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Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zu deren Betrieb.
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Aus der
WO 18/070920 A1 ist ein Frontlader für einen landwirtschaftlichen Traktor bekannt. Dieser umfasst einen Ausleger, welcher an einem ersten Ende bezüglich einer ersten Drehachse mittels eines fünften Aktuators schwenkbar ist. Am gegenüberliegenden zweiten Ende ist ein Werkzeug in einer Werkzeugaufnahme befestigbar, wobei die Werkzeugaufnahme mittels eines zweiten Aktuators bezüglich einer zweiten Drehachse schwenkbar ist. Es sind diverse hydraulische Ventile vorgesehen, mit denen verschiedene Funktionen des Frontladers steuerbar sind.
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Aus dem Datenblatt „Load-Sensing-Wegeventile in Scheibenbauweise SB24-EHS4, SB34-EHS4“ (Bestellnummer RD66174, Ausgabe 2021-11-11) der Bosch Rexroth AG ist ein Ventilblock bekannt, der besonders an die Anwendung in einem landwirtschaftlichen Traktor angepasst ist. Der Ventilblock ist aus mehreren gesonderten Ventilscheiben zusammengesetzt, welche jeweils einen Steuerschieber und eine Druckwaage umfassen, wobei alle Ventilschieber parallel von einer Pumpe mit Druckfluid versorgt werden. Die einzelnen Ventilscheiben können u.a. jeweils mit einem elektrohydraulischen Vorsteuergerät versehen sein, wobei wegen weiterer Details auf die
DE 10 2019 204 246 A1 verwiesen wird. Jeder Ventilscheibe ist typischerweise ein einziger Zylinder bzw. zwei parallel geschaltete hydraulische Zylinder zugeordnet, deren Bewegung mit der betreffenden Ventilscheibe gesteuert wird.
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Es wäre nun denkbar, für jeden Aktuator des Frontladers eine gesonderte Ventilscheibe des bekannten Ventilblocks zu verwenden. Mit der vorliegenden Erfindung soll eine Ventilanordnung geschaffen werden, die demgegenüber deutlich kostengünstiger und Platz sparender ist. Die Erfindung wird vorzugsweise zusammen mit dem vorstehend genannten Ventilblock verwendet. Dennoch soll der Schutz nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt sein. Die erfindungsgemäße Ventilanordnung kann beispielsweise in Form eines monolithischen Ventilblocks realisiert werden, der im Frontlader selbst aufgenommen ist.
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Gemäß Anspruch 1 wird eine Ventilanordnung zur Steuerung von wenigstens zwei Aktuatoren vorgeschlagen, wobei zumindest zwei Arbeits-Schaltventile vorgesehen sind, die jeweils eine Grundstellung und eine Nebenstellung haben, wobei jedes Arbeits-Schaltventil mittels eines Drucks an einer jeweils zugeordneten ersten Steuerstelle im Sinne einer Verstellung zur Nebenstellung hin beaufschlagbar ist, wobei über jedes Arbeits-Schaltventil zumindest ein zugeordneter Aktuator mit einer jeweils zugeordneten Primärleitung und einer jeweils zugeordneten Sekundärleitung fluidisch verbindbar ist, wobei alle ersten Steuerstellen fluidisch an ein gemeinsames Steuer-Schaltventil angeschlossen sind, wobei das Steuer-Schaltventil einen linearbeweglichen ersten Steuerschieber hat, wobei eine Stellvorrichtung vorgesehen ist, mittels derer der erste Steuerschieber abhängig von einer Stellgröße mit einer in Bewegungsrichtung des ersten Steuerschiebers wirksamen Kraft beaufschlagbar ist, wobei der erste Steuerschieber wenigstens drei Schaltstellungen hat, wobei in jeder Schaltstellung alle ersten Steuerstellen entweder mit einem Fluidzulauf oder mit einem Fluidrücklauf fluidisch verbunden sind, wobei sich die Schaltstellungen hinsichtlich der entsprechenden Verschaltungen unterscheiden. Damit ist es nicht notwendig, jedes Arbeits-Schaltventil mit einem gesonderten Betätigungsmagneten vorzusehen. Die eine Stellvorrichtung des Steuer-Schaltventils reicht aus.
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Vorzugsweise sind ein erster und ein zweiter Fluidzulauf und ein erster und ein zweiter Fluidrücklauf vorhanden, wobei dem ersten Steuer-Schaltventil ein einziger Fluidzulauf und ein einziger Fluidrücklauf fest zugeordnet ist. Hierdurch soll eine gegenseitige Beeinflussung der verschiedenen Funktionen der Ventilanordnung minimiert werden. Vorzugsweise ist dem Steuer-Schaltventil ein zweiter Fluidzulauf zugeordnet, der ausgangsseitig an einen Druckregler angeschlossen ist, welcher eingangsseitig vom ersten Fluidzulauf her mit Druckfluid versorgt wird.
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Die Ventilanordnung kann Bestandteil eines Ventilblocks sein, mit welchem weitere Aktuatoren steuerbar sind. Im Falle eines landwirtschaftlichen Traktors kann der Ventilblock beispielsweise ein hydraulisches Hubwerk am Heck des Traktors steuern, wobei mit der erfindungsgemäßen Ventilanordnung ein Frontlader an der Front des Traktors gesteuert wird.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben.
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Es kann ein Stellungssensor vorgesehen sein, mittels dessen eine Ist-Stellung des ersten Steuerschiebers messbar ist, wobei ein Stellungsregler vorgesehen ist, mittels dessen die genannte Ist-Stellung durch Verstellung der Stellgröße auf eine vorgegebene Soll-Stellung einregelbar ist. Eine entsprechende Stellungsregelung wird bereits in dem Ventilblock gemäß des eingangs genannten Datenblatts verwendet. Im Zusammenspiel mit der vorliegenden Erfindung ermöglicht es gerade diese Stellungsreglung, besonders viele verschiedene Schaltstellungen am Steuer-Schaltventil zu realisieren. Dabei ist es nicht notwendig, die Hauptabmessungen des bekannten zweiten Steuerschiebers zu vergrößern. Die einzelnen Schaltstellungen können in dem bisherigen Hubweg des Steuerschiebers untergebracht werden. Die hohe Stellgenauigkeit der bekannten Stellungsregelung erlaubt sehr kleine Hublängen für die einzelnen Schaltstellungen. Anstelle der Stellungsregelung ist es denkbar, dass die Stellvorrichtung einen Schrittmotor umfasst. Ein derartiger Schrittmotor kann gesteuert verstellt werden, indem seine Schritte gezählt werden. Mit der bevorzugten Stellungsregelung kann dabei das Problem der Schrittverluste behoben werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Arbeits-Schaltventil jeweils eine erste Feder umfasst, mit der es im Sinne einer Verstellung zur Grundstellung hin vorgespannt ist. Vorzugsweise sind alle Arbeits-Schaltventile entsprechend ausgebildet. Es ist denkbar, dass anstelle der ersten Feder eine zweite Steuerstelle verwendet wird, deren Druck das betreffende Arbeits-Schaltventil in Richtung der Grundstellung beaufschlagt, wobei die zweiten Steuerstellen analog zu den ersten Steuerstellen an das erste Steuerventil angeschlossen sind. Hierdurch würde sich aber die Anzahl der erforderlichen Fluidkanäle verdoppeln, ohne dass dem ein Nutzen gegenüber der beanspruchten Lösung gegenübersteht.
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Es kann vorgesehen sein, dass der erste Steuerschieber eine erste Schaltstellung hat, welche mittels wenigstens einer zweiten Feder vorgespannt ist, wobei in der ersten Schaltstellung alle ersten Steuerstellen mit einem Fluidrücklauf fluidisch verbunden sind. Hierdurch wird eine definierte Grundstellung des Systems herbeigeführt, die selbst dann vorliegt, wenn sowohl die elektrische Spannungsversorgung als auch die Druckversorgung ausfällt. Die Grundstellung ist vorzugsweise so gewählt, dass sich keine Gefährdung für den Benutzer des Systems ergibt.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Steuer-Schaltventil für jede erste Steuerstelle eine zugeordnete, gesonderte Schaltstellung hat, in der jeweils ausschließlich die betreffende erste Steuerstelle mit einem Fluidzulauf fluidisch verbunden ist, wobei alle übrigen ersten Steuerstellen mit einem Fluidrücklauf fluidisch verbunden sind. Mit dieser Ausführung lassen sich bei vorgegebenem Bauraum sehr viele Schaltstellungen realisieren. Es versteht sich, dass es ohne Weiteres denkbar ist, in einer Schaltstellung mehrere erste Steuerstellen mit Druck zu beaufschlagen. Hierdurch steigt der Bauraumbedarf, insbesondere der erforderliche Hubweg des ersten Steuerschiebers, in der Regel an.
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Es kann ein erstes Arbeits-Schaltventil vorgesehen sein, mittels dessen ein erster Aktuator steuerbar ist, wobei das erste Arbeits-Schaltventil an einen Fluidzulauf angeschlossen ist, welcher unmittelbar oder mittelbar über einen Druckregler mit einer Pumpe fluidisch verbindbar ist. Der genannte Fluidzulauf bildet die Primärleitung dieses Arbeitsschaltventils. In dem Fluidströmungspfand von der Pumpe zum ersten Aktuator ist dementsprechend kein stetig verstellbares Ventil vorgesehen, dessen freie Strömungsquerschnittsfläche direkt vom Benutzer des Systems einstellbar wäre. Mittels des ersten Aktuators ist beispielsweise eine Werkzeugverriegelung an einem Frontlader eines landwirtschaftlichen Traktors betätigbar, wobei der erste Aktuator als Hydraulikzylinder, insbesondere als Differentialzylinder ausgebildet sein kann. In diesem Fall werden nur die beiden gegenüberliegenden Endstellungen des ersten Aktuators benutzt und keine beliebigen Zwischenstellungen. Die Nebenstellung des ersten Arbeits-Schaltventils bewirkt vorzugsweise eine Entriegelung der Werkzeugverriegelung, wobei die Werkzeugverriegelung in der Grundstellung verriegelt ist.
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Es kann wenigstens ein erstes Steuer-Proportionalventil vorgesehen sein, welches eine erste und eine zweite Arbeitsstellung hat, wobei in der ersten Arbeitsstellung ein Fluidzulauf über eine stetig verstellbare Hauptblende mit einer zugeordneten ersten Primärleitung fluidisch verbunden ist, wobei eine zugeordnete erste Sekundärleitung mit einem Fluidrücklauf fluidisch verbunden ist, wobei in der zweiten Arbeitsstellung der genannte Fluidzulauf über eine stetig verstellbare Hauptblende mit der genannten ersten Sekundärleitung fluidisch verbunden ist, wobei die genannte erste Primärleitung mit dem genannten Fluidrücklauf fluidisch verbunden ist, wobei zumindest einem ersten Steuer-Proportionalventil ein zweites Arbeits-Schaltventil zugeordnet ist, an welches ausgangsseitig ein zweiter und ein dritter Aktuator anschließbar sind, wobei in der betreffenden Grundstellung der zweite Aktuator mit der genannten ersten Primärleitung und der genannten ersten Sekundärleitung fluidisch verbindbar ist, wobei der dritte Aktuator gesperrt ist, wobei in der betreffenden Nebenstellung der dritte Aktuator mit der genannten ersten Primärleitung und der genannten ersten Sekundärleitung fluidisch verbindbar ist, wobei der zweite Aktuator gesperrt ist. Das erste Steuer-Proportionalventil ist vorzugsweise gemäß des Eingangs genannten Datenblatts ausgeführt. Mit einem ersten Steuer-Proportionalventil können damit zumindest zwei Aktuatoren gesteuert werden, wobei immer nur ein einziger Aktuator aktiv ist. Es ist denkbar, dass entsprechend der
EP 2 280 179 B1 eine einzige Hauptblende vorgesehen ist, die sowohl in der ersten als auch in der zweiten Arbeitsstellung benutzt wird. Weiter ist es denkbar, dass entsprechend der
DE 196 31 803 B4 für die erste und die zweite Arbeitsstellung jeweils eine gesonderte Hauptblende genutzt wird. Sofern mehrere erste Steuer-Proportionalventile vorhanden sind, sind vorzugsweise jedem ersten Steuer-Proportionalventil ein gesondertes Paar umfassend eine erste Primär- und eine erste Sekundärleitung zugeordnet.
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Es kann wenigstens ein drittes Arbeits-Schaltventil vorgesehen sein, an welches ausgangsseitig jeweils ein zugeordneter vierter Aktuator und ein weiteres Arbeits-Schaltventil angeschlossen sind, wobei in der einen Stellung des jeweiligen dritten Arbeits-Schaltventils, Grundstellung oder Nebenstellung, der zugeordnete vierte Aktuator mit einer zugeordneten ersten Primärleitung und einer zugeordneten ersten Sekundärleitung fluidisch verbindbar ist, wobei das genannte weitere Arbeits-Schaltventil gesperrt ist, wobei in der anderen Stellung des jeweiligen dritten Arbeits-Schaltventils, Nebenstellung oder Grundstellung, das genannte weitere Arbeits-Schaltventil mit der genannten ersten Primärleitung und der genannten ersten Sekundärleitung fluidisch verbindbar ist, wobei der zugeordnete vierte Aktuator gesperrt ist. Bei dem genannten weiteren Arbeits-Schaltventil handelt es sich vorzugsweise entweder um ein zweites Arbeits-Schaltventil oder ein weiteres drittes Arbeits-Schaltventil. Damit können mit einem ersten Steuer-Proportionalventil drei oder mehr Aktuatoren gesteuert werden, wobei immer nur ein einziger Aktuator aktiv ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die genannte erste Primärleitung und/oder die genannte erste Sekundärleitung jeweils eingangsseitig an ein zugordnetes Druckbegrenzungsventil angeschlossen ist, welches ausgangsseitig an einen Fluidrücklauf angeschlossen ist. Alternativ ist es denkbar, die Druckbegrenzungsventile wie üblich unmittelbar an den beiden Anschlussleitungen des zweiten, des dritten und/oder des vierten Aktuators zu platzieren. Gegenüber der beanspruchten Lösung wären dann aber mehr Druckbegrenzungsventile erforderlich.
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Es kann ein zweites Steuer-Proportionalventil vorgesehen sein, welches eine erste und eine zweite Arbeitsstellung hat, wobei in der ersten Arbeitsstellung ein Fluidzulauf über eine stetig verstellbare Hauptblende mit einer zugeordneten zweiten Primärleitung fluidisch verbunden ist, wobei eine zugeordnete zweite Sekundärleitung mit einem ersten Fluidrücklauf fluidisch verbunden ist, wobei in der zweiten Arbeitsstellung der genannte Fluidzulauf über eine stetig verstellbare Hauptblende mit der genannten zweiten Sekundärleitung fluidisch verbunden ist, wobei die genannte zweite Primärleitung mit dem genannten Fluidrücklauf fluidisch verbunden ist, wobei ein zugeordneter fünfter Aktuator unmittelbar an die genannte zweite Primärleitung und die genannte zweite Sekundärleitung fluidisch anschließbar ist, wobei ein viertes Arbeits-Schaltventil vorgesehen ist, an welches ein Druckspeicher anschließbar ist, wobei in der Grundstellung des vierten Arbeits-Schaltventils der Druckspeicher ausschließlich mit einem Fluidrücklauf fluidisch verbunden ist, wobei in der Nebenstellung des vierten Arbeits-Schaltventils der Druckspeicher ausschließlich mit der genannten zweiten Sekundärleitung fluidisch verbunden ist. Mit dem Druckspeicher kann der Ausleger des Frontladers elastisch federnd abgestützt werden. Bei schneller Fahrt des Traktors mit beladenem Frontlader werden in der Folge Fahrzeugschwingungen minimiert. Das erste und das zweite Steuer-Proportionalventil sind vorzugsweise im Wesentlichen identisch ausgeführt, wobei insbesondere unterschiedliche Primär- und Sekundärleitungen Verwendung finden.
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Es kann vorgesehen sein, dass dem ersten und/oder dem zweiten Steuer-Proportionalventil jeweils eine Stellvorrichtung und ein Stellungssensor zugeordnet ist, die jeweils identisch zu dem entsprechenden Komponenten am Steuer-Schaltventil ausgebildet sind. Die genannten Komponenten können damit kostengünstig in großen Stückzahlen hergestellt werden. Sie sind vorzugsweise gemäß der
DE 10 2019 204 246 A1 ausgeführt. Vorzugsweise ist ein zugeordneter Stellungsregler ebenfalls im Wesentlichen identisch ausgebildet, wobei die entsprechenden Regelparameter des bevorzugten PID-Reglers unterschiedlich eingestellt sein können.
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Schutz wird außerdem für ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung beansprucht, wobei das Steuer-Schaltventil so schnell zwischen zwei nicht unmittelbar benachbarten Schaltstellungen umgeschaltet wird, dass die wenigstens eine dazwischen liegende Schaltstellung nur so kurzzeitig wirksam ist, dass das zugeordnete Arbeits-Schaltventil nicht umschaltet. Ein derartig schnelles Umschalten wird gerade durch die bevorzugte Stellungsregelung ermöglicht. Vorzugsweise ist zwischen dem Steuer-Schaltventil und jeder ersten Steuerstelle jeweils eine Drossel angeordnet, die eine Verzögerung des Umschaltens des betreffenden Arbeits-Schaltventils bewirkt.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- 1 einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung;
- Fig . 2 einen vergrößerten Teil von 1 im Bereich der ersten Ventilscheibe;
- 3 eine Variante von 2, bei welcher die Druckbegrenzungsventile anders angeschlossen sind;
- 4 eine Variante von 2, bei welcher ein zusätzliches Rückschlagventil vorgesehen ist;
- 5 eine Variante von 4, bei welcher eine Verbindungsleitung anders geführt ist;
- 6 eine Variante von 4, bei welcher das Rückschlagventil von der ersten Sekundärleitung her versorgt wird;
- 7 eine Variante von 2, bei welcher der erste Aktuator vom ersten Fluidzulauf her mit Druck versorgt wird; und
- 8 eine grobschematische Darstellung des Stellungsreglers.
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1 zeigt einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung 10. Die Ventilanordnung 10 wird vorliegend von einem Ventilblock 100 gebildet, welcher aus einer ersten, einer zweiten und einer dritten Ventilscheibe 101; 102; 103 zusammengesetzt ist. Die zweite und die dritte Ventilscheibe 102; 103 sind vorzugsweise gemäß des Katalogs „Load-Sensing-Wegeventile in Scheibenbauweise SB24-EHS4, SB34-EHS4“ der Bosch Rexroth AG (Bestell-Nr. RD 66174; Ausgabe 2021-11-11) ausgebildet. Die erste Ventilscheibe 101 ist so gestaltet, dass sie mit den bekannten Ventilscheiben kombinierbar ist, um einen Frontlader eines landwirtschaftlichen Traktors zu steuern. Dabei versteht es sich, dass der Ventilblock 100 weitere (nicht dargestellte) Ventilscheiben umfassen kann, mit denen beispielsweise ein hydraulisches Hubwerk am Heck des Traktors steuerbar ist. Es versteht sich weiter, dass die Erfindung auch in der Form eines monolithischen Ventilblocks ausführbar ist, der beispielsweise innerhalb des genannten Frontladers aufgenommen ist.
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Die Ventilanordnung 10 ist Bestandteil eines hydraulischen Antriebssystems 104, mit dem der Fortlader eines landwirtschaftlichen Traktors gesteuert wird. Mit dem fünften Aktuator 25 wird ein Ausleger des Frontladers angehoben und abgesenkt. Mit dem zweiten Aktuator 22 wird ein Werkzeug, beispielsweise eine Schaufel, am Ende des Auslegers ein- und ausgekippt. Mit dem ersten Aktuator 21 soll das lösbar am Ausleger befestigte Werkzeug sicher verriegelt werden, so dass es sich während des Betriebs nicht vom Ausleger löst. Mit dem dritten und dem vierten Aktuator 23; 24 soll jeweils eine hydraulische Zusatzfunktion des Werkzeuges betätigt werden. Die genannten Aktuatoren 20, 21; 22; 23; 24; 25 sind vorliegend alle als doppeltwirkende hydraulische Differentialzylinder ausgebildet.
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Das hydraulische Antriebssystem 104 umfasst eine Pumpe 90, welche Druckfluid aus einem Tank 92 ansaugt und unter Druck zum Ventilblock 100 fördert, nämlich in den ersten Fluidzulauf P. Bei dem Druckfluid handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit und höchst vorzugsweise um Hydrauliköl. Die Pumpe 90 hat ein stetig verstellbares Verdrängungsvolumen, wobei sie beispielsweise als Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise ausgebildet ist. Das Verdrängungsvolumen der Pumpe 90 wird beispielsweise von einem Pumpenregler 91 verstellt, um den Förderdruck der Pumpe 90 so einzuregeln, dass er um eine vorgegebene Druckdifferenz oberhalb des Drucks in der Lastmelde-Leitung LS liegt. In der Lastmelde-Leitung LS liegt der höchste zulaufseitige Druck des zweiten, des dritten, des vierten und des fünften Aktuators 22; 23; 24; 25 an, also derjenigen Aktuatoren, deren Geschwindigkeit mittels des ersten und des zweiten Steuer-Proportionalventils 60; 67 stetig verstellbar ist. Der genannte höchste Druck wird mittels einer Kaskade von Wechselventilen 82 ermittelt. Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung auch mit Drosselsteuerungen verwendbar ist, bei welchen insbesondere die Lastmelde-Leitung LS fehlt.
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Beim ersten Aktuator 21 zur Verriegelung des Werkzeugs ist keine stetige Verstellbarkeit erforderlich. Dieser wird von einem zweiten Fluidzulauf X her mit Druckfluid versorgt, der beispielsweise auch die Stellvorrichtungen 70 versorgt. Der Druck im zweiten Fluidzulauf X wird über den Druckregler 93 aus dem Druck im ersten Fluidzulauf P abgeleitet, so dass er weitgehend unabhängig von Druckschwankungen im ersten Fluidzulauf P ist, die durch sich ändernde äußere Lasten verursacht werden.
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Weiter ist auf den ersten und den zweiten Fluidrücklauf R, Rx, hinzuweisen, über welche das von den Aktuatoren 20 zurückströmende Druckfluid wieder in den Tank 92 fließt. Der zweite Fluidrücklauf Rx ist dabei den hydraulischen Verbrauchern zugeordnet, welche besonders empfindlich hinsichtlich Druckschwankungen im Fluidrücklauf sind. Beide Fluidrückläufe R, Rx führen gesondert voneinander zum Tank 92.
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Die zweite und die dritte Ventilscheibe 102; 103 sind entsprechend dem sogenannten LS-System ausgebildet. Dementsprechend hat das erste bzw. das zweite Steuerproportionalventil 60; 67 im Zulauf jeweils eine stetig verstellbare Hauptblende 68, welche die Bewegungsgeschwindigkeit des zugeordneten Aktuators 22; 23; 24; 25 bestimmt. Mittels einer jeweils zugeordneten Druckwaage 81 wird der Druckabfall an dieser Hauptblende 68 auf einen vorgegebenen Wert eingeregelt. Damit ist die Bewegungsgeschwindigkeit weitgehend unabhängig von der Last, die am betreffenden Aktuator angreift. Es kann auch eine Druckwaage verwendet werden, die den Druck stromabwärts der Hauptblende 68 auf einen Druck einregelt, der gleich oder etwas höher als der Druck in der Lastmelde-Leitung LS ist. Auf die Druckwaage 81 kann im Fall der bereits genannten Drosselsteuerung auch ganz verzichtet werden. Der Druck stromabwärts der Hauptblende 68 wird über ein zugeordnetes Wechselventil 82 in die Lastmelde-Leitung LS gemeldet.
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Die erste Ventilscheibe 101 verwendet die Stellvorrichtung 70 und den Stellungssensor 71, der auch in der zweiten und in der dritten Ventilscheibe 102; 103 Verwendung finden. Diese Komponenten sind Gegenstand der
DE 10 2019 204 246 A1 , deren gesamter Inhalt in Bezug genommen und zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Die Stellvorrichtung 70 umfasst insbesondere ein stetig verstellbares 4/3-Wegeventil, welches an den zweiten Fluidzulauf X und den zweiten Fluidrücklauf Rx angeschlossen ist, wobei es mittels zweier Elektromagnete in zwei entgegengesetzte Richtungen verstellbar ist. Die beiden Ausgänge des 4/3-Wegeventils beaufschlagen die beiden gegenüberliegenden Stirnseiten des zugeordneten ersten bzw. zweiten Steuerschiebers 56; 65, so dass dessen Stellung hydraulisch verstellbar ist. Der Stellungssensor 71 misst die Stellung des betreffenden ersten bzw. zweiten Steuerschiebers 56; 65. Ein Stellungregler (Nr. 72 in
8) regelt die vom Stellungssensor 71 gemessene Ist-Stellung auf eine vorgegebene Soll-Stellung ein, indem er den Strom in den genannten Elektromagneten verstellt. Hierdurch kann die Stellung des ersten bzw. zweiten Steuerschiebers 56; 65 einerseits sehr genau und andererseits sehr schnell verstellt werden. Diesen Umstand macht man sich beim Steuer-Schaltventil 50 zunutze, um vorliegend insgesamt fünf Schaltstellungen 51; 52; 53; 54; 55 zu realisieren. In diesen Schaltstellungen 51; 52; 53; 54; 55 werden die Arbeits-Schaltventile 30 unterschiedlich angesteuert. In der Folge ist es nicht mehr notwendig, jedes Arbeits-Schaltventil 30 mit einem gesonderten Betätigungsmagneten zu versehen. Insbesondere bei einem Frontlader eines landwirtschaftlichen Tranktors ergibt sich hierdurch eine nennenswerte Kosteneinsparung gegenüber einer konventionellen Ventilanordnung, bei der jedem Aktuator 20 ein Ventil mit einem Betätigungsmagneten zugeordnet ist. Im Rahmen der Erfindung wird dabei ausgenutzt, dass es bei einem Frontlader typischerweise nicht erforderlich ist, mehr als zwei Aktuatoren 20 gleichzeitig zu verstellen.
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Fig . 2 zeigt einen vergrößerten Teil von 1 im Bereich der ersten Ventilscheibe 101. Alle Arbeits-Schaltventile 30 haben genau zwei Stellungen, nämlich eine Grundstellung 40 und eine Nebenstellung 41. Die Grundstellung 40 ist jeweils mittels einer ersten Feder 42 vorgespannt, wobei jedes Arbeits-Schaltventil 30 durch Druckbeaufschlagung einer jeweils zugeordneten ersten Steuerstelle 43 in die Nebenstellung 42 geschaltet werden kann. Alle ersten Steuerstellen 43 sind an das Steuer-Schaltventil 50 angeschlossen.
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Das Steuer-Schaltventil 50 hat einen ersten Steuerschieber 56 mit einer ersten, einer zweiten, einer dritten, einer vierten und einer fünften Schaltstellung 51; 52; 53; 54; 55. Die erste Schaltstellung 51 ist mittels wenigstens einer zweiten Feder 57 vorgespannt. In der ersten Schaltstellung 51 sind alle ersten Steuerstellen mit dem ersten Fluidrücklauf R verbunden, wobei sie stattdessen auch mit dem zweiten Fluidrücklauf verbunden sein können. In allen übrigen Schaltstellungen 52; 53; 54; 55 ist jeweils eine einzige erste Steuerstelle 43 mit dem zweiten Fluidzulauf X verbunden, wobei alle übrigen ersten Steuerstellen 43 mit dem ersten Fluidrücklauf R bzw. dem zweiten Fluidrücklauf Rx verbunden sind.
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Das erste Arbeits-Schaltventil 31 ist dem ersten Aktuator 21 zugeordnet. Es wird in die Nebenstellung 41 geschaltet, wenn sich das Steuer-Schaltventil 50 in der zweiten Schaltstellung 52 befindet. In der betreffenden Grundstellung 40 sind beide Zylinderseiten des ersten Aktuators 21 mit dem zweiten Fluidzulauf X verbunden, so dass dieser ausgefahren und das Werkzeug verriegelt ist. In der betreffenden Nebenstellung 41 ist die Stangenseite des ersten Aktuators mit dem zweiten Fluidzulauf X verbunden, wobei die Kolbenseite mit dem ersten Fluidrücklauf R verbunden ist. Dementsprechend ist der erste Aktuator 21 eingefahren und das Werkzeug entriegelt. Das Werkzeug ist dementsprechend verriegelt, wenn sich das Steuer-Schaltventil 50 in der ersten, der dritten, der vierten oder der fünften Schaltstellung 51; 53; 54; 55 befindet. Es ist ausschließlich dann entriegelt, wenn sich das Steuer-Schaltventil 50 in der zweiten Schaltstellung 52 befindet. Da die zweite Schaltstellung 52 eine ganz außen gelegene Stellung ist, ist eine unbeabsichtigte Entriegelung des Werkzeugs weitgehend ausgeschlossen.
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Das zweite und das dritte Arbeits-Schaltventil 32; 33 wirken derart zusammen, dass entweder der zweite Aktuator 22 oder der dritte Aktuator 23 oder der vierte Aktuator 24 vom ersten Steuer-Proportionalventil (Nr. 60 in 1) gesteuert werden. Das erste Steuer-Proportionalventil ist über die erste und die zweite Primärleitung A1; B 1 mit dem zweiten und dem dritten Arbeits-Schaltventil 32; 33 verbunden. Das dritte Arbeits-Schaltventil 33 verbindet die erste und die zweite Primärleitung A1; B1 in seiner Nebenstellung 41 mit dem vierten Aktuator 24, wobei der zweite und der dritte Aktuator 22; 23 hydraulisch fest eingespannt sind. In seiner Grundstellung 40 verbindet das dritte Arbeits-Schaltventil 33 die erste und die zweite Primärleitung A1; B1 mit dem zweiten Arbeits-Schaltventil 32, wobei der vierte Aktuator 24 hydraulisch fest eingespannt ist.
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Das zweite Arbeits-Schaltventil 32 verbindet in seiner Grundstellung 40 das dritte Arbeits-Schaltventil 33 mit dem zweiten Aktuator 22, wobei es in seiner Nebenstellung 41 den dritten Aktuator 23 mit dem dritten Arbeits-Schaltventil 33 verbindet. Das zweite und das dritte Arbeits-Schaltventil 32, 33 bewirken also eine Verzweigung des zwei-kanaligen Fluidstroms zu zwei umschaltbaren Ausgangs-Paaren hin.
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Dementsprechend wird in der ersten Schaltstellung 51 des Steuer-Schaltventils 50 der zweite Aktuator 22 vom ersten Steuer-Proportionalventil (Nr. 60 in 1) gesteuert. In der vierten Schaltstellung 54 des Steuer-Schaltventils 50 wird der vierte Aktuator 24 vom ersten Steuer-Proportionalventil (Nr. 60 in 1) gesteuert. In der dritten Schaltstellung 53 des Steuer-Schaltventils 50 wird der dritte Aktuator 23 vom ersten Steuer-Proportionalventil (Nr. 60 in 1) gesteuert.
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Es versteht sich, dass analog zum zweiten und zum dritten Arbeits-Schaltventil 32; 33 weitere Arbeits-Schaltventile vorgesehen sein können, um noch weitere Aktuatoren mittels des ersten Steuer-Proportionalventils (Nr. 60 in 1) zu steuern. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, dass das Steuer-Schaltventil 50 in einer Schaltstellung mehrere erste Steuerstellen 43 mit dem zweiten Fluidzulauf X verbindet.
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Hinzuweisen ist auf die beiden Druckbegrenzungsventile 80, welche den Druck an der ersten und der zweiten Primärleitung A1; B1 jeweils auf einen voreingestellten Wert nach oben begrenzen. Die beiden Druckbegrenzungsventile 80 öffnen jeweils zum ersten Fluidrücklauf R hin.
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Der fünfte Aktuator 25 zum Anheben und Absenken des Auslegers des Frontladers ist über eine zweite Primärleitung A2 und eine zweite Sekundärleitung B2 permanent mit dem zweiten Steuer-Proportionalventil (Nr. 67 in 1) verbunden. Dementsprechend wird das zweite Steuer-Proportionalventil allein für die Steuerung des fünften Aktuators 25 benutzt und nicht zur Steuerung weiterer Aktuatoren.
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Dem fünften Aktuator 25 ist ein Druckspeicher 83 zugeordnet. Wenn der Druckspeicher 83 über das vierte Arbeits-Schaltventil 34 mit der Kolbenseite des fünften Aktuators 25 verbunden ist, wird das Gewicht des Frontladers über den Hydrospeicher 83 elastisch nachgiebig abgestützt. Wenn der entsprechende Traktor mit beladenem Frontlader fährt, kann der Frontlader somit ein wenig schwingen. Die Beladung des Frontladers wird beim Fahren auf unebenem Untergrund sanft gefedert, so dass Fahrzeugschwingungen minimiert werden.
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Das vierte Arbeits-Schaltventil 34 verbindet den Druckspeicher 83 in seiner Grundstellung 40 mit dem ersten Fluidrücklauf R, so dass der Druckspeicher 83 entladen wird. In der Nebenstellung 41 des vierten Arbeits-Schaltventils 34 ist der Druckspeicher 83 mit der Kolbenseite des fünften Aktuators 25 verbunden, wobei die genannte Kolbenseite das Gewicht des Frontladers hydraulisch abstützt. Die erläuterte Federung des Frontladers wird aktiviert, indem das Steuer-Schaltventil in die äußerste fünfte Schaltstellung 55 geschaltet wird. Im Übrigen ist sie deaktiviert und der Hydrospeicher 83 im Wesentlichen drucklos.
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3 zeigt eine Variante von 2, bei welcher die Druckbegrenzungsventile 80 anders angeschlossen sind. Diese zweite Ausführungsform ist bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede identisch zur ersten Ausführungsform nach 1 und 2 ausgeführt, so dass diesbezüglich auf die Ausführungen zu 1 und 2 verwiesen wird. In den 1 bis 3 sind gleiche bzw. sich entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Die beiden Druckbegrenzungsventile 80 sind nunmehr unmittelbar an die beiden Anschlüsse des zweiten Aktuators 22 angeschlossen, so dass der dortige Druck nach oben begrenzt wird, gleich, welcher der Aktuatoren aus der Gruppe umfassend den zweiten, den dritten und den vierte Aktuator 22; 23; 24 vom ersten Steuer-Proportionalventil (Nr. 60 in 1) angesteuert wird.
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4 zeigt eine Variante von 2, bei welcher ein zusätzliches Rückschlagventil 105 vorgesehen ist. Diese dritte Ausführungsform ist bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede identisch zur ersten Ausführungsform nach 1 und 2 ausgeführt, so dass diesbezüglich auf die Ausführungen zu 1 und 2 verwiesen wird. In den 1; 2 und 4 sind gleiche bzw. sich entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Das Rückschlagventil 105 ist zwischen dem zweiten Fluidzulauf X und dem ersten Arbeits-Schaltventil 31 angeordnet, wobei es ausschließlich einen Fluidstrom vom zweiten Fluidzulauf X zum ersten Arbeits-Schaltventil 31 hin zulässt. Damit öffnet die Verriegelung des Werkzeugs auch dann nicht, wenn Leckagen am ersten Arbeits-Schaltventil 31 auftreten, da diese über das Rückschlagventil 105, welches als Sitzventil ausgebildet ist, vollständig abgedichtet werden. Hierdurch soll insbesondere dem Fall Rechnung getragen werden, dass der Frontlader längere Zeit nicht benutzt wird, wobei eine kleine Kraft in Öffnungsrichtung auf den ersten Aktuator 21 wirkt. Ohne das Rückschlagventil 105 könnte dies zu einem ungewollten Öffnen der Verriegelung führen.
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Das Rückschlagventil 105 ist vorzugsweise mittels einer Feder in die geschlossene Stellung vorgespannt.
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Es versteht sich, dass die zweite mit der dritten Ausführungsform kombiniert werden kann.
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5 zeigt eine Variante von 4, bei welcher eine Verbindungsleitung 106 anders geführt ist. Diese vierte Ausführungsform ist bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede identisch zur dritten Ausführungsform nach 4 ausgeführt, so dass diesbezüglich auf die Ausführungen zu 1; 2 und 4 verwiesen wird. In den 1; 2; 4 und 5 sind gleiche bzw. sich entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Bei der dritten Ausführungsform wurden beide Kolbenseiten des ersten Aktuators direkt vom zweiten Fluidzulauf X her mit Druck beaufschlagt, sofern die entsprechende Verbindung über das erste Arbeits-Schaltventil 31 hergestellt war. Bei der vierten Ausführungsform nach 5 wird die Kolbenstangenseite stattdessen über die Verbindungsleitung 106 von der dem ersten Aktuator 21 zugeordneten ersten Steuerstelle 44 her mit Druck beaufschlagt. Die Kolbenseite des ersten Aktuators 21 wird wie bisher vom zweiten Fluidzulauf X her mit Druck beaufschlagt.
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In der zweiten Schaltstellung 52 des Steuer-Schaltventils 50, also wenn die Verriegelung des Werkzeugs aufgehoben wird, ergibt sich hierdurch kein Unterschied. In allen übrigen Schaltstellungen wird aber nur noch die Kolbenseite des ersten Aktuators 21 mit Druck beaufschlagt, wobei die Stangenseite im Wesentlichen drucklos ist. Hierdurch ergibt sich gegenüber der dritten Ausführungsform eine gesteigerte Schließkraft am ersten Aktuator 21.
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Es versteht sich, dass die vierte Ausführungsform mit der ersten und/oder der zweiten Ausführungsform kombiniert werden kann.
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6 zeigt eine Variante von 4, bei welcher das Rückschlagventil 105 von der ersten Sekundärleitung B 1 her versorgt wird. Diese fünfte Ausführungsform ist bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede identisch zur dritten Ausführungsform nach 4 ausgeführt, so dass diesbezüglich auf die Ausführungen zu 1; 2 und 4 verwiesen wird. In den 1; 2; 4 und 6 sind gleiche bzw. sich entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Das Rückschlagventil 105 wird nicht mehr vom zweiten Fluidzulauf X her mit Druck versorgt, sondern von der ersten Sekundärleitung B 1 her. Im zweiten Fluidzulauf X liegt beispielsweise ein Druck von 18 bar an, wobei der Druck an der ersten Sekundärleitung B 1 durch geeignete Einstellung des ersten Steuer-Proportionalventils (Nr. 60 in 1) auf deutlich höhere Werte gesteigert werden kann. Hierbei wird ausgenutzt, dass sich das Werkzeug beim Verriegeln in einer Endstellung des fünften Aktuators 25 befindet. Mit dem Druck in der ersten Sekundärleitung B1 wird es gegen den entsprechenden Endanschlag gedrückt, wobei die oben erläuterte Druckregelung an der Pumpe dazu führt, dass der Druck in der ersten Sekundärleitung B1 ansteigt. Dieser Druck ist allein durch den maximalen Förderdruck der Pumpe nach oben begrenzt.
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7 zeigt eine Variante von 2, bei welcher der erste Aktuator 21 vom ersten Fluidzulauf P her mit Druck versorgt wird. Diese sechste Ausführungsform ist bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede identisch zur ersten Ausführungsform nach 1 und 2 ausgeführt, so dass diesbezüglich auf die Ausführungen zu 1 und 2 verwiesen wird. In den 1; 2 und 7 sind gleiche bzw. sich entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Der erste Aktuator 21 wird nicht mehr vom zweiten Fluidzulauf X her mit Druck versorgt, sondern vom ersten Fluidzulauf P her.
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Die Darstellung in 7 ist grobschematisch vereinfacht, da sie die Druckregelung an der Pumpe, die oben mit Bezug auf 1 erläutert wurde, außer Acht lässt. Hierfür ist eine Lastmeldung in der Lastmelde-Leitung (LS in 1) erforderlich, die beispielsweise mittels des ersten Arbeits-Schaltventils realisiert werden kann. Vor diesem Hintergrund ist die fünfte Ausführungsform nach 6 bevorzugt, da dort das Problem der Lastmeldung gelöst ist, indem die Lastmeldung am erstes Steuer-Proportionalventil (Nr. 60 in 1) verwendet wird.
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8 zeigt eine grobschematische Darstellung des Stellungsreglers 72. Die gezeigte Regelung kommt vorzugsweise am Steuer-Schaltventil 50, am erstes Steuer-Proportionalventil 60 und am zweiten Steuer-Proportionalventil 67 zum Einsatz.
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Die vom Stellungssensor 71 gemessene Stellung des entsprechenden Steuerschiebers 56, 65 bildet die Ist-Stellung 73. Diese wird in einem Soll-Ist-Vergleich 76 mit einer vorgegebenen Soll-Stellung 74 verglichen. Im Falle des Steuer-Schaltventils 50 wird die Soll-Stellung 74 so vorgegeben, dass sich die gewünschte erste bis fünfte Schaltstellung 51 - 55 ergibt. Die so ermittelte Regelabweichung wird einem Stellungsregler 72 zugeführt, der vorzugsweise als stetiger, linearer Regler, insbesondere als PID-Regler, ausgeführt ist.
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Am Ausgang des Stellungsreglers 72 liegt die Stellgröße 75 an, die ein wechselndes Vorzeichen hat. Anhand des Vorzeichens wird mit der Magnetauswahl 77 entschieden, welcher der beiden Elektromagnete der Stellvorrichtung 70 entsprechend dem Betrag der Stellgröße 75 mit Strom beaufschlagt wird. Hierfür kann eine unterlagerte Stromregelung zum Einsatz kommen, die in 8 nicht dargestellt ist.
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Bezugszeichen
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- P
- erster Fluidzulauf
- R
- erster Fluidrücklauf
- X
- zweiter Fluidzulauf
- Rx
- zweiter Fluidrücklauf
- A1
- erste Primärleitung
- B1
- erste Sekundärleitung
- A2
- zweite Primärleitung
- B2
- zweite Sekundärleitung
- LS
- Lastmelde-Leitung
- 10
- Ventilanordnung
- 20
- Aktuator
- 21
- erster Aktuator
- 22
- zweiter Aktuator
- 23
- dritter Aktuator
- 24
- vierter Aktuator
- 25
- fünfter Aktuator
- 30
- Arbeits-Schaltventil
- 31
- erstes Arbeits-Schaltventil
- 32
- zweites Arbeits-Schaltventil
- 33
- drittes Arbeits-Schaltventil
- 34
- viertes Arbeits-Schaltventil
- 40
- Grundstellung
- 41
- Nebenstellung
- 42
- erste Feder
- 43
- erste Steuerstelle
- 44
- dem ersten Aktuator zugeordnete Steuerstelle
- 50
- Steuer-Schaltventil
- 51
- erste Schaltstellung
- 52
- zweite Schaltstellung
- 53
- dritte Schaltstellung
- 54
- vierte Schaltstellung
- 55
- fünfte Schaltstellung
- 56
- erster Steuerschieber
- 57
- zweite Feder
- 60
- erstes Steuer-Proportionalventil
- 61
- erste Arbeitsstellung
- 62
- zweite Arbeitsstellung
- 63
- Sperrstellung
- 64
- Freigangstellung
- 65
- zweiter Steuerschieber
- 66
- dritte Feder
- 67
- zweites Steuer-Proportionalventil
- 68
- Hauptblende
- 70
- Stellvorrichtung
- 71
- Stellungssensor
- 72
- Stellungsregler
- 73
- Ist-Stellung
- 74
- Soll-Stellung
- 75
- Stellgröße
- 76
- Soll-Ist-Vergleich
- 77
- Magnetauswahl
- 80
- Druckbegrenzungsventil
- 81
- Druckwaage
- 82
- Wechselventil
- 83
- Druckspeicher
- 90
- Pumpe
- 91
- Pumpenregler
- 92
- Tank
- 93
- Druckregler
- 100
- Ventilblock
- 101
- erste Ventilscheibe
- 102
- zweite Ventilscheibe
- 103
- dritte Ventilscheibe
- 104
- hydraulisches Antriebssystem
- 105
- Rückschlagventil
- 106
- Verbindungsleitung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 18070920 A1 [0002]
- DE 102019204246 A1 [0003, 0018, 0028]
- EP 2280179 B1 [0014]
- DE 19631803 B4 [0014]
