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Die
Erfindung betrifft ein geschlossenes hydraulisches Betätigungssystem
mit mindestens einem mit Flüssigkeit
gefüllten
druckdichtem Betätigungsraum,
gebildet und nach außen
begrenzt von einem oder mehreren Zylindern, darin verschieblichen
Kolben und verbindenden Leitungen.
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Derartige
Systeme sind bekannt. Sie finden beispielsweise Verwendung als Stelleinrichtung
für Ventile
oder als Einrichtung zum Schalten von Getrieben, wobei in diesen
Fällen
zwei Kolben-Zylinder-Einheiten durch Druckleitungen miteinander
verbunden sind und die eine Einheit als Geber und die andere als
Nehmer dient. Als Betriebsflüssigkeit
werden meistens Mineralöle
oder synthetische Öle,
aber auch Emulsionen oder Bremsflüssigkeit eingesetzt.
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Die
Stellungen von Geber und Nehmer sind einander zugeordnet und dürfen sich
nicht verändern.
Das größte Problem
hierbei ist die Tatsache, daß Flüssigkeiten
bei Temperaturschwankungen ihr Volumen vergrößern oder verkleinern. Bei
einfach wirkenden Systemen bedeutet dies, daß zum Beispiel bei festgesetztem
Geberkolben der Nehmerkolben seine Stellung je nach Temperatur verändert, daß also die
feste Zuordnung nicht gegeben ist, was häufig zu Störungen führt. Bei einem doppelt wirkenden
System steigt entweder der Flüssigkeitsdruck
bei Temperaturanstieg stark an; was zu Schäden führen kann, oder es muß eine Anordnung
gewählt
werden mit einem vorgegebenen temperaturabhängigen Leerweg, was Ungenauigkeiten
in der Betätigung
mit sich bringt.
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Zur
Lösung
dieses Problems wurden verschiedene Wege aufgezeigt.
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In
DE 17 50 087 A1 wird
vorgeschlagen, die Flüssigkeit
und die Werkstoffe der Systemkomponenten so auszuwählen, daß bei Temperaturänderungen
das Volumen der Flüssigkeit
sich in gleichem Maße ändert wie
der von den Komponenten umschlossene Betätigungsraum. Abgesehen davon, daß sich praktisch
nur für
Wasser -Glykol-Gemische Materialien finden lassen, mit denen sich
der Vorschlag zumindest theoretisch realisieren läßt, nicht aber
für Öl mit seinem
vergleichsweise hohen Ausdehnungskoeffizienten, dürfte es
schwierig sein, die Volumendehnung komplexer Teile wie Zylinder
oder Ventile annähernd
zu kompensieren.
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Aus
DE 20 32 771 ist eine Stellvorrichtung bekannt,
bei der eine Temperaturkompensation erfolgt in der Weise, daß an der
Gebereinheit Ventilsysteme vorhanden sind, die im Ruhezustand einen
Volumenausgleich ermöglichen
und bei Betätigung
geschlossen werden. Dieses System ist außerordentlich kompliziert im
Aufbau und erfüllt
die Funktion nur, wenn beide Betätigungsräume gleiche
Temperatur haben.
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Die
GB 2 186 637 A zeigt
ein Betätigungssystem
mit einer Verrastung am Nehmer und Volumenausgleich durch federbelastete
Verschlussstücke
an den Zylindern.
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Die
DE 44 06 522 C1 offenbart
ein doppelt wirkendes Drosselelement, dessen Aktor in einer mit Hydrauliköl gefüllten Gehäusekammer
angeordnet ist und auf zwei gekoppelte hydraulische Hubtransformatoren
wirkt.
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Schließlich ist
in
EP 0 799 145 B1 ein
hydraulisches Betätigungssystem
für die
Gangschaltung an Fahrrädern
offenbart. Hier ist beim einfach wirkenden System ein Ausgleichszylinder
vorgesehen, der die Volumenschwankungen ausgleicht und dessen Kolben
von einer Volumenvergleichseinrichtung gesteuert wird. Diese enthält ein Flüssigkeitsvolumen,
das exakt demjenigen im Betätigungsraum entspricht
und sich somit um den gleichen Betrag ausdehnt. Ein von diesem Referenzvolumen
gesteuerter verstellbarer, federbelasteter Anschlag dient als Gegenlager
für den
Kolben des Ausgleichszylinders. Hier liegt die Schwierigkeit darin,
daß die
Vergleichseinrichtung eine andere Temperatur haben kann als die
entfernt liegenden Zylinder und Leitungen und daß die Wärmedehnung der genannten Teile
selbst nicht berücksichtigt
werden kann.
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Es
ist somit die Aufgabe der Erfindung, für geschlossene hydraulische
Betätigungssysteme
eine Einrichtung zum Ausgleich der temperaturbedingten Volumenschwankungen
der Flüssigkeit
vorzuschlagen, die einfach ist, unabhängig von der räumlichen Anordnung
des Systems und ohne wesentlichen Druckanstieg arbeitet und unerwünschte Kolbenbewegungen
verhindert.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Das
poröse
Sinterteil läßt es zu,
daß bei
Volumenänderungen
durch Temperaturschwankungen, die sich in jedem Fall sehr langsam
auswirken, wegen des entstehenden Druckunterschiedes zwischen Betätigungsraum
und Ausgleichsraum langsam Flüssigkeit
durch das Drosselelement strömt
und dieser Druckunterschied damit abgebaut wird. Andererseits wird
wegen der erheblichen Drosselwirkung des Sinterteils verhindert,
daß beim
Betätigen
des Geberkolbens während
der relativ kurzen Betätigungszeit
trotz des dabei entstehenden hohen Arbeitsdruckes im Betätigungsraum
eine solche Menge Flüssigkeit durch
die Poren dieses Sinterteils dringt, die zu einer relevanten Verschiebung
der einander zugeordneten Stellungen zwischen Geber und Nehmer führen würde. Die
Verwendung eines Elementes mit den beschriebenen Eigenschaften zum
Ausgleich von Volumenschwankungen ist der Kern der Erfindung.
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Ein
derartiges System kann in vorteilhafter Weise zum Schalten von Getrieben
in Kraftfahrzeugen, insbesondere zur Wahl der Positionen an Automatikgetrieben
verwendet werden, wobei die exakten Stellungen von Geber im Fahrgastraum
und Nehmer am Getriebe durch die Rasten festgelegt sind.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das Sinterteil einen Laminardurchmesser – das ist
der Durchmesser einer runden Kapillare mit den gleichen Strömungsverhältnissen
wie eine Pore im Sinterelement – von
etwa 4 Mikrometer hat bei einer Länge von 2–10 mm.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Im
folgenden werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
an Hand der Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigen
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1 ein
doppeltwirkendes Betätigungssystem
in Schnittdarstellung
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2 ein
Stellsystem mit Sperreinrichtung in Schnittdarstellung Das erfindungsgemäße doppeltwirkende
Betätigungssystem
nach 1 besteht aus 2 Zylindereinheiten 10 und 20.
Jede Einheit enthält einen
Zylinder 11, 21 mit einer Bohrung 12, 22,
in der ein Kolben 13, 23 axialverschieblich geführt ist.
Das offene Ende der Zylinder 11, 21 ist mit je
einem Deckel 14, 24 verschlossen. Durch diese
Deckel hindurch erstrecken sich die mit den Kolben 13, 23 fest verbundenen
Kolbenstangen 15, 25. Jeder Zylinderraum wird
von den Kolben in jeweils 2 Räume 16, 17 bzw. 26, 27 geteilt.
Die Räume
sind durch Dichtungen 181, 182 bzw. 281, 282 gegeneinander
und nach außen
abgedichtet.
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Die
Zylindereinheiten 10 und 20 sind durch druckdichte
Leitungen 31, 41 verbunden. Die Räume 16, 26 und
das Innere der Leitung 31 bilden den Betätigungsraum 30,
die Räume 17, 27 und
das Innere der Leitung 41 den Betätigungsraum 40. Beide
Betätigungsräume sind
mit Flüssigkeit
gefüllt.
Eine Verschiebung des Kolbens 13 nach unten (in 1) über die
Kolbenstange 15 bewirkt somit, daß der Raum 16 sich
verkleinert und Flüssigkeit über die
Leitung 31 in den Raum 26 gedrückt wird, so daß der Kolben 23 sich
nach oben bewegt. Gleichzeitig verkleinert sich der Raum 27 und über die
Leitung 41 wird Flüssigkeit
in den Raum 17 gefördert.
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Steigt
nun die Flüssigkeitstemperatur
in den Betätigungsräumen 30, 40,
z.B. durch Änderung
der Außentemperatur
oder weil ein in der Nähe
angeordneter Motor Wärme
abgibt, so vergrößert sich
das Flüssigkeitsvolumen.
Dieser Volumenzuwachs kann ohne Ausgleichseinrichtung nur durch
elastische Verformung der Zylinder und der Leitungen aufgenommen
werden, wodurch der Druck in den Betätigungsräumen erheblich ansteigt und
letztlich ein Bauteil zerstört
wird. Bei sinkender Temperatur würde
sich ein Unterdruck bilden , was Gasblasen zur Folge hätte.
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Erfindungsgemäß ist deshalb
vorgesehen, daß jeder
Betätigungsraum 30, 40 mit
einem Ausgleichsraum 32, 42 verbunden ist, der
Flüssigkeit
aufnehmen oder abgeben kann. Diese Ausgleichsräume werden beispielsweise gebildet
von je einem Ausgleichszylinder 33, 43 und einem
darin verschieblichen Ausgleichskolben 34, 44,
der von je einer Feder 35, 45 belastet ist, so
daß in
den Ausgleichsräumen 32, 42 und
den zugehörigen
Betätigungsräumen 30, 40 ein
geringer Vordruck herrscht, der größer ist als der atmosphärische Druck,
jedoch klein im Verhältnis zum
Betriebsdruck.
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Die
Ausgleichsräume 32, 42 können auch auf
andere Weise erzeugt werden, z.B. durch einen dehnbaren Balg aus
elastomerem Werkstoff.
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Zwischen
jedem Betätigungsraum 30, 40 und
zugehörigem
Ausgleichsraum 32, 42 ist ein Drosselelement 36, 46 angeordnet
in der Weise, daß der
Flüssigkeitsaustausch
nur über
dieses stattfinden kann. Das Drosselelement ist als fester Körper mit
einer Vielzahl kleinster Poren ausgebildet. Am vorteilhaftesten
wird hierfür
ein Sinterteil verwendet. Die Porengröße und damit die Drosselwirkung
kann in weiten Grenzen bestimmt und den Gegebenheiten angepaßt werden,
und das Teil ist kostengünstig
herzustellen.
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Die
Kolben 13, 23 sind gemäß der Erfindung mit Rasteinrichtungen 50, 60 versehen,
wobei beispielsweise Rasten 51, 61 in den Kolbenstangen
mit ortsfesten Rastkörpern 52, 62 zusammenwirken.
Dabei ist jeder Raststellung der einen Kolbenstange 15 eine
solche der anderen Kolbenstange 16 zugeordnet. Nur während der
Bewegung von einer Rastposition in eine andere wird im Betätigungssystem
der zur Übertragung
der Nutzkraft notwendige hohe Druck aufgebaut. Bei dieser schnellen,
sprunghaften Bewegung verhindert die erhebliche Drosselwirkung der Drosselelemte 36, 46 und
die kurze Zeit des anstehenden Differenzdruckes den Durchtritt von
Flüssigkeit
in die Ausgleichsräume 32, 42 was
zu einer Verschiebung der Zuordnung der Raststellungen führen würde. Bei
dem äußerst langsamen
und lang dauernden Druckanstieg bei Temperaturänderungen dagegen tritt Flüssigkeit
durch die Drosselelemente 36, 46 hindurch und
läßt den Druck
nur unwesentlich steigen.
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Im
Ruhezustand werden die Kolben 13, 23 in ihrer
Position durch die Rasteinrichtungen 50, 60 gehalten,
der Druck sinkt auf den beschriebenen geringen Vordruck ab. Die
Rastkräfte
sind dabei so ausgelegt, daß sie
größer sind
als die vom Vordruck herrührenden
Kräfte
auf die Kolben 13, 23 und größer als die im Ruhezustand
ständig
von außen
auf die Kolben wirkenden Kräfte.
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Selbstverständlich kann
das System auch in einfach wirkender Ausführung Verwendung finden. In diesem
Fall würden
der Betätigungsraum 40,
die Leitung 41 und die Ausgleichseinrichtung 42 bis 46 entfallen,
die Räume 17 und 27 wären drucklos
und belüftet.
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Das
erfindungsgemäße Stellsystem
entsprechend 2 besteht aus einem Zylinder 70,
einem darin verschieblichen Kolben 71 mit durchgehender Kolbenstange 72.
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Der
Kolben 71 bildet zusammen mit dem Zylinder 70 zwei
Räume 73 und 74,
die über
Drosselelemente 36, 46 mit den Ausgleichsräumen 32, 42 verbunden
sind. Die Ausgleichseinrichtungen entsprechen den beim doppelt wirkenden
Betätigungssystem
beschriebenen. Die Kolbenstange enthält einseitig eine Rasteinrichtung 50.
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Die
beiden Räume 73 und 74 sind über die Leitung 75 miteinander
verbunden. In der Leitung befindet sich eine Sperreinrichtung 76,
mittels der der Flüssigkeitsstrom
zwischen Raum 73 und Raum 74 entweder freigegeben
oder gesperrt wird. Die Sperreinrichtung kann beispielsweise ein
elektromagnetisch betätigtes
2-Stellungs-Ventil sein. Sie kann dazu dienen, bei bestimmten Betriebszuständen eine Verstellung
zu unterbinden, z.B. den Wählhebel
eines automatischen Getriebes aus der Parkstellung auszurücken. Auch
hier sorgen die beiden Ausgleichsräume 32 und 42 mit
den Drosselelemten 36, 46 dafür, daß sich kein unzulässig hoher
Druck im Zylinder 70 aufbaut.