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Die Erfindung betrifft einen fluidgetriebenen Stellzylinder sowie ein Verfahren zum Betätigen eines solchen Stellzylinders.
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Stellzylinder können zum Betätigen von mechanischen Vorgängen verwendet werden. Bekannt sind Stellzylinder, die zwischen zwei Endstellungen wechseln, um ein mechanisches Schaltelement zwischen zwei Schaltstellungen hin und her zu bewegen.
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Es gibt Anwendungsbereiche, in denen ein mechanischer Betätigungsvorgang mehr als zwei Schaltstellungen umfasst. Um solche Schaltvorgänge mit einem Stellzylinder betätigen zu können, muss der Stellzylinder eine zwischen den beiden Endstellungen gelegene Zwischenposition gezielt ansteuern können. Dies kann beispielsweise mittels einer elektronischen Steuerung erreicht werden, die dazu ausgelegt ist, Ventile für das Fluid in geeigneter Weise anzusteuern. Auch durch Hintereinanderschalten von zwei Stellzylindern, die jeweils zwischen zwei Endstellungen wechseln können, kann eine dritte Schaltstellung ermöglicht werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen fluidgetriebenen Stellzylinder und ein zugehöriges Verfahren vorzustellen, so dass der Stellzylinder bei geringem konstruktiven Aufwand schnell und genau in einer zwischen den Endstellungen liegenden Zwischenposition abgebremst werden kann. Ausgehend vom genannten Stand der Technik wird die Aufgabe gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß umfasst der Stellzylinder einen in einer Zylinderwand geführten Kolben sowie eine erste Anschlussöffnung und eine zweite Anschlussöffnung. Der Stellzylinder umfasst ferner eine Auslassöffnung, die zwischen den Anschlussöffnungen angeordnet ist. Mit einer Bewegung des Kolbens in Richtung einer zwischen zwei Endstellungen angeordneten Zwischenposition wird Fluid durch einen Kanal hindurch verdrängt. Der Kanal wird durch einen dichtenden Eingriff zwischen dem Kolben und der Zylinderwand verschlossen, so dass der Kolben in der Zwischenposition abgebremst wird.
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Der erfindungsgemäße Stellzylinder kann auf eine Geschwindigkeit abgebremst werden, die kleiner ist als 50%, vorzugsweise kleiner ist als 20%, weiter vorzugsweise kleiner ist als 10% der Maximalgeschwindigkeit, die der Kolben bei Annäherung an die Zwischenposition erreicht. In einer Ausführungsform wird der Kolben in der Zwischenposition zum Stillstand gebracht, was gleichbedeutend damit ist, dass der Kolben auf 0% der Maximalgeschwindigkeit abgebremst wird. Kommt der Kolben nicht zum Stillstand, so ist die Zwischenposition dadurch definiert, dass der Kolben in der Zwischenposition ein lokales Geschwindigkeitsminimum hat. Der Kolben wird also im Laufe einer kontinuierlichen Bewegung beim Annähern an die Zwischenposition abgebremst und beim Entfernen von der Zwischenposition wieder beschleunigt. Während der Annäherung an die Zwischenposition erreicht der Kolben eine Maximalgeschwindigkeit, die die Bezugsgröße für die erfindungsgemäße Geschwindigkeit in der Zwischenposition bildet.
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Mit der Zwischenposition gibt es neben den beiden Endstellungen des Kolbens eine weitere Stellung, die der Stellzylinder schnell und genau anfahren kann. Die Zwischenposition kann als zusätzliche Schaltposition des Stellzylinders genutzt werden, so dass Schaltvorgänge, die zwischen mehr als zwei verschiedenen Zuständen umgeschaltet werden, mit dem erfindungsgemäßen Stellzylinder betätigt werden können.
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Indem die Zwischenposition des Kolbens dadurch definiert ist, dass der Kolben in einen dichtenden Eingriff mit der Zylinderwand eintritt, hängt das Anfahren der Zwischenposition nicht davon ab, dass zu einem präzise definierten Moment ein Steuerbefehl gegeben wird oder ein bestimmtes Element, wie beispielsweise ein Ventil, betätigt wird. Der erfindungsgemäße Stellzylinder ist deswegen in der Lage, mit hoher Zuverlässigkeit immer wieder dieselbe Zwischenposition genau und schnell anzufahren.
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Eine Anschlussöffnung ist eine Öffnung in der Zylinderwand, durch die ein Fluid in den Stellzylinder eingeleitet werden kann, um den Kolben zu bewegen. An die Anschlussöffnung kann zu diesem Zweck eine Fluidleitung angeschlossen sein. Der Stellzylinder kann ein der Anschlussöffnung zugeordnetes Stellventil umfassen, mit dem die Anschlussöffnung wahlweise an eine Fluidquelle angeschlossen bzw. von dieser getrennt werden kann. Die Fluidquelle kann beispielsweise als Druckspeicher, als Kompressor oder als Pumpe ausgebildet sein. Der erfindungsgemäße Stellzylinder kann eine Fluidquelle umfassen, die dazu ausgelegt ist, den Fluss des Fluids durch eine oder mehrere Anschlussöffnungen hindurch anzutreiben, um den Kolben in dem Stellzylinder in Bewegung zu versetzen. Die Anschlussöffnung kann einer Endstellung des Kolbens zugeordnet sein. Es kann zu jeder Endstellung eine solche Anschlussöffnung zugeordnet sein.
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Fluid ist ein Oberbegriff für flüssige und gasförmige Medien. Ist das Medium flüssig, so kann der Stellzylinder insbesondere als Hydraulikzylinder ausgebildet sein. Das Fluid wird dann als Hydraulikflüssigkeit bezeichnet. Ist das Medium gasförmig, so kann der Stellzylinder insbesondere als Pneumatikzylinder ausgebildet sein. Das gasförmige Medium kann insbesondere Luft sein.
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Außer dem Zustand, in dem die Anschlussöffnung an die Fluidquelle angeschlossen ist, kann das Stellventil einen oder mehrere weitere Zustände umfassen. Dazu kann insbesondere ein Zustand gehören, in dem durch die Anschlussöffnung weder Fluid eintritt noch austritt (geschlossener Zustand), und/oder ein Zustand, in dem das Fluid aus dem Stellzylinder austreten kann. Das austretende Fluid kann beispielsweise zu einem Fluidtank geleitet werden.
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Eine Auslassöffnung ist eine Öffnung in der Zylinderwand, durch die das Fluid aus dem Zylinder austreten kann. Der Auslassöffnung kann ein Auslassventil zugeordnet sein, das in einem ersten Ventilzustand einen Austritt des Fluids aus dem Zylinder beispielsweise in Richtung eines Fluidtanks erlaubt. Das Auslassventil kann einen weiteren Ventilzustand umfassen, in dem die Auslassöffnung geschlossen ist, also kein Fluid durch die Auslassöffnung hindurch aus dem Zylinder austreten kann. Die Auslassöffnung kann so eingerichtet sein, dass ein Eintritt von Fluid in den Zylinder durch die Auslassöffnung nicht möglich ist.
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Sowohl eine Anschlussöffnung als auch eine Auslassöffnung im Sinne der Erfindung können eine Mehrzahl von Bohrungen in der Zylinderwand umfassen. Die Mehrzahl von Bohrungen einer Anschlussöffnung/Auslassöffnung zeichnet sich dadurch aus, dass jeweils in denselben Betriebszuständen des Stellzylinders Fluid durch die Bohrungen einfließt, durch die Bohrungen ausfließt oder der Fluidfluss durch die Bohrungen gesperrt ist. Regelmäßig ist die Mehrzahl von Bohrungen einer Anschlussöffnung/Auslassöffnung in derselben Position bezogen auf die Bewegungsrichtung des Kolbens angeordnet. Die Bohrungen werden also mit der Bewegung des Kolbens gleichzeitig verschlossen bzw. freigegeben.
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Es ist möglich, für den Hinweg und den Rückweg des Kolbens dieselbe Auslassöffnung zu verwenden. Dies hat regelmäßig zur Folge, dass die Zwischenposition auf dem Hinweg von der Zwischenposition auf dem Rückweg abweicht. Das Ausmaß der Abweichung kann insbesondere von der Ausdehnung abhängen, die der Kolben entlang seiner Bewegungsrichtung hat.
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Alternativ kann vorgesehen sein, für den Hinweg des Kolbens eine andere Auslassöffnung zu verwenden als für den Rückweg. Es tritt also das Fluid bei einer Bewegungsrichtung durch die eine Austrittsöffnung aus und bei der anderen Bewegungsrichtung durch die andere Austrittsöffnung aus. Jede der Austrittsöffnungen kann so eingerichtet sein, dass sie während einer Bewegungsrichtung des Kolbens durchgehend geschlossen bleibt, so dass kein Fluid austreten kann.
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Von der Erfindung umfasst ist der Gedanke, eine Mehrzahl von Auslassöffnungen für eine Zwischenposition des Kolbens zu verwenden, wobei die Auslassöffnungen mit der Bewegung des Kolbens zeitlich nacheinander verschlossen werden. Die betreffende Mehrzahl von Auslassöffnungen ist vorzugsweise in Bewegungsrichtung des Kolbens versetzt zueinander angeordnet. Mit dem zeitlich aufeinanderfolgenden Verschließen von Auslassöffnungen wird der wirksame Querschnitt, durch den das Fluid aus dem Zylinder austreten kann, sukzessive verkleinert, so dass der Kolben bis zum Erreichen der Zwischenposition kontinuierlich abgebremst wird.
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Der Stellzylinder kann mit einer Endlagendämpfung ausgestattet sein, so dass ein abruptes Abbremsen des Kolbens bei einer Annäherung an eine Endstellung vermieden wird. Die Endlagendämpfung kann insbesondere so ausgestaltet sein, dass ein wirksamer Querschnitt, durch den hindurch Fluid verdrängt wird bei Annäherung des Kolbens an die Endstellung verkleinert wird. Der Stellzylinder kann mit jeweils einer Endlagendämpfung pro Endstellung ausgestattet sein.
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Wenn der Kolben sich in Richtung der Zwischenposition bewegt, wird das Fluid durch einen Kanal hindurch verdrängt. Sobald der Fluss durch den Kanal hindurch gestoppt wird, ergibt sich ein geschlossenes Volumen zwischen dem Kolben und der Zylinderwand. Das Fluid in dem geschlossenen Volumen behindert eine weitere Bewegung des Kolbens in diese Richtung. Der Kolben wird in der Zwischenposition abgebremst.
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Die Zwischenposition kann mittig zwischen den beiden Endstellungen angeordnet sein, so dass die Zwischenposition zu jeder der beiden Endstellungen einen identischen Abstand hat. Möglich ist auch, dass die Zwischenposition zu einer der Endstellungen einen größeren Abstand hat als zu der anderen.
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Der auf diese Weise bewirkte Bewegungsablauf des Kolbens kann sich erstrecken von einer der ersten Anschlussöffnung benachbarten Endstellung des Kolbens über die Zwischenposition bis zu einer der zweiten Anschlussöffnung benachbarten Endstellung des Kolbens. Auf entsprechende Weise kann der Kolben sich in entgegengesetzte Richtung bewegen. Der Stellzylinder kann so eingerichtet sein, dass die Zwischenposition auf dem Hinweg identisch zu der Zwischenposition auf dem Rückweg ist. Die identische Zwischenposition kann mittig oder außermittig zwischen den beiden Endstellungen angeordnet sein. Möglich ist auch, dass die Zwischenposition auf dem Hinweg von der Zwischenposition auf dem Rückweg abweicht.
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Vorzugsweise ist der Stellzylinder so eingerichtet, dass der Kolben in jeder der Endstellungen zum Stillstand kommt und in der Zwischenposition in erfindungsgemäßer Weise abgebremst wird. Auf diese Weise können insgesamt drei Schaltstellungen des Stellzylinders angefahren werden. Die erste Schaltstellung entspricht der zu der ersten Anschlussöffnung benachbarten Endstellung des Kolbens. Die zweite Schaltstellung entspricht der Zwischenposition des Kolbens. Die dritte Schaltstellung entspricht der zu der zweiten Anschlussöffnung benachbarten Endstellung des Kolbens. Der Weg, den der Kolben im Falle eines Linearantriebs zwischen zwei benachbarten Schaltstellungen zurücklegt, kann beispielsweise zwischen 5 cm und 30 cm lang sein. Die Zeit für einen Wechsel zwischen zwei benachbarten Schaltstellungen ist vorzugsweise kleiner als 0,5 Sekunden, weiter vorzugsweise kleiner als 0,3 Sekunden. Die Erfindung ist nicht auf drei Schaltstellungen pro Bewegungsrichtung eingeschränkt. Vielmehr können auf analoge Weise eine oder mehrere weitere Zwischenpositionen zwischen den beiden Endstellungen angefahren werden. Dies gilt für jede der Bewegungsrichtungen des Kolbens.
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Die Erfindung kann so verwirklicht werden, dass jeder Zwischenposition ein 2/2-Wege-Stellventil zugeordnet ist, das zwischen einem geöffneten Zustand und einem geschlossenen Zustand umgeschaltet werden kann. Möglich ist auch die Verwendung eines gemeinsamen 3/3-Wege-Ventils für eine einer Bewegungsrichtung zugeordnete Zwischenposition und eine der entgegengesetzten Richtung zugeordnete Zwischenposition. Gehört dieselbe Auslassöffnung zu Zwischenpositionen entgegengesetzter Bewegungsrichtungen, so kann ein 2/2-Wegeventil für beide Zwischenpositionen ausreichen.
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Versuche haben gezeigt, dass der Kolben schnell zum Stillstand gebracht werden kann, wenn der Kanal verschlossen ist. Allerdings kann dann eine über dem Kolben anliegende Druckdifferenz dazu führen, dass Fluid an einer Kolbendichtung vorbei durch eine Auslassöffnung in den Tank fließt und/oder von der einen Kolbenseite an der Kolbendichtung vorbei auf die andere Kolbenseite fließt. Das kann zur Folge haben, dass der Kolben langsam wieder aus der Zwischenposition auswandert. Das Auswandern kann durch eine gute Abdichtung des Kolbens gegenüber der umgebenden Zylinderwand reduziert werden. Möglich ist auch, den Stellzylinder in der Zwischenposition in einen Zustand zu bringen, in dem keine Druckdifferenz über den Kolben anliegt oder in dem alle Öffnungen in der Zylinderwand verschlossen sind, um ein Auswandern des Kolbens zu verhindern.
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Mit dem Kolben kann ein Stellglied verbunden sein, über das die Schaltzustände des Stellzylinders auf eine von dem Stellzylinder getrennte Schaltvorrichtung übertragen werden, die zwischen verschiedenen Zuständen umgeschaltet werden soll. Bei dem Stellglied kann es sich um eine Kolbenstange handeln, die sich von einer Stirnfläche des Kolbens erstreckt. Insbesondere kann der Stellzylinder als Differentialzylinder ausgebildet sein. Möglich ist auch ein Gleichgangzylinder, bei dem sich von zwei gegenüberliegenden Stirnflächen eines Kolbens jeweils eine Kolbenstange erstreckt. Die zu schaltende Vorrichtung kann beispielsweise ein Ventil einer Betonpumpe sein, durch das im Betrieb der Betonpumpe Frischbeton hindurchtritt. Die Erfindung betrifft demnach auch ein Dickstoffventil, dessen Ventilglied mit einem solchen Stellzylinder betätigt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Betonpumpe, bei der der Betonfluss durch ein solches Dickstoffventil gesteuert wird.
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Der erfindungsgemäße Stellzylinder kann als Linearantrieb ausgebildet sein. Der Kolben des Linearantriebs kann einen kreisförmigen Querschnitt haben und dazu ausgelegt sein, über seine gesamte Umfangsfläche mit dem Zylinder abzudichten.
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In einer alternativen Ausführungsform ist der Stellzylinder als Drehantrieb ausgebildet. Der Drehkolben kann konzentrisch zu der Zylinderwand gelagert sein. Es ist nicht erforderlich, dass die Zylinderwand bezogen auf die gemeinsame Achse einen Vollkreis beschreibt. Ausreichend ist vielmehr, dass die Zylinderwand sich über einen Teil der Umfangslinie erstreckt. Der Drehkolben ist vorzugsweise so gestaltet, dass die Dichtfläche des Kolbens über einen kleinen Umfangswinkel an der Zylinderwand anliegt, so dass die Dichtfläche sich bei einer Drehbewegung des Kolbens in Umfangsrichtung relativ zu der Zylinderwand bewegen kann.
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Der Drehwinkel zwischen zwei Endstellungen des Drehkolbens kann größer sein als 180°. In diesem Fall kann die mit der Dichtfläche des Drehkolbens zusammenwirkende Zylinderwand sich über einen Umfangswinkel von mehr als 180° erstrecken. In einer anderen Ausführungsform kann der Drehwinkel zwischen zwei Endstellungen des Drehkolbens kleiner sein als 180°. In diesem Fall kann der Stellzylinder zwei oder mehr separate Zylinderwände aufweisen, die sich in Umfangsrichtung aneinander anschließen. Jede der Zylinderwände kann sich über einen Umfangswinkel von weniger als 180° erstrecken.
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In einer Ausführungsform der Erfindung erstreckt der Kanal sich durch die Auslassöffnung hindurch. Das Fluid, das der Kolben auf seinem Weg in die Zwischenposition verdrängt, verlässt den Zylinder also durch die Auslassöffnung. Der Kanal wird verschlossen, wenn der Kolben die Auslassöffnung überfährt. Es kommt dann zu einem dichtenden Eingriff zwischen dem Kolben und der Zylinderwand, durch den der weitere Austritt des Fluids durch die Auslassöffnung hindurch verhindert wird.
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Wenn der Kolben sich in Richtung der Zwischenposition bewegt, kann der Stellzylinder in einem Zustand sein, in dem durch die erste Anschlussöffnung Fluid in den Zylinder eintritt, in dem das verdrängte Fluid durch die Auslassöffnung aus dem Zylinder austritt und in dem die zweite Anschlussöffnung geschlossen ist. Die Dichtfläche des Kolbens ist in dieser Phase zwischen der ersten Anschlussöffnung und der Auslassöffnung angeordnet.
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Mit dem Überfahren der Auslassöffnung durch den Kolben wird der Austritt des Fluids gestoppt und der Kolben wird in der Zwischenposition abgebremst.
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Es gibt außerdem einen Zustand des Stellzylinders, in dem der Kolben sich von der Zwischenposition entfernt. Die Bewegungsrichtung des Kolbens bleibt dabei vorzugsweise unverändert, der Kolben bewegt sich also in derselben Richtung weiter, in der er sich an die Zwischenposition angenähert hat. Der Zustand des Stellzylinders dabei kann wie folgt sein: durch die erste Anschlussöffnung tritt Fluid in den Zylinder ein, die Auslassöffnung ist geschlossen, und durch die zweite Anschlussöffnung tritt Fluid aus dem Zylinder aus. Die Bewegung des Kolbens endet vorzugsweise damit, dass der Kolben in einer Endstellung des Stellzylinders zum Stillstand kommt.
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Diese Ausführungsform kann als Linearantrieb oder als Drehantrieb ausgebildet sein.
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In einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stellzylinders wird das Fluid mit der Bewegung des Kolbens durch einen Kanal hindurch verdrängt, der sich zwischen dem Kolben und einem axialen Abschnitt (im Falle eines Linearantriebs) bzw. Umfangsabschnitt (im Falle eines Drehantriebs) der Zylinderwand erstreckt. Der Kanal wird verschlossen, indem der Kolben in einen dichtenden Eingriff mit dem betreffenden axialen Abschnitt bzw. Umfangsabschnitt der Zylinderwand eintritt.
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Die Austrittsöffnung kann bei der alternativen Ausführungsform in einem Bereich der Zylinderwand angeordnet sein, der nicht von dem Kolben überfahren wird. In dem axialen Abschnitt bzw. Umfangsabschnitt, in dem der dichtende Eingriff des Kolbens stattfindet, kann der Durchmesser der Zylinderwand kleiner sein als in dem Abschnitt, in dem die Austrittsöffnung angeordnet ist. Der Begriff Zylinderwand ist demnach nicht auf einen Zylinder mit einheitlichem Durchmesser beschränkt, vielmehr kann die Zylinderwand axiale Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern umfassen.
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Wenn der Kolben sich bei der alternativen Ausführungsform in Richtung der Zwischenposition bewegt, kann der Stellzylinder in einem Zustand sein, in dem durch die erste Anschlussöffnung Fluid in den Zylinder eintritt, in dem das verdrängte Fluid durch die zweite Anschlussöffnung aus dem Zylinder austritt und in dem die Auslassöffnung geschlossen ist. Der Kolben ist in dieser Phase zwischen der ersten Anschlussöffnung und der Auslassöffnung angeordnet. Mit dem dichtenden Eingriff zwischen dem Kolben und dem axialen Abschnitt der Zylinderwand wird im Bereich der geschlossenen Auslassöffnung ein Fluid-Volumen eingeschlossen, das eine weitere Bewegung des Kolbens behindert. Der Kolben wird in einer Zwischenposition abgebremst. Um ein abruptes Abbremsen des Kolbens bei Erreichen der Zwischenposition zu vermeiden, können der Kolben und/oder der zugehörige axiale Abschnitt so gestaltet sein, dass der wirksame Querschnitt des Kanals sich schon vor Erreichen des dichtenden Eingriffs vermindert.
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Bei der alternativen Ausführungsform gibt es außerdem einen Zustand des Stellzylinders, in dem der Kolben sich von der Zwischenposition entfernt. Die Bewegungsrichtung des Kolbens bleibt dabei vorzugsweise unverändert, der Kolben bewegt sich also in derselben Richtung weiter, in der er sich an die Zwischenposition angenähert hat. Der Zustand des Stellzylinders kann dabei wie folgt sein: durch die erste Anschlussöffnung tritt Fluid in den Zylinder ein, die Auslassöffnung und die zweite Anschlussöffnung sind geöffnet, so dass Fluid aus dem Zylinder austreten kann. Die Bewegung des Kolbens endet vorzugsweise damit, dass der Kolben in einer Endstellung des Stellzylinders zum Stillstand kommt.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betätigen eines Stellzylinders, bei dem ein in einer Zylinderwand geführter Kolben in Richtung einer zwischen zwei Endstellungen angeordneten Zwischenposition in Bewegung versetzt wird, indem durch eine erste Anschlussöffnung Fluid in den Innenraum des Stellzylinders zugeführt wird und indem mit der Bewegung des Kolbens Fluid durch einen Kanal hindurch verdrängt wird. Der Kanal wird durch einen dichtenden Eingriff zwischen dem Kolben und der Zylinderwand verschlossen, um den Kolben in der Zwischenposition abzubremsen.
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Die Geschwindigkeit, auf die der Kolben in der Zwischenposition abgebremst wird, kann kleiner sein als 50%, vorzugsweise kleiner sein als 20%, weiter vorzugsweise kleiner sein als 10% der Maximalgeschwindigkeit, die der Kolben bei Annäherung an die Zwischenposition erreicht. In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Kolben in der Zwischenposition bis zum Stillstand abgebremst.
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Das Verfahren kann mit weiteren Merkmalen fortgebildet werden, die im Zusammenhang des erfindungsgemäßen Stellzylinders beschrieben sind. Der Stellzylinder kann mit weiteren Merkmalen fortgebildet werden, die im Zusammenhang des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand vorteilhafter Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stellzylinders in Form eines Linearantriebs in einem ersten Zustand (A) und in einem zweiten Zustand (B);
- 2: eine schematische Darstellung des Stellzylinders gemäß 1 in einem dritten Zustand (A) und in einem vierten Zustand (B);
- 3: eine schematische Darstellung eines Ventils einer Betonpumpe, das mit dem erfindungsgemäßen Stellzylinder betätigt werden kann;
- 4: eine schematische Darstellung eines Details eines erfindungsgemäßen Stellzylinders;
- 5: eine schematische Darstellung eines weiteren Details eines erfindungsgemäßen Stellzylinders;
- 6: eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stellzylinders in Form eines Linearantriebs in drei verschiedenen Zuständen A, B, C;
- 7: die Ansicht gemäß 6 bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- 8: eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stellzylinders in Form eines Linearantriebs;
- 9: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stellzylinders in Form eines Drehantriebs in einem ersten Zustand (A) und in einem zweiten Zustand (B);
- 10: eine schematische Darstellung des Stellzylinders gemäß 1 in einem dritten Zustand (A) und in einem vierten Zustand (B);
- 11: eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stellzylinders in Form eines Drehantriebs.
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Ein erfindungsgemäßer Stellzylinder in Form eines Hydraulikzylinders umfasst gemäß 1 einen Kolben 14, der in einer Zylinderwand 15 geführt ist. Mit dem Kolben 14 verbunden ist eine Kolbenstange 16, die aus dem Gehäuse des Hydraulikzylinders herausragt. Der Hydraulikzylinder ist als Linearantrieb ausgebildet.
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Der Hydraulikzylinder umfasst ein erstes endseitiges Stellventil 17 und ein zweites endseitiges Stellventil 18. Die Stellventile 17, 18 umfassen jeweils drei Ventilzustände. In einem ersten Ventilzustand 19 gibt das Stellventil eine Verbindung zwischen einer Pumpe 22 und einer in der Zylinderwand 15 angeordneten ersten Anschlussöffnung 23 bzw. einer zweiten Anschlussöffnung 24 frei. In einem zweiten Ventilzustand 20 ist das Stellventil 17, 18 geschlossen. In einem dritten Ventilzustand 21 gibt das Stellventil 17, 18 eine Verbindung zwischen der ersten Anschlussöffnung 23 bzw. der zweiten Anschlussöffnung 24 und einem Hydraulikflüssigkeit-Tank 32 frei.
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In der Zylinderwand 15 sind außerdem eine erste Auslassöffnung 26 und eine zweite Auslassöffnung 27 ausgebildet. An die erste Auslassöffnung 26 ist ein erstes Auslassventil 28 angeschlossen. An die zweite Auslassöffnung 27 ist ein zweites Auslassventil 29 angeschlossen. Die Auslassventile 28, 29 haben jeweils zwei Ventilzustände. In einem ersten Ventilzustand 30 gibt das Auslassventil 28, 29 eine Verbindung zwischen der Auslassöffnung 26, 27 und dem Hydraulikflüssigkeit-Tank 32 frei. In dem zweiten Schaltzustand 31 verschließt das Auslassventil 28, 29 die Auslassöffnung 26, 27.
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In 1A ist der Hydraulikzylinder in einem ersten Zustand gezeigt, in dem das erste Stellventil 17 den Ventilzustand 19 hat, so dass mit der Pumpe 22 Hydraulikflüssigkeit über die erste Anschlussöffnung 23 in den Innenraum des Hydraulikzylinders gepumpt werden kann. Das erste Auslassventil 28 ist im geschlossenen Zustand 31. Das zweite Auslassventil 29 ist im geöffneten Zustand 30. Das zweite Stellventil 18 ist im geschlossenen Zustand 20. Mit der durch das erste Stellventil 17 hindurch zugeführten Hydraulikflüssigkeit bewegt sich der Kolben 14 in 1A nach rechts und drückt überschüssige Hydraulikflüssigkeit durch die Auslassöffnung 27 und das zweite Auslassventil 29 in den Tank 32.
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In dem Zustand gemäß 1B hat der Kolben 14 die Auslassöffnung 27 überfahren, so dass keine weitere Hydraulikflüssigkeit mehr austreten kann. Der Kolben 14 wird dadurch schnell abgebremst und kommt in der in 1B gezeigten Position zum Stillstand. In 1 ist also ein Ablauf dargestellt, durch den der Kolben 14 aus einer zu dem ersten Stellventil 17 benachbarten Endstellung in eine Zwischenposition bewegt wird, die durch die Auslassöffnung 27 bestimmt ist.
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Die 2 zeigt einen Ablauf, durch den der Kolben 14 aus der Zwischenposition in eine zu dem zweiten Stellventil 18 benachbarte Endstellung gebracht wird. Das zweite Auslassventil 29 wird dazu in den geschlossenen Zustand 31 gebracht. Das zweite Stellventil 18 wird in den geöffneten Zustand gebracht, so dass das Stellventil 18 eine Verbindung zwischen der Anschlussöffnung 24 und dem Hydraulikflüssigkeit-Tank 32 freigibt. Der Kolben 14 wird durch die über das erste Stellventil 17 einströmende Hydraulikflüssigkeit in Bewegung versetzt, wodurch Hydraulikflüssigkeit durch das zweite Stellventil 18 hindurch in den Tank 32 verdrängt wird.
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Auf analoge Weise wird der Kolben 14 in der entgegengesetzten Richtung bewegt. Aus der zu dem zweiten Stellventil 18 benachbarten Endstellung heraus wird der Kolben 14 in Bewegung versetzt, indem das zweite Stellventil 18 und das erste Auslassventil 28 in den geöffneten Zustand gebracht werden, während das erste Stellventil 17 und das zweite Auslassventil 29 in den geschlossenen Zustand gebracht werden. Der Kolben 14 bewegt sich, bis er die erste Auslassöffnung 26 überfährt. Der Kolben 14 wird dann schnell abgebremst und kommt in einer durch die erste Auslassöffnung 26 definierten Zwischenposition zum Stillstand.
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Anschließend wird das erste Auslassventil 28 in den geschlossenen Zustand 31 gebracht. Das erste Stellventil 17 wird in den Zustand 21 gebracht, in dem das erste Stellventil 17 eine Verbindung zu dem Hydraulikflüssigkeit-Tank 32 herstellt. Der Kolben 14 wird durch die von dem zweiten Stellventil 18 einströmende Hydraulikflüssigkeit in Bewegung versetzt, wodurch Hydraulikflüssigkeit durch das zweite Stellventil 17 hindurch in den Hydraulikflüssigkeit-Tank 32 verdrängt wird. Die Bewegung endet in einer zu dem ersten Stellventil 17 benachbarten Endstellung.
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Die drei Stellungen des Hydraulikzylinders können genutzt werden, um ein Schaltelement zwischen drei Schaltzuständen hin und her zu schalten. Die 3 zeigt als Beispiel dafür ein Ventil 35 einer Betonpumpe. Ein Ventilglied 36 des Ventils 35 wird zwischen drei Stellungen umgeschaltet. In einer ersten Stellung verschließt das Ventilglied 36 eine erste Einlassöffnung 37, während eine zweite Einlassöffnung 38 frei ist. In einer zweiten Stellung sind beide Einlassöffnungen 37, 38 frei. In einer Stellung verschließt das Ventilglied 36 die zweite Einlassöffnung 38, während die erste Einlassöffnung 37 frei ist. Die Betonpumpe fördert Frischbeton durch die Einlassöffnungen 37, 38 in den Innenraum des Ventils 35 und von dort durch eine Auslassöffnung 39 in Richtung eines Förderrohrs.
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Das Ventilglied 36 des Ventils 35 kann mit dem erfindungsgemäßen Hydraulikzylinder umgeschaltet werden. Die Kolbenstange 16 dient als Stellglied, das auf geeignete Weise mit dem Ventilglied 36 gekoppelt wird. Mit dem Hydraulikzylinder kann das Ventilglied 36 hin und her bewegt werden, so dass bei jedem Wechsel zwischen den äußeren Positionen die Zwischenposition schnell und genau angefahren wird.
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Der Hydraulikzylinder kann mit einer Endlagendämpfung versehen sein, so dass ein stark ruckartiges Abbremsen des Kolbens 14 bei Annäherung an die Endstellung vermieden wird. Gemäß 4 hat der Kolben 14 dazu einen Abschnitt 40 mit geringerem Querschnitt, der kurz vor Erreichen der Endstellung in einen Abschnitt 41 des Zylinders eingreift, der ebenfalls einen verminderten Querschnitt hat. Die Hydraulikflüssigkeit kann dann nur noch durch einen Bypass-Kanal 42 aus dem Innenraum des Zylinders verdrängt werden. Damit erhöht sich der Widerstand und der Kolben 14 wird abgebremst. Der Dämpfungsgrad kann durch eine auf den Querschnitt des Bypass-Kanals 42 wirkende Justierschraube 43 eingestellt werden. Über ein Rückschlagventil 44 wird sichergestellt, dass der Kolben 14 zügig wieder in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt werden kann.
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Eine vergleichbar wirkende Dämpfung ist gemäß 5 auch für die Zwischenposition des Kolbens 14 vorgesehen. In der Zylinderwand 15 sind die zu einer Zwischenposition gehörenden Auslassöffnungen 45 in drei verschiedenen axialen Positionen über den Umfang der Zylinderwand 15 verteilt. Die verschiedenen axialen Positionen werden nacheinander von dem Kolben 14 überfahren, wodurch der wirksame Querschnitt, durch den Hydraulikflüssigkeit aus dem Innenraum des Zylinders verdrängt werden kann, sukzessive vermindert wird. Der Kolben 14 wird bis zum Erreichen der Zwischenposition kontinuierlich abgebremst.
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In 6 ist eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hydraulikzylinders dargestellt. Der Hydraulikzylinder umfasst einen Kolben 14 mit einem gestuften Querschnitt. Der Abschnitt des Kolbens 14 mit dem größten Querschnitt ist in einem Abschnitt 56 der Zylinderwand 15 geführt. In der Zylinderwand 15 sind zwei Auslassöffnungen 46, 47, zwei Anschlussöffnungen 50, 51 sowie zwei Zusatzöffnungen 59, 60 ausgebildet. Um den Kolben 14 ausgehend von der in 6A gezeigten Position in Bewegung zu versetzen, wird über die erste Anschlussöffnung 50 Hydraulikflüssigkeit zugeführt. Der Kolben 14 bewegt sich nach rechts und verdrängt Hydraulikflüssigkeit durch die Anschlussöffnung 51 hindurch. Über Rückschlagventile 58 tritt außerdem durch die Zusatzöffnung 59 sowie durch die Auslassöffnung 46 Hydraulikflüssigkeit in den Hydraulikzylinder ein. Die Auslassöffnung 47 und die Zusatzöffnung 60 sind geschlossen.
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In dem Zustand gemäß 6B geht der Kolben 14 in einen dichtenden Eingriff mit einem Abschnitt 52 des Hydraulikzylinders über. Das im Bereich des Abschnitts 56 liegende Hydraulikflüssigkeit-Volumen wird dadurch abgeschlossen, so dass der Kolben 14 sich nicht weiter nach rechts bewegen kann. Der Kolben 14 wird also in einer definierten Zwischenposition zum Stillstand gebracht. Die Zwischenposition ist außermittig bezogen auf die beiden Endpositionen des Kolbens angeordnet.
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Um den Kolben 14 weiter nach rechts zu bewegen, wird die Auslassöffnung 47 geöffnet. Die in dem abgeschlossenen Volumen befindliche Hydraulikflüssigkeit wird mit der Bewegung des Kolbens 14 durch die Auslassöffnung 47 hindurch verdrängt.
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In dem Zustand gemäß 6C geht der Kolben 14 in einen dichtenden Eingriff mit einem Abschnitt 53 des Hydraulikzylinders über. Das in dem Abschnitt 52 des Hydraulikzylinders liegende Volumen wird dadurch abgeschlossen, so dass der Kolben 14 sich nicht weiter nach rechts bewegen kann. Der Kolben kommt in einer Endstellung zum Stillstand. Der Hydraulikzylinder ist mit einer Endlagendämpfung ausgestattet, deren Wirkungsweise der Ausführungsform gemäß 4 entspricht.
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Auf vergleichbare Weise kann der Kolben 14 in entgegengesetzte Richtung bewegt werden. Der Kolben 14 wird in Bewegung versetzt, indem durch die Anschlussöffnung 51 Hydraulikflüssigkeit zugeführt wird und durch die Anschlussöffnung 50 Hydraulikflüssigkeit verdrängt wird. Der Kolben 14 kommt durch dichtenden Eingriff zwischen dem Kolben 14 und dem Abschnitt 54 des Hydraulikzylinders in einer Zwischenposition zum Stillstand. Durch Öffnen der Auslassöffnung 46 wird der Kolben 14 in eine zu der Anschlussöffnung 50 benachbarte Endstellung bewegt.
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In 6 ist eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der jeder der Auslassöffnungen 46, 47 ein Stellventil 28, 29 zugeordnet ist und bei der jedes der Stellventile 28, 29 zwei Schaltstellungen hat (2/2-Wege-Ventil). Dieselbe Funktionsweise eines Hydraulikzylinders lässt sich gemäß 7 auch verwirklichen, wenn der Hydraulikzylinder anstatt der beiden Stellventile 28, 29 ein einzelnes Stellventil 61 mit drei Schaltstellungen aufweist (3/3-Wege-Ventil).
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Auch bei der Ausführungsform gemäß 1 kann anstatt der beiden 2/2-Wege-Stellventile 28, 29 ein einzelnes 3/3-Wege-Stellventil 61 verwendet werden, siehe 8. Die Ausführungsform gemäß 8 unterscheidet sich von 1 außerdem dadurch, dass anstatt der Pumpe 22 ein Druckspeicher 62 verwendet wird, um die Bewegung des Kolbens 14 anzutreiben. Ein Druckspeicher 62 hat gegenüber einer Pumpe 22 den Vorteil, dass der Kolben 14 mit sehr geringer zeitlicher Verzögerung in Bewegung versetzt werden kann.
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In der Ausführungsform gemäß 9 ist der erfindungsgemäße Stellzylinder als hydraulischer Drehantrieb ausgeführt, bei dem ein Drehkolben 64 in einer Zylinderwand 65 geführt ist. Mit dem Drehkolben 64 verbunden ist eine Kolbenstange 16, die in Axialrichtung aus dem Gehäuse des Hydraulikzylinders herausragt.
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Der Hydraulikzylinder umfasst ein erstes endseitiges Stellventil 17 und ein zweites endseitiges Stellventil 18. Die Stellventile 17, 18 umfassen jeweils drei Ventilzustände. In einem ersten Ventilzustand 19 gibt das Stellventil eine Verbindung zwischen einer Pumpe 22 und einer in der Zylinderwand 15 angeordneten ersten Anschlussöffnung 23 bzw. einer zweiten Anschlussöffnung 24 frei. In einem zweiten Ventilzustand 20 ist das Stellventil 17, 18 geschlossen. In einem dritten Ventilzustand 21 gibt das Stellventil 17, 18 eine Verbindung zwischen der ersten Anschlussöffnung 23 bzw. der zweiten Anschlussöffnung 24 und einem Hydraulikflüssigkeit-Tank 32 frei.
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In der Zylinderwand 65 sind außerdem eine erste Auslassöffnung 26 und eine zweite Auslassöffnung 27 ausgebildet. An die Auslassöffnungen 26, 27 ist ein Auslassventil 61 in Form eines 3/3-Wege-Ventils angeschlossen. Mit dem Auslassventil 61 kann entweder eine der Auslassöffnungen 26, 27 mit dem Hydraulikflüssigkeit-Tank 32 verbunden werden, oder es können beide Auslassöffnungen 26, 27 geschlossen werden.
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In 9A ist der Hydraulikzylinder in einem ersten Zustand gezeigt, in dem das erste Stellventil 17 den Ventilzustand 19 hat, so dass mit der Pumpe 22 Hydraulikflüssigkeit über die erste Anschlussöffnung 23 in den Innenraum des Hydraulikzylinders gepumpt werden kann. Das Auslassventil 61 verbindet die Auslassöffnung 27 mit dem Hydraulikflüssigkeit-Tank 32. Die Auslassöffnung 26 ist geschlossen. Das zweite Stellventil 18 ist im geschlossenen Zustand 20. Mit der durch das erste Stellventil 17 hindurch zugeführten Hydraulikflüssigkeit dreht der Kolben 14 sich in 9A im Uhrzeigersinn und drückt überschüssige Hydraulikflüssigkeit durch die Auslassöffnung 27 und das Auslassventil 61 in den Tank 32.
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In dem Zustand gemäß 9B hat der Kolben 64 die Auslassöffnung 27 überfahren, so dass keine weitere Hydraulikflüssigkeit mehr austreten kann. Der Kolben 64 wird dadurch schnell abgebremst und kommt in der in 9B gezeigten Position zum Stillstand. In 9 ist also ein Ablauf dargestellt, durch den der Kolben 64 aus einer zu dem ersten Stellventil 17 benachbarten Endstellung in eine Zwischenposition bewegt wird, die durch die Auslassöffnung 27 bestimmt ist.
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Die 10 zeigt einen Ablauf, durch den der Kolben 64 aus der Zwischenposition in eine zu dem zweiten Stellventil 18 benachbarte Endstellung gebracht wird. Das Auslassventil 61 wird dazu in den geschlossenen Zustand gebracht. Das zweite Stellventil 18 wird in den geöffneten Zustand gebracht, so dass das Stellventil 18 eine Verbindung zwischen der Anschlussöffnung 24 und dem Hydraulikflüssigkeit-Tank 32 freigibt. Der Kolben 64 wird durch die über das erste Stellventil 17 einströmende Hydraulikflüssigkeit in eine Drehbewegung im Uhrzeigersinn versetzt, wodurch Hydraulikflüssigkeit durch das zweite Stellventil 18 hindurch in den Tank 32 verdrängt wird.
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Auf analoge Weise wird der Kolben 64 in der entgegengesetzten Drehrichtung bewegt. Aus der zu dem zweiten Stellventil 18 benachbarten Endstellung heraus wird der Kolben 64 in Bewegung versetzt, indem das zweite Stellventil 18 mit der Pumpe 22 verbunden wird und die Auslassöffnung 26 mit dem Hydraulikflüssigkeit-Tank 32 verbunden wird. Das erste Stellventil 17 und die Auslassöffnung 27 werden in den geschlossenen Zustand gebracht. Der Kolben 64 dreht sich entgegen dem Uhrzeigersinn, bis er die erste Auslassöffnung 26 überfährt. Der Kolben 64 wird dann schnell abgebremst und kommt in einer durch die erste Auslassöffnung 26 definierten Zwischenposition zum Stillstand.
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Anschließend wird die erste Auslassöffnung 26 in den geschlossenen Zustand 31 gebracht. Das erste Stellventil 17 wird in den Zustand 21 gebracht, in dem das erste Stellventil 17 eine Verbindung zu dem Hydraulikflüssigkeit-Tank 32 herstellt. Der Kolben 64 wird durch die von dem zweiten Stellventil 18 einströmende Hydraulikflüssigkeit in Bewegung versetzt, wodurch Hydraulikflüssigkeit durch das zweite Stellventil 17 hindurch in den Hydraulikflüssigkeit-Tank 32 verdrängt wird. Die Drehbewegung endet in einer zu dem ersten Stellventil 17 benachbarten Endstellung.
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Wie bei dem Linearantrieb können die drei Stellungen des Drehantriebs genutzt werden, um ein Schaltelement zwischen drei Schaltzuständen hin und her zu schalten. Insbesondere kann die Drehbewegung des Ventilglieds 36 bei dem in 3 gezeigten Ventil 35 einer Betonpumpe angetrieben werden, ohne dass eine Umsetzung einer Linearbewegung in eine Drehbewegung erforderlich ist.
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In der Ausführungsform gemäß 11 umfasst der Drehantrieb zwei Zylinderwände 65, die mit zwei Dichtflächen des Drehkolbens 64 zusammenwirken. Der Drehwinkel zwischen den beiden Endstellungen des Drehkolbens ist kleiner als 180°. Das erste Stellventil 17 ist an die ersten Anschlussöffnungen 23 beider Zylinderwände 65 angeschlossen. Das zweite Stellventil 18 ist an die zweiten Anschlussöffnungen 24 beider Zylinderwände angeschlossen. Das 3/3-Wege-Ventil 61 ist mit den beiden ersten Auslassöffnungen 26 sowie den beiden zweiten Auslassöffnungen 27 verbunden, so dass diese jeweils in den gleichen Schaltzustand versetzt werden.
