeordnet sind und wobei die Steuereinheit eingerichtet ist über eine Ansteuerung der elektrisch gesteuerten Umschaltventile die Kolbenräume der jeweiligen Zylinder-Kolben-Aggregate mit mehr als zwei Kolbenräumen in Abhängigkeit der gemessenen Drücke an die Hydraulikausgänge zu schalten, insbesondere derart, dass die Drosselverluste wenigstens eines, bevorzugt aller Zylinder-Kolben-Aggregate, verringert, besonders bevorzugt minimiert sind.
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Zylinder-Kolben-Aggregate im Sinne der Erfindung sind allgemein solche Aggregate, in denen ein Kolben in einem Zylinder geführt ist, wobei durch Druckbeaufschlagung der an einen jeweiligen Kolben angrenzenden Kolbenräume eine Verschiebung des Kolbens im Zylinder und damit auch eine Verschiebung der jeweils an einem Kolben angeordneten Kolbenstange erfolgt.
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Dabei sind übliche Zylinder-Kolben-Aggregate als solche Aggregate ausgebildet, die zwei Kolbenräume aufweisen, die von dem Kolben zum Teil begrenzt werden, das bedeutet, dass eine Kolbenfläche eine Kolbenräumfläche bildet, so dass durch die Druckbeaufschlagung des Kolbenraums durch ein Hydraulikfluid eine Kraft auf diese Kolbenfläche ausgeübt wird, die zu einer Verschiebung des Kolbens führt.
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Bei üblichen Zylinder-Kolben-Aggregaten sind dabei die Kolbenräume derart angeordnet, dass sie normalerweise zu zwei verschiedenen, gegenüberliegenden Seiten eines Kolbens angeordnet sind, so dass durch jeweilige Druckbeaufschlagung der Kolbenräume effektiv in verschiedene, einander entgegengesetzte Richtungen wirkende Kräfte auf den Kolben ausgeübt werden können, die üblicherweise zu einem Ausfahren oder auch einem Einziehen der Kolbenstange führen.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, solche Zylinder-Kolben-Aggregate ausschließlich oder zumindest zusammen mit diesen klassischen vorgenannten Zylinder-Kolben-Aggregaten einzusetzen, die mehr als zwei Kolbenräume aufweisen.
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Dabei ist es bei solchen Zylinder-Kolben-Aggregaten mit mehr als zwei Kolbenräumen vorgesehen, dass der in einem Zylinder angeordnete verschiebliche Kolben jeweils eine Kolbenraumfläche eines jeden vorhandenen Kolbenraums bildet, wobei durch Druckbeaufschlagung jedes der vorhandenen mehr als zwei Kolbenräume eine Kraft auf den Kolben ausgeübt werden kann, die sich durch die effektive Fläche des Kolbens in dem jeweils betrachteten Kolbenraum und dem wirkenden Druck ergibt.
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Dabei besteht die Möglichkeit, bei Zylinder-Kolben-Aggregaten mit mehr als zwei Kolbenräumen zwei oder mehr Kolbenräume hydraulisch zusammenzuschalten, was bedeutet, dass je nachgeometrischer Anordnung der Flächen zueinander sich eine effektive Addition oder Subtraktion der druckbeaufschlagten Kolbenraumflächen ergibt, so dass demnach die Möglichkeit besteht, mit einem Zylinder-Kolben-Aggregat mit mehr als zwei Kolbenräumen die effektive Fläche, die mit einem Druck beaufschlagt ist, stufenweise variabel zu gestalten gegenüber den üblicherweise im Stand der Technik bekannten Zylinder-Kolben-Aggregaten mit lediglich zwei Kolbenräumen. Die Zylinder-Kolben-Aggregate mit mehr als zwei Kolbenräumen erschließen somit die Möglichkeit, entweder bei einem bestimmten vorgegebenen Druck variabel einstellbare Kräfte zu erzeugen oder aber bei einer gegebenen Last bzw. wirkenden Kraft in den Kolbenräumen je nach Verschaltung unterschiedliche Druckniveaus zu erzeugen.
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So ist gerade dies das wesentliche Wirkprinzip der Erfindung, da es erfindungsgemäß vorgesehen ist, jeden der Kolbenräume von Zylinder-Kolben-Aggregaten mit mehr als zwei Kolbenräumen einem elektrisch gesteuerten Umschaltventil zuzuordnen, so dass jedes erfindungsgemäß eingesetzte Zylinder-Kolben-Aggregat mit mehr als zwei Kolbenräumen eine der Anzahl der Kolbenräume entsprechende Anzahl von elektrisch gesteuerten Umschaltventilen aufweist und sich hierdurch die Möglichkeit erschließt, die insgesamt vorhandenen Kolbenräume in verschiedenen möglichen Kombinationen hydraulisch zusammenzuschalten, wofür es vorgesehen ist, dass jedes der Umschaltventile zwei Eingänge aufweist, die hydraulisch mit den beiden Ausgängen der bereits im Stand der Technik bekannten Proportionalventile verbunden sind.
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So besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, an die jeweiligen Ausgänge (Drucksenke bzw. Druckquelle) des Proportionalventils, welches durch einen Sollwertgeber beispielsweise gesteuert ist, die mehr als zwei Kolbenräume eines solchen eingesetzten Zylinder-Kolben-Aggregates in einer Vielzahl von verschiedenen Verschaltungsvarianten zu verbinden.
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Mit einer erfindungsgemäßen hydraulischen Antriebsvorrichtung kann somit das Lastdruckniveau, welches in einem Zylinder-Kolben-Aggregat mit wenigstens zwei Kolbenräumen, z. B. bei einer gehobenen Last wirkt, durch unterschiedlich mögliche Verschaltung der einzelnen Kolbenräume miteinander in einer Vielzahl von Stufen geändert werden und so beispielsweise an das Druckniveau der Druckquelle angeglichen werden oder aber bei Einsatz von einer Vielzahl von Zylinder-Kolben-Aggregaten mit mehr als zwei Kolbenräumen in verschiedenen Stufen so geändert werden, dass eine Angleichung der Lastdruckniveaus zumindest in den einzelnen Zylinder-Kolben-Aggregaten mit mehr als zwei Kolbenräumen entsteht.
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Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung ist es ebenso vorgesehen, eine Austauschvorrichtung für bekannte hydraulische Antriebe der eingangs genannten gattungsgemäßen Art mit Zylinder-Kolben-Aggregaten bereit zu stellen, bei dem übliche Zylinder-Kolben-Aggregate mit zwei Kolbenräumen ausgetauscht werden mit solchen Zylinder-Kolben-Aggregaten, die mehr als zwei Kolbenräume aufweisen oder aber allgemein Aggregate mit weniger Kolbenräumen ausgetauscht werden durch solche mit mehr Kolbenräumen.
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So ist eine Austauschvorrichtung für hydraulische Antriebe mit zumindest einem Zylinder-Kolben-Aggregat mit mehr als zwei Kolbenräumen vorgesehen, dass jeweils als Ersatzaggregat anstelle wenigstens eines Zylinder-Kolben-Aggregates mit weniger Kolbenräumen, insbesondere mit nur zwei Kolbenräumen, in einem hydraulischen Antrieb einsetzbar ist, wobei die Kolbenräume des wenigstens einen Ersatzaggregates zur stufenweise variablen Einstellung verschieden großer effektiv wirkender Kolbenflächen wahlweise zusammenschaltbar sind, wozu jeder Kolbenraum hydraulisch mit dem Ausgang eines jeweiligen, dem Kolbenraum zugeordneten elektrisch gesteuerten Umschaltventils verbunden ist und jedes Umschaltventil zwei Eingänge aufweist, die mit den beiden Hydraulikausgängen des dem ursprünglichen Zylinder-Kolben-Aggregat zugeordneten Proportionalventils verbindbar sind und die weiterhin mit einer Stelleinheit sowie mit Drucksensoren versehen ist, über die als Messwerte der Stelleinheit der Druck an den jeweiligen zwei Hydraulikausgängen derjenigen ursprünglichen Proportionalventile zuführbar ist, die Ersatz-Aggregaten zuzuordnen sind, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist über eine Ansteuerung der elektrisch gesteuerten Umschaltventile die Kolbenräume jedes der Ersatz-Aggregate in Abhängigkeit der gemessenen Drücke an die jeweiligen Hydraulikausgänge zu schalten, insbesondere derart, dass die Drosselverluste zumindest des als Ersatz eingesetzten Zylinder-Kolben-Aggregates, bevorzugt aller Zylinder-Kolben-Aggregate, verringert, bevorzugt minimiert sind.
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Als vorteilhaft ist es hier anzusehen, dass eine solche erfindungsgemäße Austauschvorrichtung in im Wesentlichen allen im Stand der Technik bekannten Antriebsvorrichtungen als Ersatz für ein Zylinder-Kolben-Aggregat mit weniger Kolbenräumen, insbesondere mit nur zwei Kolbenräumen, Verwendung finden kann.
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Hierbei kann weiterhin das dem ursprünglichen Zylinder-Kolben-Aggregat zugeordnete Proportionalventil verwendet werden, an welches sodann jedoch statt dem ursprünglichen Zylinder-Kolben-Aggregat mit seinen weniger, insbesondere nur zwei Kolbenräumen nunmehr dasjenige mit den mehr als zwei Kolbenräumen angeschlossen wird, was jedoch nicht direkt, sondern über die jedem Kolbenraum zugeordneten Umschaltventile erfolgt, von denen jedes mit seinen beiden Eingängen mit den jeweiligen beiden Ausgängen des ursprünglichen Proportionalventils zu diesem Zweck verbunden wird.
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Erfindungsgemäß kann es demnach vorgesehen sein, eine hydraulische Schnittstelle an solch einer Austauschvorrichtung vorzusehen, die in einfachster Ausgestaltung zwei Anschlüsse aufweist, die mit den beiden Ausgängen des ursprünglichen und weiterhin benutzten Proportionalventils verbunden werden, wobei an diesen beiden Anschlüssen bereits in einer vorkonfigurierten Einheit die vollständige fertige Verschaltung der Umschaltventile und des als Ersatz vorgesehen Zylinder-Kolben-Aggregates mit mehr als zwei Kolbenräumen vorliegt.
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Lediglich zusätzlich verwendet wird eine erfindungsgemäße Steuereinheit, welche die über die Drucksensoren bereit gestellten Drücke an den beiden Ausgängen desjenigen Proportionalventils bereitstellt, an dem das Ersatzaggregat angeordnet wird. In Abhängigkeit dieser gemessenen Drücke ist die Steuereinheit eingerichtet, die Kolbenräume zur Drosselverlustverringerung oder auch zu einer Energierückgewinnung zu verschalten.
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Unabhängig davon, ob eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung bereits ursprünglich in der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Art ausgestaltet ist oder aber eine Antriebsvorrichtung gemäß Stand der Technik mit einer erfindungsgemäßen Austauschvorrichtung ausgerüstet wurde, kann es in einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass die Vorrichtung einen Drucksensor umfasst, mit dem der von der Druckquelle erzeugte Druck messbar ist und dessen Messwert der Steuereinheit ebenfalls zugeführt ist.
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So liegen der Steuereinheit demnach zum einen derjenige Druck vor, welche in der Druckquelle unmittelbar erzeugt ist, sowie des Weiteren zumindest der Druck in der Hochdruckleitung, d. h. derjenigen Leitung des Zylinder-Kolben-Aggregates mit den mehr als zwei Kolbenräumen, die über das Proportionalventil mit der Hochdruckseite, d. h. der Druckquelle verbunden ist, so dass dieser Druck dem Druck der Druckquelle abzüglich der Drosselverluste entspricht. Weiterhin kann der Stelleinheit auch der Druck zur Verfügung gestellt sein über einen Drucksensor, welcher in der Niederdruckleitung vorherrscht, d. h. in derjenigen Leitung, die über das Proportionalventil mit der Drucksenke, z. B. einem Tank in Verbindung steht.
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In erfindungsgemäßer Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass die Steuereinheit, insbesondere bei einem Belastungsvorgang eingerichtet ist, zu wenigstens einem, insbesondere zu jedem Zylinder-Kolben-Aggregat mit mehr als zwei Kolbenräumen aus der aktuellen Schaltkonfiguration der jeweiligen Umschaltventile anhand der jeweils gespeicherten Kolbenflächen der jeweiligen Kolbenräume die aktuelle effektiv wirkende Kolbenfläche zu bestimmen.
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Diese Möglichkeit kann insoweit erschlossen sein, als dass in der Steuereinheit die einzelnen Kolbenflächen der Kolbenräume sowie aufgrund der Anordnung der Kolbenflächen deren Vorzeichenbehaftung gespeichert ist, ebenso wie eine Information, welche der insgesamt vorhandenen Umschaltventile an die Hochdruckseite bzw. an die Niederdruckseite bzw. miteinander verschaltet sind.
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So können unter Berücksichtigung der Vorzeichenbehaftung der gespeicherten Kolbenflächen die Kolbenflächen der miteinander verschalteten Umschaltventile bzw. derjenigen Umschaltventile, die jeweils gemeinsam an die Druckquelle bzw. die Drucksenke über das Proportionalventil angeschaltet sind, addiert werden, um die effektiv wirkende Kolbenfläche zu bestimmen gemäß der aktuell vorliegenden Konfiguration der Umschaltventile.
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In Kenntnis dieser so bestimmbaren, effektiv wirkenden Kolbenfläche kann zu dem betrachteten Zylinder-Kolben-Aggregat in weiterer Kenntnis des gemessenen Drucks in dem an die Druckquelle angeschlossenen Hydraulikanschluss des jeweiligen zugeordneten Proportionalventils die aktuell am jeweiligen Aggregat wirkende Kraft berechnet werden. Die Stelleinheit ist entsprechend eingerichtet, um aufgrund der gespeicherten Kolbenflächenbeträge bzw. Kolbenflächengrößen, der daraus berechneten effektiv wirkenden Kolbenfläche und dem gemessenen Druck, diese aktuell wirkende Kraft zu berechnen.
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Des Weiteren ist es vorgesehen, dass der Steuereinheit eine Information darüber vorliegt, welche anderen, abgesehen von der aktuell vorliegenden Schaltkonfiguration, möglichen effektiv wirkenden Kolbenflächen durch andersartige Verschaltung der Umschaltventile grundsätzlich ebenso einstellbar sind, so dass die Steuereinheit demnach eingerichtet sein kann für alle anderen möglichen effektiv wirkenden Kolbenflächen vor dem Hintergrund der zuvor berechneten aktuell wirkenden Kraft, die alternativen hydraulischen Drücke zu berechnen, die bei der aktuell wirkenden Kraft ebenfalls erzielt würden, wenn die jeweils andere mögliche Schaltkonfiguration der Ventile gegeben wäre.
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Es ist sodann erfindungsgemäß vorgesehen, dass in Abhängigkeit des gemessenen Drucks und der berechneten alternativen Drücke (bei den anderen theoretisch möglichen, aber aktuell nicht vorliegenden Schaltkonfigurationen) des jeweiligen Aggregates für dieses Zylinder-Kolben-Aggregat eine neue Schaltkonfiguration aller Umschaltventile bestimmt wird, mit der am jeweiligen Aggregat die wirkende Kraft erzeugbar ist unter Verringerung, insbesondere Minimierung der hydraulischen Drosselverluste über das jeweilige Proportionalventil, insbesondere über das jeweilige ursprüngliche Proportionalventil, sofern eine Austauschvorrichtung eingesetzt wird. Ist eine solche Verringerung nicht möglich, so kann es vorgesehen sein, dass die aktuelle Schaltkonfiguration der Umschaltventil beibehalten wird.
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Hier kann es beispielsweise vorgesehen sein, an dem wenigstens einen Zylinder-Kolben-Aggregat durch Wählen einer geänderten Schaltkonfiguration der eingesetzten Umschaltventile dieses Zylinder-Kolben-Aggregat einzustellen auf eine effektive Kolbenfläche, zu welcher einer der berechneten Drücke die geringste Differenz zum gemessenen Druck der Druckquelle hat. So wird nämlich durch die Verringerung der Differenz des Drucks an dem Zylinder-Kolben-Aggregat zum Druck der Druckquelle der über das Proportionalventil zu generierende Verlust verringert.
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So kann es in einer Ausführungsform, insbesondere in einer solchen, in welcher nur zu einem Zylinder-Kolben-Aggregat mit mehr als zwei Kolbenräumen eine Optimierung stattfinden soll, vorgesehen sein aus allen Druckwerten, d. h. dem gemessenen Druck sowie den alternativ berechneten Drücken denjenigen Druck und somit die damit verbundene Konfiguration der Umschaltventile auszuwählen, wodurch die geringste Differenz zum Druck der Druckquelle hergestellt wird.
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Sofern eine entsprechende Optimierung bei mehr als einem Zylinder-Kolben-Aggregat mit mehr als zwei Kolbenräumen stattfinden soll, kann es allgemein vorgesehen sein, eine Verringerung der Drosselverluste dadurch herbeizuführen, bei den jeweiligen Zylinder-Kolben-Aggregaten Schaltkonfigurationen der Umschaltventile einzustellen, die zu solchen Drücken führen, bei denen insgesamt über alle Drücke der beteiligten Aggregate die Druckdifferenzen minimiert sind.
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Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, beispielsweise mittels der Steuereinheit in periodischen zeitlichen Abständen die jeweils an den zu überwachenden Zylinder-Kolben-Aggregaten vorherrschenden Kräfte zu bestimmen und die zuvor beschriebene Drosselverlustverringerung durchzuführen. So kann es demnach vorgesehen sein, dass zyklisch bei ändernden Kraftverhältnissen auch Umschaltungen der Umschaltventile vorgenommen werden, um die wirkenden Drücke an den überwachten Zylinder Kolben-Aggregaten umzuschalten und die Verluste zu verringern. Statt einer zyklischen Durchführung dieses Optimierungsverfahren kann es auch vorgesehen sein, die Neubestimmung der Schaltkonfiguration durchzuführen, wenn durch Druckmessung (z. B. in der Hydraulikleitung, die über das Proportionalventil mit der Druckquelle verbunden ist) festgestellt wurde, dass sich der Druck geändert hat. So werden in statischen Situationen Neuberechnungen vermieden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung kann es auch vorgesehen sein, dass die eine für alle Aggregate vorgesehene Druckquelle hinsichtlich des erzeugten Drucks einstellbar ist und die Steuereinheit eingerichtet ist, der Druckquelle ein Steuersignal zu übermitteln, gemäß dem ein Druck einstellbar ist, der um ein vorbestimmtes Maß größer ist als der größte aller zu der eingestellten neuen Schaltkonfiguration berechneter/gemessener Drücke.
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So hat diese Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung den besonderen Vorteil, dass nicht nur durch bloßes Umschalten der jeweils überwachten Zylinder-Kolben-Aggregate eine Drosselverlustoptimierung stattfinden kann, sondern dass weiterhin auch der in der Druckquelle erzeugte Druck selbst in Abhängigkeit der vorgegebenen Belastungssituation der erfindungsgemäßen Vorrichtung angepasst werden kann. So besteht beispielsweise theoretisch lediglich die Notwendigkeit, den Druck so hoch zu gestalten, wie es dem größten gemessenen bzw. berechneten Druck bei allen Zylinder-Kolben-Aggregaten entspricht, um die notwendigen Kräfte aufzubringen. In der Praxis muss hingegen aufgrund nicht vermeidbarer Verluste an den Ventilen sowie in den hydraulischen Leitungen der Druck an der Druckquelle größer sein als der theoretisch berechnete, für den jeweiligen Lastfall benötigte Druck, so dass es demnach erfindungsgemäß vorgesehen ist, den Druck an der Druckquelle um ein vorbestimmtes Maß größer und somit immer auf der sicheren Seite zu halten.
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Besonders bei einer Beinflussung der Druckquelle und Einsatz von mehreren Aggregaten mit mehr als zwei Kobenräumen kann es im Verfahren vorgesehen sein, bei allen diesen Zylinder-Kolben-Aggregaten mit mehr als zwei Kolbenräumen jeweils die Schaltkonfiguration auszuwählen, mit welcher die benötigte Kraft mit der größten effektiven Kolbenfläche erzielt wird, da hierdurch das benötigte Druckniveau der Druckquelle gesenkt werden kann. Durch Umschaltung aller Umschaltventile zu allen diesen Aggregaten und gleichzeitige Reduktion des Druckes der Druckquelle kann so bei gleichbleibendem Lastfall Energie eingespart werden.
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Neben der zuvor beschriebenen Reduzierung der Drosselverluste mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es in einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung auch vorgesehen sein, eine verbesserte bzw. überhaupt eine Energierückgewinnung zu ermöglichen.
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Hierfür kann es vorgesehen sein, dass die Stelleinheit, insbesondere bei einem Entlastungsvorgang, eingerichtet ist zu wenigstens einem, insbesondere zu jedem Aggregat mit mehr als zwei Kolbenräumen aus der aktuellen Schaltkonfiguration der jeweiligen Umschaltventile anhand der jeweils gespeicherten Kolbenflächen der jeweiligen Kolbenräume, die aktuelle effektiv wirkende Kolbenfläche zu bestimmen. Weiterhin ist die Steuereinheit eingerichtet mit dem gemessenen Druck in den mit der Druckquelle verbundenen Hydraulikanschlüssen des jeweiligen zugeordneten Proportionalventils die aktuell am Zylinder-Kolben-Aggregat wirkende Kraft zu berechnen, was im Wesentlichen demselben Schritt entspricht, wie er zuvor beschrieben wurde in Verbindung mit der Drosselverlustminimierung.
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Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, zu bestimmen, ob unter allen möglichen effektiven Kolbenflächen eine kleinere als die aktuelle effektive Kolbenfläche einstellbar ist und diese durch Umschaltung der Umschaltventile auszuwählen, wenn mit der aktuell wirkenden Kraft nach der Umschaltung ein höherer Druck am Hydraulikanschluss erzeugbar ist als der Druck der Druckquelle.
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Es kann sodann hierdurch der Vorteil erzielt werden, dass eine Rückführung der hydraulischen Leistung aus der aktuellen Arbeitsaufgabe der Vorrichtung in Richtung der Druckquelle möglich wird. Es besteht demnach keine Notwendigkeit mehr, so wie im Stand der Technik, bei einem Entlastungsvorgang die in der Vorrichtung gespeicherte Energie zur Umgebung hin zu vernichten. Vielmehr kann hier durch die erfindungsgemäß vorgesehene Druckerhöhung in den hydraulischen Leitungen auf ein Niveau oberhalb des Drucks der Druckquelle sicher gestellt werden, dass eine Rückführung des Hydraulikfluids und damit eine Rückführung gespeicherter Energie erschlossen wird.
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Erfindungsgemäß kann es bei sämtlichen vorbeschriebenen Ausführungsformen vorgesehen sein, dass die Vorrichtung wenigstens eine Einrichtung zur Ventilhubkorrektur umfasst, welcher zum einen eine Sollwertvorgabe eines Sollwertgebers zugeführt ist und welcher zu einem jeweils betrachteten Zylinder-Kolben-Aggregat die aktuelle Schaltkonfiguration der Umschaltventile zugeführt oder bekannt ist und die weiterhin eingerichtet ist in Abhängigkeit dieser Informationen eine Sollwertvorgabe, beispielsweise eine solche, die von einem Benutzer der Vorrichtung gegeben wird, zu korrigieren, insbesondere diese Korrektur beispielsweise durch Multiplikation mit einem Korrekturwert vorzunehmen und dem Proportionalventil den korrigierten Sollwert als neuen Sollwert für den einzustellenden Ventilhub dieses Proportionalventils zuzuführen.
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So kann es in einer Weiterbildung vorgesehen sein, in einer Einrichtung zur Ventilhubkorrektur Informationen zu speichern über die Verhältnisse der Verfahrgeschwindigkeit eines ursprünglichen Zylinder-Kolben-Aggregates zu den Verfahrgeschwindigkeiten eines ersetzten Zylinder-Kolben-Aggregates mit mehr als zwei Kolbenräumen bei jeder der möglichen effektiven Kolbenflächen, wobei jedes der möglichen Verhältnisse eine in Abhängigkeit der Schaltkonfiguration der Umschaltventile auswählbaren Korrekturfaktor bildet.
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So kann in einfachster Weise eine Vorrichtung gemäß Stand der Technik mit einer Austauschvorrichtung gemäß der Erfindung ausgestattet werden, ohne dass ein Benutzer eine Umgewöhnungsphase benötigt, da eventuell aufgrund des ersetzten Zylinder-Kolben-Aggregates geänderte Verfahrgeschwindigkeiten bereits systemintern korrigiert werden, dadurch dass der Einrichtung zur Ventilhubkorrektur sämtliche Verhältnisse der Verfahrgeschwindigkeit bei allen möglichen effektiven Kolbenflächen des neu eingesetzten Zylinder-Kolben-Aggregates mit den zwei Räumen in Relation zu dem alten Zylinder-Kolben-Aggregat gespeichert und bekannt sind.
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In ähnlicher Weise kann es in einer Weiterbildung auch vorgesehen sein, an einer Einrichtung zur Ventilrichtungskorrektur Informationen zu speichern, über die in Abhängigkeit des hydraulischen Leistungsflusses über des Proportionalventil die Ventilrichtung änderbar ist, in welcher das Proportionalventil mit der Hochdruckquelle verschaltbar ist.
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So kann insbesondere zur Energierückgewinnung nach der zuvor beschriebenen Druckerhöhung durch Verringerung der effektiven Kolbenfläche im Entlastungsfall sicher gestellt werden, dass das Proportionalventil trotz einer Sollwertvorgabe durch einen Bediener so schaltet, dass das durch die geänderte Schaltkonfiguration erhöhte Druckniveau nunmehr nicht wie im üblichen Stand der Technik an die Tankseite, d. h. die Drucksenke, angeschaltet wird, sondern auf die Hochdruckseite, d. h. an die Druckquelle.
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So ist es demnach erfindungsgemäß vorgesehen, dass das System bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung automatisch durch interne Bewertungsabläufe feststellt, ob im vorliegenden Lastfall eine Energierückgewinnung möglich ist, d. h. eine Anhebung der im System wirkenden Drücke auf ein Niveau oberhalb des Druckniveaus der Druckquelle durch Verringerung der effektiven Kolbenflächen des jeweils betrachteten Zylinder-Kolben-Aggregates, um sodann trotz der den Entlastungsfall anzeigenden Sollwertvorgabe das Proportionalventil entsprechend so zu schalten, dass eine Rückführung der Energie in die Hochdruckseite ermöglicht wird. Ist hingegen ein Druckniveauerhöhung über den Druck der Druckquelle hinaus durch eine Umschaltung nicht möglich, so kann das Proportionalventil in üblicher Weise die Verbindung zur Drucksenke herstellen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend beschrieben.
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Die 1 zeigt mit hydraulischen Schaltsymbolen den wesentlichen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst beispielsweise als ein erstes Zylinder-Kolben-Aggregat ein solches Aggregat 1 mit lediglich zwei Kolbenräumen, wodurch sich effektive Kolbenflächen A1 und A2 erschließen. Je nach Druckbeaufschlagung eines der beiden Kolbenflächen bzw. der daran anschließenden Kolbenräume erfolgt demnach ein Ausfahren oder Einziehen des Kolbens in diesem Zylinder-Kolben-Aggregat 1.
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Um dies durchzuführen, kann beispielsweise ein Sollwertgeber 3, z. B. ein Steuerknüppel eines Baggers, einen Sollwert zur Verstellung des Proportionalventils 4 bereitstellen, welches beispielsweise elektronisch angesteuert ist und das Hydraulikfluid einer Druckquelle 10 oder aber die Drucksenke wahlweise je nach Schaltung des Proportionalventils auf den einen oder anderen Kolbenraum aufschaltet.
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Die Vorrichtung der hier dargestellten Art weist neben dem Zylinder-Kolben-Aggregat 1 mit lediglich zwei Kolbenräumen auch wenigstens ein weiteres Zylinder-Kolben-Aggregat 2 mit drei Kolbenräumen auf. Hier ist darauf hinzuweisen, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung mehr als ein einziges Zylinder-Kolben-Aggregat 2 mit mehr als zwei Kolbenräumen aufweisen kann, wie es die hier dargestellte 2 zeigt.
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Darüber hinaus besteht ebenso die Möglichkeit, mehr als nur die drei Kolbenräume in einem Zylinder-Kolben-Aggregat 2 zu realisieren.
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Ersichtlich ist es so, dass durch die insgesamt drei Kolbenräume 2a, b und c dadurch, dass diese Kolbenräume miteinander verschaltet werden können, verschiedene effektive Flächen an dem Zylinder-Kolben-Aggregat 2 eingestellt werden können durch verschieden mögliche Summation der vorzeichenbehafteten Flächen A1, A2 und A3.
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Hierfür weist jeder Kolbenraum eine hydraulische Leitung L1, L2, L3 auf, die jeweils zu dem Ausgang eines zugeordneten Umschaltventil V1A, V2A und V3A führt, wobei jedes dieser Umschaltventile eingangsseitig zwei Eingänge aufweist, die an die Ausgänge PA und PB des diesem Zylinder-Kolben-Aggregat zugeordneten Proportionalventils 5 angeschlossen sind. Es kann so alternativ die Druckquelle P0 oder die Drucksenke PT an die verschieden kombinierten/kombinierbaren Kolbenräume 2a, 2b, 2c angeschaltet werden. Die verschiedenen Möglichkeiten durch Schaltung der Umschaltventile V1A, V2A und V3A die Kolbenräume zu kombinieren stellen erfindungsgemäß jeweils eine mögliche Schaltkonfiguration dar.
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Durch einen Sollwertgeber 3 wird gegebenenfalls nach einer Ventilhubkorrektur, die den Sollwert ändert, eine Ansteuerung des Proportionalventils 5 vorgenommen, durch die sodann die Hochdruckseite P0, die mit der Druckquelle 10 verbunden ist, an einer der beiden Leitungen PA oder PB aufgeschaltet wird und je nach Schaltkonfiguration der Umschaltventile V1A, V2A oder V3A die jeweils verbundenen Kolbenräume gleichzeitig druckbeaufschlagt werden.
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Hierzu ist mit Bezug auf die Figur festzuhalten, dass bei der Darstellung in dieser Figur die Umschaltventile jeweils in einer Lasthalteposition gezeigt sind.
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Tritt nun ein Lastfall auf, der in der Figur durch den wirkenden Pfeil F auf den Kolben des Zylinder-Kolben-Aggregates 2 symbolisiert ist, so kann in Kenntnis der Schaltkonfiguration aller drei Ventile V1A, V2A und V3A durch die Steuereinheit 6 festgestellt werden, wie groß die aktuell effektiv wirkende Fläche ist, so dass in Kenntnis dieser Fläche und des jeweils in den beiden Leitungen PA und PB gemessenen Druckes, die durch die Sensoren 8 und 9 zur Verfügung gestellt werden, mit dem größeren der beiden Drücke die aktuell vorherrschende Kraft bestimmt werden kann.
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Die Steuereinheit 6 kann nun in Kenntnis dieser Kraft und der aktuellen Schaltkonfiguration berechnen, welche Druckverhältnisse bestehen würden bei den jeweils anderen möglichen Schaltkonfigurationen. Es liegen nach einer solchen Berechnung der Steuereinheit 6 demnach eine Vielzahl von Druckwerten vor, nämlich zum einen die tatsächlich in den Leitungen vorherrschenden Drücke gemäß der Sensoren 8 und 9 sowie die bei den anderen möglichen Schaltkonfigurationen ebenso möglichen, jedoch aktuell nicht vorhandenen Drücke, bzw. zumindest des Druckes der Leitung, die mit der Druckquelle verbunden ist.
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Des Weiteren ist der Steuereinheit 6 der Druck der Druckquelle 10 zugeführt mittels eines Messwertes des Drucksensors 7. Es besteht somit die Möglichkeit, für die Steuereinheit 6 zu bewerten, z. B. durch einen einen Vergleich durchführenden Algorithmus, ob durch Änderung der Schaltkonfiguration der Ventile V1A, V2A, V3A bei den aktuell vorliegenden Kräften ein anderer Druck eingestellt werden kann, der zu dem Druck der Druckquelle eine geringere Differenz aufweist.
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Ist dies der Fall, so kann es vorgesehen sein, dass die Steuereinheit 6 eine solche neue Schaltkonfiguration der Ventile auswählt, durch welche aufgrund der sich dann einstellenden Flächenänderung bei derselben Kraft ein Druck in den Leitungen PA bzw. PB erzeugt wird, der näher an dem erzeugten hydraulischen Druck der Druckquelle 10 liegt, so dass hierdurch die Drosselverluste, die über des Proportionalventil 5 entstehen, verringert werden. In einem solchen möglichen Umschaltfall hat demnach nach der Umschaltung die erfindungsgemäße Vorrichtung zu einer energetischen Optimierung beigetragen, nämlich insoweit, als des geringere Drosselverluste zur Umgebung hin entstehen.
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Die 1 zeigt weiterhin, dass zwischen Sollwertgeber und einem Proportionalventil 4 oder auch 5 eine Ventilhubkorrektur 11 vorgesehen sein kann, die den Sollwert des Sollwertgebers 3 empfängt und umrechnet zu einem neuen Sollwert, der zumindest dem Proportionalventil 5 oder auch dem Proportionalventil 4 zugeführt wird.
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Eine solche Ventilkorrektur ist besonders dann vorteilhaft, wenn eine Austauschvorrichtung zum Einsatz kommt und eine bedienende Person zuvor an die Bedienung von lediglich üblichen Zylinder-Kolben-Aggregaten mit zwei Kolbenräumen gewöhnt war. Erfolgt nämlich in einem solchen Fall ein Austausch gegen die erfindungsgemäße Vorrichtung, so ändern sich die Verfahrgeschwindigkeiten bei den bisherigen, von einem Bediener gegebenen Sollwerten, so dass dies zum einen gewöhnungsbedürftig ist und zum anderen auch eine Unfallgefahr bedeuten könnte.
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Durch die Ventilhubkorrektur wird erfindungsgemäß sicher gestellt, dass sich ein neuer, als Ersatz verwendeter Zylinder mit mehr als zwei Kolbenräumen effektiv genauso verhält wie der ursprünglich eingesetzte Zylinder. Dies kann beispielsweise dadurch hervorgerufen werden, dass der vom Sollwertgeber gegebene Sollwert mit einem Korrekturwert multipliziert und erst sodann an dasjenige Proportionalventil weitergeleitet wird, an welches das Austauschaggregat angeschlossen ist.
