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Die Erfindung betrifft eine hydraulische Baueinheit umfassend einen Hydraulikzylinder mit einem Zylindergehäuse, das ein Zylinderrohr aufweist, an dessen einem Ende ein erster Flansch befestigt ist, mit dem ein erster Zylinderdeckel verschraubt ist, in dem sich ein erster Zylinderarbeitsanschluss befindet, und an dessen anderem Ende ein zweiter Flansch befestigt ist, mit dem ein zweiter Zylinderdeckel verschraubt ist, in dem sich ein zweiter Zylinderarbeitsanschluss befindet, und mit einem Druckmittelbehälter. Ein solcher Hydraulikzylinder kann Bestandteil einer sogenannten autarken servohydraulischen Linearachse sein.
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Es ist bekannt, dass hydraulische Stellantriebe mit einem Differentialzylinder einen Druckmittelbehälter umfassen, der unterschiedliche Druckmittelmengen aufnehmen kann und dabei als Ausgleichsbehälter dafür dient, dass sich im Innern eines Differentialzylinders in Abhängigkeit von der Position des Kolbens und der Kolbenstange unterschiedlich große Druckmittelmengen befinden. Wenn die Kolbenstange ganz eingefahren ist, ist die sich im Hydraulikzylinder befindliche Druckmittelmenge am kleinsten, wenn die Kolbenstange ganz ausgefahren ist, ist die sich im Hydraulikzylinder befindliche Druckmittelmenge am größten. Die Differenz zwischen der größten Druckmittelmenge und der kleinsten Druckmittelmenge ist gleich der Querschnittsfläche der Kolbenstange multipliziert mit dem Hub des Kolbens und der Kolbenstange. Durch das Ausgleichsvolumen können auch Mengenänderungen oder Mengendifferenzen ausgeglichen werden, die durch Toleranzen der Bauteile, unterschiedliche Temperaturen und aufgrund der Kompressibilität des Druckmittels auch durch unterschiedlich hohe Drücke bedingt sein können.
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Es sind auch hydrostatische Antriebe mit einem Gleichgang- oder Gleichlaufzylinder und mit einem Druckmittelbehälter bekannt. Der Gleichgangzylinder wird mit einer Hydropumpe in einem geschlossenen hydraulischen Kreislauf betrieben und der Druckmittelbehälter ist über jeweils ein zu ihm hin sperrendes Rückschlagventil mit jeder der beiden Zylinderkammern fluidisch verbindbar.
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Als Druckmittelbehälter sind schon hydropneumatische Blasenspeicher oder Membranspeicher verwendet worden. Auch Kolbenspeicher werden bereits eingesetzt. Funktional ist nicht immer ein hydropneumatischer Speicher, wie er in der Druckgeräterichtlinie definiert ist, sondern ein Druckmittelbehälter erforderlich, der lediglich das Ausgleichsvolumen zur Verfügung stellen und aufnehmen kann.
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Eine autarke servohydraulische Linearachse ist zum Beispiel in der Fachzeitschrift konstruktionsPraxis vom 15. Oktober 2015 gezeigt.
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Bisher bekannte hydraulische Stellantriebe mit einem Hydraulikzylinder und mit einem Ausgleichsbehälter oder hydropneumatischen Speicher sind konstruktiv sehr sperrig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Baueinheit zu schaffen, die in einem hohen Integrationsgrad einen Hydraulikzylinder und einen Druckmittelbehälter umfasst und die kompakt baut und ohne wesentliche Änderungen an der üblichen Bauweise des Hydraulikzylinders auskommt.
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Die gestellte Aufgabe wird durch eine hydraulische Baueinheit gelöst, die einen Hydraulikzylinder mit einem Zylindergehäuse, das ein Zylinderrohr aufweist, an dessen einem Ende ein erster Flansch befestigt ist, mit dem ein erster Zylinderdeckel verschraubt ist, in dem sich ein erster Zylinderarbeitsanschluss befindet, und an dessen anderem Ende ein zweiter Flansch befestigt ist, mit dem ein zweiter Zylinderdeckel verschraubt ist, in dem sich ein zweiter Zylinderarbeitsanschluss befindet, und einen Druckmittelbehälter umfasst, der eine Schlauchmembran aufweist, von der das Zylinderrohr umgeben ist, die sich zwischen den zu dessen Bildung das Zylinderrohr von einer Schlauchmembran umgeben ist, die sich zwischen den beiden Flanschen erstreckt und mit ihren Enden gegen die Flansche abgedichtet ist und die einen zwischen ihr und dem Zylinderrohr befindlichen Raum als flexible Wand begrenzt.
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Somit ist ein hoher Integrationsgrad zwischen dem Hydraulikzylinder und dem Druckmittelbehälter erreicht. Von dem Druckmittelbehälter wird allenfalls wenig zusätzlicher Bauraum außerhalb der Abmessungen des Hydraulikzylinders beansprucht. Die Schlauchmembran ist derart an Bauteile des Hydraulikzylinders angebunden, dass allenfalls geringe Anpassungen an der Konstruktion des Hydraulikzylinders erforderlich sind.
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Vorteilhafterweise ist ein Außenanschluss des Druckmittelbehälters, über den der Druckmittelbehälter zum Beispiel mit einer Hydropumpe fluidisch verbunden ist, in einem Flansch des Hydraulikzylinders vorgesehen.
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Ein Außenanschluss des Druckmittelbehälters kann jedoch auch in einem der beiden Deckel des Hydraulikzylinders vorgesehen sein, wobei ein Fluidpfad von dem Druckmittelbehälter durch den dem Deckel benachbarten Flansch hindurch zu dem Außenanschluss führt. Ebenso ist es möglich, sowohl einen Fluidpfad zwischen dem Druckmittelbehälter und dem Außenanschluss im einen Deckel als auch einen Fluidpfad zwischen dem Druckmittelbehälter und dem Außenanschluss im anderen Deckel vorzusehen.
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Soll in einer Anwendung ein Fluidpfad unmittelbar zwischen dem Druckmittelbehälter und einem Druckraum auf einer Seite des Kolbens im Hydraulikzylinder bestehen, so führt dieser Fluidpfad vorteilhafterweise direkt einen Flansch und den benachbarten Deckel in den Druckraum oder in den Arbeitsanschluss am Deckel. Dabei kann der Fluidpfad auch ein Rückschlagventil umfassen, das in den Deckel oder in den Flansch eingebaut ist.
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Bevorzugt liegt die Schlauchmembran an ihren beiden Enden jeweils mit ihrer Innenseite auf einem Flansch auf, wobei die Auflage unter einer gewissen Pressung erfolgt und so der Druckmittelbehälter nach außen abgedichtet ist.
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Die Schlauchmembran kann von außen sichtbar sein und ist dann auf ihrer Außenseite dem Atmosphärendruck ausgesetzt. Zur Halterung an einem Flansch könnte ein Klemmring verwendet werden. Von besonderem Vorteil erscheint jedoch, wenn die Schlauchmembran von einem Behälterrohr umgeben ist und wenn ein Ende der Schlauchmembran zwischen einem Flansch und dem Behälterrohr befestigt und abgedichtet ist. Das Behälterrohr bietet einen Schutz vor einer mechanischen Beschädigung der Schlauchmembran. Außerdem wird durch ein solches Behälterrohr ein zusätzlicher Raum zwischen der Schlauchmembran und dem Behälterrohr geschaffen, der ein unter Druck gesetztes Gas enthalten kann. Damit kann das Druckmittel in dem Druckmittelbehälter vorgespannt werden und die Funktionalität der Schlauchmembran geht in Richtung eines hydropneumatischen Niederdruckspeichers. Ein Gasventil befindet sich vorteilhafterweise in dem Behälterrohr. Der Druckmittelbehälter kann auch als Hochdruckspeicher ausgeführt sein.
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Bevorzugt hat das Behälterrohr im Wesentlichen denselben oder einen kleineren Außendurchmesser wie die Außenabmessung der Deckel. Die Flansche können zumindest über eine begrenzte Länge einen Außendurchmesser aufweisen, der kleiner ist als die Außenabmessungen der Deckel ist, wobei die Schlauchmembran und das Behälterrohr auf dem kleineren Außendurchmesser der Flansche aufliegen. Es ist jedoch auch möglich, dass die Flansche über ihre gesamte Länge einen kleineren Außendurchmesser als die Außenabmessung der Deckel aufweisen und sich das Behälterrohr über die gesamte Länge der Flansche erstreckt.
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Die erfindungsgemäße hydraulische Baueinheit umfasst bevorzugt einen als Differentialzylinder ausgebildeten Hydraulikzylinder, bei dem das mit Druckmittel gefüllte Gesamtvolumen der Innenräume von der Position des Kolbens und einer mit dem Kolben zusammengebauten Kolbenstange abhängt. Die Schlauchmembran ist dann derart angeordnet und bemessen, dass der Druckmittelbehälter ein Druckmittelvolumen, das zumindest so groß wie die Differenz zwischen dem größten und dem kleinsten Gesamtvolumen ist, aufnehmen kann. Der Hydraulikzylinder kann jedoch auch ein Gleichgangzylinder sein.
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Eine erfindungsgemäße hydraulische Baueinheit ist in besonders vorteilhafter Weise Bestandteil einer sogenannten autarken servohydraulischen Linearachse. Eine solche Achse umfasst Komponenten der Elektrik und der Hydraulik und verknüpft alle von elektrischen Servoantrieben gewohnten Funktionen mit den physikalischen Vorteilen der Fluidtechnologie wie hohe Leistungsdichte und Robustheit. Die Unterbaugruppen Hydraulikzylinder, Steuerblock und Elektromotor-Pumpeneinheit bilden die Basis derartiger Linearachsen. Diese verfügen über einen eigenen geschlossenen Fluidkreislauf und benötigen kein zentrales Hydraulikaggregat. Der leckagefreie Fluidkreislauf kommt mit einer sehr geringen Menge an Hydraulikflüssigkeit aus.
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Zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen hydraulischen Baueinheit sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 das erste Ausführungsbeispiel mit einem Differentialzylinder und
- 2 das zweite Ausführungsbeispiel mit einem Gleichgangzylinder.
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Die hydraulische Baueinheit nach 1 stellt die Integration eines als Differentialzylinder ausgebildeten Hydraulikzylinders 10 und eines Druckmittelbehälters 11 dar. Der Hydraulikzylinder 10 ist ein solcher in der sogenannten Rundzylinderbauart und besitzt ein Zylindergehäuse 12 mit einem Zylinderrohr 13, das an seinen beiden Enden außen jeweils mit einem Gewinde versehen ist, mit zwei Flanschen 14 und 15, die mit einem Innengewinde versehen sind und von denen der Flansch 14 auf das eine Ende und der Flansch 15 auf das andere Ende des Zylinderrohres 13 aufgeschraubt ist. Das Zylinderrohr 13 ist an seinem einen Ende durch einen Deckel 16 verschlossen, der mit dem Flansch 14 mit Hilfe von Schrauben 17 mit Innensechskant gegen eine Stirnseite des Zylinderrohres 13 verschraubt ist und an dem ein erster Arbeitsanschluss 18 des Hydraulikzylinders 10 ausgebildet ist. In das andere Ende des Zylinderrohrs 13 ist ein Deckel 19 eingesetzt, der mit dem Flansch 15 ebenfalls mit Hilfe von Schrauben 17 mit Innensechskant gegen das andere Ende des Zylinderrohres 13 verschraubt ist und an dem ein zweiter Arbeitsanschluss 20 des Hydraulikzylinders 10 ausgebildet ist. Der Deckel 19 besitzt einen zentralen Durchgang 21.
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Im Innern des Hydraulikzylinders ist ein Kolben 25 in Längsrichtung des Zylinderrohres 13 bewegbar geführt. An dem Kolben 25 ist eine Kolbenstange 26 befestigt, die durch den zentrischen Durchgang 21 des Deckels 19 hindurch nach außen ragt. Der Deckel 19 wird auch als Zylinderkopf und der Deckel 16 als Zylinderboden bezeichnet. Der Kolben 25 trennt einen kolbenstangenseitigen oder deckelseitigen, ringförmigen Zylinderraum 27 von einem kolbenstangenabseitigen oder bodenseitigen Zylinderraum 28, der einen kreisscheibenförmigen Querschnitt hat.
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Bei einer Bewegung des Kolbens 25 und der Kolbenstange 26 verändern sich die Volumina der Zylinderräume gegensinnig, jedoch nicht in gleichen absoluten Beträgen. Bei einem Ausfahren der Kolbenstange 26 genügt deshalb die aus dem sich verkleinernden ringförmigen Zylinderraum 27 verdrängte Druckmittelmenge nicht, um den sich vergrößernden Zylinderraum 28 zu füllen. Diesem muss ein zusätzliches Druckmittelvolumen, das gleich dem Querschnitt der Kolbenstange 26 multipliziert mit dem Hub der Kolbenstange ist, zugeführt werden. Umgekehrt kann bei einem Einfahren der Kolbenstange 26 nicht die ganze aus dem sich verkleinernden Zylinderraum 28 verdrängte Druckmittelmenge von dem sich vergrößernden Zylinderraum 27 aufgenommen werden. Es muss ein Druckmittelvolumen, das gleich dem Querschnitt der Kolbenstange 26 multipliziert dem Hub der Kolbenstange ist, in einen Druckmittelbehälter abfließen. Durch die Abgabe von Druckmittel in den Druckmittelbehälter und die Entnahme von Druckmittel aus dem Druckmittelbehälter wird also die mit einer Bewegung des Kolbens 25 verbundene Änderung des freien Gesamtvolumens im Inneren des Zylindergehäuses 12 ausgeglichen. Ausgeglichen werden auch nicht volumenausgeglichene Leitungszüge und Änderungen des Druckmittelvolumens, die mit einer Temperaturänderung und einer Druckänderung einhergehen.
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Dieser Druckmittelbehälter 30 ist bei der hydraulischen Baueinheit gemäß 1 zwischen dem Zylinderrohr 13, den beiden Flanschen 14 und 15 und einem Behälterrohr 31 gebildet und wird durch eine Schlauchmembran 32 in zwei Teilräume 33 und 34 aufgeteilt. Die Schlauchmembran 32 liegt mit einem Ende auf einem abgedrehten Abschnitt 35 des Flansches 14 und mit seinem anderen Ende auf einem abgedrehten Abschnitt 36 des Flansches 15 auf. Das Behälterrohr 31 umgibt die Schlauchmembran 32 und erstreckt sich über die abgedrehten Abschnitte 35 und 36 der Flansche 14 und 15. Die Schlauchmembran 32 ist an jedem Ende zwischen einem Flansch und dem Behälterrohr befestigt, wobei sowohl die Fügestelle zwischen Flansch und Schlauchmembran als auch die Fügestelle Schlauchmembran Behälterrohr abgedichtet ist. Der Außendurchmesser des Behälterrohres 31 stimmt im Wesentlichen mit dem Außendurchmesser der Außenabmessungen der Flansche 14 und 15 und der Deckel 16 und 19 überein.
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Der Teilraum 33 zwischen dem Zylinderraum 33 und der Schlauchmembran 32 ist für die Aufnahme eines flüssigen Druckmittels, insbesondere von Hydrauliköl vorgesehen Eine Verbohrung 37 im Flansch 15 führt von dem Teilraum 33 zu einem am Flansch 15 ausgebildeten Behälteranschluss 38, über den der Teilraum 33 mit Komponenten des hydraulischen Systems, innerhalb der die gezeigte hydraulische Baueinheit verwendet wird, fluidisch verbindbar ist.
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Im Behälterrohr 31 ist ein Gasventil 39 angeordnet, um den Teilraum 34 zwischen der Schlauchmembran 32 und dem Behälterrohr 31 mit einem Gas zu füllen und die beiden Teilräume 33 und 34 mit einem Druck vorzuspannen. Da der Druckmittelbehälter 11 in erster Linie als Ausgleichsbehälter dient, ist die Druckvorspannung vorzugsweise so gewählt, dass die Konstruktion nicht unter die Druckgeräterichtlinie fällt.
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Soll von der in der
1 gezeigten Position die Kolbenstange
26 ausgefahren werden, so wird dem Zylinderraum
28 Druckmittel zugeführt. Ein Teil der zugeführten Druckmittelmenge wird von einer nicht gezeigten Hydropumpe gefördert, die direkt zwischen die beiden Zylinderräume
27 und
28 geschaltet ist. die zusätzlich notwendige Menge wird von einer zweiten Hydropumpe über den Behälteranschluss
38 dem Teilraum
33 des Druckmittelbehälters
11 entnommen und zum Zylinderraum
28 gefördert. Beim Einfahren der Kolbenstange
26 entnehmen beide Hydropumpen dem Zylinderraum
28 Druckmittel und geben es in den Zylinderraum
27 und in den Teilraum
33 des Druckmittelbehälters
11 ab. Ein solcher Betrieb eines Differentialzylinders in einem sogenannten halbgeschlossenen hydraulischen Kreislauf ist allgemein bekannt. Es wird dazu zum Beispiel auf die
DE 40 08 792 A1 oder die
DE 10 2004 061 559 A1 verwiesen.
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Das Ausführungsbeispiel nach 2 ist im Vergleich zu demjenigen nach 1 stark vereinfacht dargestellt, da es im Wesentlichen gleich wie das Ausführungsbeispiel nach 1 aufgebaut ist.
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Anders als bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 ist der Hydraulikzylinder nach 2 ein Gleichgangzylinder 40. Das Zylindergehäuse 12 dieses Gleichgangzylinders weist wiederum ein Zylinderrohr 13, das an seinen beiden Enden außen jeweils mit einem Gewinde versehen ist, zwei Flansche 14 und 15, die mit einem Innengewinde versehen sind und von denen der Flansch 14 auf das eine Ende und der Flansch 15 auf das andere Ende des Zylinderrohres 13 aufgeschraubt ist und zwei Deckel 16 und 18 auf, an denen sich jeweils ein Arbeitsanschluss befindet. Anders als bei dem Differentialzylinder des Ausführungsbeispiels nach 1 weist bei dem Gleichgangzylinder nach 2 auch der Deckel 16 einen zentralen Durchgang auf.
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Von dem nicht gezeigten Kolben des Gleichgangzylinders 40 steht nach jeder Seite eine Kolbenstange 26 ab, wobei die eine Kolbenstange durch den Deckel 16 und die andere Kolbenstange 26 durch den Deckel 19 nach außen tritt. Beide Kolbenstangen 26 haben denselben Durchmesser, so dass sich bei einer Bewegung des Kolbens und der Kolbenstangen 26 die Volumina der Zylinderräume des Gleichgangzylinders 40 gegensinnig und in gleichen absoluten Beträgen verändern.
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Ein Druckmittelbehälter 30 ist bei der hydraulischen Baueinheit gemäß 2 ebenfalls zwischen dem Zylinderrohr 13, den beiden Flanschen 14 und 15 und einem Behälterrohr 31 gebildet und wird durch eine Schlauchmembran 32 in zwei Teilräume 33 und 34 aufgeteilt. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel nach 1 haben die Flansche 14 und 15 nun auf ihrer gesamten axialen Länge einen kleineren Durchmesser als die Deckel 16 und 19. Die Schlauchmembran 32 und das Behälterrohr 31 überdecken die Flansche nun auf ihrer gesamten Länge. Die Schlauchmembran 32 ist wiederum an jedem Ende zwischen einem Flansch und dem Behälterrohr befestigt, wobei sowohl die Fügestelle zwischen Flansch und Schlauchmembran als auch die Fügestelle Schlauchmembran Behälterrohr abgedichtet ist. Der Außendurchmesser des Behälterrohres 31 stimmt im Wesentlichen mit dem Außendurchmesser der Außenabmessungen der Deckel 16 und 19 überein.
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Der Teilraum 33 zwischen dem Zylinderraum 33 und der Schlauchmembran 32 ist für die Aufnahme eines flüssigen Druckmittels, insbesondere von Hydrauliköl vorgesehen, der Teilraum 34 ist mit Gas gefüllt.
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Ein solcher Gleichgangzylinder kann mit einer einzigen Hydropumpe, die zwischen die beiden Arbeitsanschlüsse des Gleichgangzylinders geschaltet ist, in einem sogenannten geschlossenen hydraulischen Kreislauf betrieben werden. Dabei sind durch den Druckmittelbehälter nur solche Mengenänderungen auszugleichen, die durch Leckage, Temperatur, Druck und Ähnliches bedingt sind. Zu diesem Zweck ist der Teilraum 33 über jeweils ein Rückschlagventil 45 mit einem Arbeitsanschluss des Gleichgangzylinders verbunden, das zum Teilraum 33 hin sperrt. Das jeweilige Rückschlagventil 45 ist bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 in den Flansch 14 beziehungsweise 15 eingebaut.
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Geschlossene hydraulische Kreisläufe mit einem Gleichgangzylinder, mit einer zwischen die zwei Arbeitsanschlüsse des Gleichgangzylinders geschalteten Hydropumpe und mit einem Druckmittelbehälter, der über ein erstes Rückschlagventil an den Fluidpfad zwischen dem einen Anschluss der Hydropumpe und dem einen Arbeitsanschluss des Gleichgangzylinders und über ein zweites Rückschlagventil an den Fluidpfad zwischen dem anderen Anschluss der Hydropumpe und dem anderen Arbeitsanschluss des Gleichgangzylinders verbunden ist, sind allgemein bekannt. Es wird dazu zum Beispiel auf die
DE 10 2014 212 129 A1 verwiesen. Der Druckmittelbehälter ist dabei im Allgemeinen mit einem niedrigen Druck vorgespannt. Im Betrieb fließt immer dann einem Fluidpfad Druckmittel aus dem Druckmittelbehälter zu, wenn der Druck im Fluidpfad unter den Vorspanndruck, der im Druckmittelbehälter herrscht abfällt. Somit werden Unterdrücke in den Fluidpfaden vermieden.
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Eine erfindungsgemäße hydraulische Baueinheit kann ähnlich, wie das Ausführungsbeispiel nach 2 die Rückschlagventile 45 aufweist, weitere hydraulische, mechanische oder elektrische oder kombinierte Bauteile umfassen, wie sie typischerweise in geschlossenen oder halbgeschlossenen hydraulischen Kreisläufen vorhanden sind. Als Beispiele für solche Bauteile seien Sensoren für Druck und Temperatur oder hydraulische Füll-/Entlüftungsanschlüsse genannt.
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Denkbar wäre auch eine Teilung des Ausgleichsbehälters durch einen zusätzlichen Flansch. Somit könnten zwei voneinander getrennte Volumina oder zwei Volumina, die je nach Betriebssituation oder Einsatzfall voneinander getrennt oder miteinander verbunden werden können, genutzt werden. Eine derartige Teilung ist sowohl bei einem als Differentialzylinder als auch bei einem als Gleichgangzylinder ausgebildeten Hydraulikzylinder möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hydraulikzylinders
- 11
- Druckmittelbehälter
- 12
- Zylindergehäuse
- 13
- Zylinderrohr
- 14
- Flansch
- 15
- Flansch
- 16
- Deckel
- 17
- Schrauben
- 18
- erster Arbeitsanschluss von 10
- 19
- Deckel
- 20
- zweiter Arbeitsanschluss von 10
- 21
- zentraler Durchgang in 19
- 25
- Kolben
- 26
- Kolbenstange
- 27
- ringförmiger Zylinderraum
- 28
- Zylinderraum
- 31
- Behälterrohr
- 32
- Schlauchmembran
- 33
- Teilraum
- 34
- Teilraum
- 35
- abgedrehter Abschnitt von 14
- 36
- abgedrehter Abschnitt von 15
- 37
- Verbohrung
- 38
- Behälteranschluss
- 39
- Gasventil
- 40
- Gleichgangzylinder
- 45
- Rückschlagventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4008792 A1 [0026]
- DE 102004061559 A1 [0026]
- DE 102014212129 A1 [0033]
