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Hydraulisches Steuergerät
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Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Steuergerät, welches ein
Gehäuse, einen im Gehäuse angeordneten federbelasteten Schieber, einen Zulaufstutzen
im Gehäuse vor der Stirnfläche des Schiebers, sowie einen Ablaufstutzen aufweist.
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Unter hydraulischen Steuergeräten werden solche Geräte verstanden,
welche zur Steuerung der charakteristischen Parameter der hydraulischen Energieübertragung,
wie Druck, Durchsatz oder Strömungsmenge und Weg der Arbeitsflüssigkeit dienen.
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Die hydraulischen Steuergeräte sind mit der Verbreitung der hydraulischen
Systeme erschienen und es entstanden drei Grundtypen. Der erste Typ ist das Wegeventil,
welches zur Änderung des Weges oder der Bewegungsrichtung der Arbeitsflüssigkeit
dient. Zum zweiten Typ gehören die Drucksteuergeräte, die den Druck der Arbeitsflüssigkeit
beeinflussen. Der dritte Typ ist das Durchsatzsteuergerät, welches die in der Zeiteinheit
durchströmende Menge der Arbeitsflüssigkeit becinflußt.
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Innerhalb der einzelnen Gruppen sind mehrere funktionell gut abgrenzbare
Lösungen bekannt. Ihre Konstruktion ist seit ihrem ersten Erscheinen praktisch ausgereift,
ihr Funktionsprinzip in Normen festgehalten.
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Bei diesen herkömmlichen Steuergeräten kann eine Verbindung, bzw.
ein Zusammenhang zwischen verschiedenen Parametern der hydraulischen Energieübertragung
- wie zwischen Druck und Durchsatz - ohne äußeres Eingreifen nicht hergestellt werden,
d.h. mit diesen Geräten kann der Durchsatz in Abhängigkeit vom Druck bzw. der Druck
in Abhängigkeit vom Durchsatz nicht geändert werden.
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Dei der hydraulischen Energieübertragung werden aber oft solche Aufgaben
gestellt, bei denen während des Betriebs ein konstanter und festgelegter Zusammenhang
zwischen den Druck- und Durchsatzwerten gewährleistet werden soll, d.h.
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die beiden Hauptparameter dürfen sich unabhängig voneinander nicht
ändern. Zur Lösung dieser Aufgaben sind die herkömmlichen hydraulischen Steuergeräte
allein nicht geeignet, sie müssen mit komplizierten sonstigen steuerungstechnischen
Geräten kombiniert werden.
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Eine solche Aufgabe entsteht z.B. bei der Steuerung von teleskopischen
Hebern bzw. teleskopischen Arbeitszylindern, wenn diese bei konstanter Belastung
mit konstanter Geschwindigkeit gefahren werden müssen. Bei teleskopischen Arbeitszylindern
ändert sich der wirksame Zylinderdurchmesser während des Hubes, wie aus Fig. 1 ersichtlich,
und gleichzeitig damit ändern sich auch der Druck und der Durchsatz nach einer Zielfunktion
in Abhängigkeit vom wirksamen Zylinderdurchmesser. Zur Lösung dieser Aufgabe sind
gegenwSrtig zwei Ausführungsformen bekannt. Bei der einen Ausfdhrungsform gemäß
Fig. 2 ist in jedes Zylinderglied 1 eine Drossel 2 eingebaut. Bei der anderen Ausführungsform
werden, wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt, geschlossene Regel -oder Steuerkreise
verwendet. Im ersten Fall ist nur eine Näherungslösung möglich und der Einbau der
Drossel 2 ist kompliziert.
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Im zweiten Fall kann die Aufgabe kompromisslos gelöst werden. Das
System ist dagegen recht kompliziert und aufwendig.
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Bei der Lösung nach Fig. 3 wird die Hubgeschwindigkeit des Arbeitszylinders
11 über Rollen 17 von einem Tachometer 3 erfaßt. Aus dem so erhaltenen elektrischen
Signal und dem Sollwert 4 werden eine Differenz gebildet und über den Regler
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ein Servomotor 6 gesteuert. Letzterer ist die Stelleinheit eines herkömmlichen hydraulischen
Steuergerätes 12. Nach Fig. 4 wird der Druck mit einem Fühler, d.h. mit dem Druckferngeber
23, gemessen und in ein elektrisches Signal umgeformt. Dieses wird der Steuereinheit
24 zugeführt, auf deren Befehl der Servomotor 25 irgendeinen herkömmlichen Durchsatzregler
12 auf den jeweils erforderlichen Wert einstellt.
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Oft erscheint z.B. die Aufgabe, daß ein Materialband z.B.
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aus Textil, Papier, Kunststoff, Gummi und dergleichen so auf- bzw.
umgewickelt werden muß, daß während des Wickelns im Materialband nur eine festgelegte
Zugspannung entstehen kann und'die Bandgeschwindigkeit während des Wickelzeitraumes
unabhängig vom veränderlichen Durchmesser der Spule konstant bleibt. Bei den bekannten
Ausführungsformen wird versucht, dieses Problem mit Hilfe eines geschlossenen Regelsystems
zu lösen, bei denen durch Messen und Verarbeiten der Bandgeschwindigkeit, der Bandspannung
oder des Spulendurchmessers ein herkömmliches hydraulisches Steuergerät stetig verstellt
wird.
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Nach Fig. 5 wird die Spule 31 über einen Hydromotor 32 angetrieben,
welcher von einer Pumpe 33 mit veränderlicher Vcrkrängung gespeist ist. Die Verstellung
der-Pumpe 33 erfolgt über einen Arbeitszylinder 34 mit Hilfe des analog betätigten
elektrohydraulischen Steuergerätes 35. Das Gerät erhält das Steuersignal vom Fühler
36 im Vergleich mit dem Signal eines Sollwertgebers 37 über einen Verstärker. In
das System ist auch eine von der Stellung des Steuerschiebers abhängige Rückführung
einbezogen.
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Bei der Lösung nach Fig. 6 wird die Spule 31 ebenfalls von einem Hydromotor
32 angetrieben. Die Pumpe 33 ist ebenfalls selbstregelnd Der Steuereingriff erfolgt
über ein elektrisch
betätigtes Drucksteuergerät 44. Ein Fühler 45
mißt den Durchmesser der Spule, der Meßwert wird mit dem Signal des Sollwertgebers
46 verglichen und über das Vergleichssignal wird nach Verstärkung das Gerät über
einen Elektromagneten verstellt.
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In der Landwirtschaft, sowie beim Straßenbau und bei Straßenreparaturarbeiten
entsteht oft die Aufgabe, eine gegebene Fläche gleichmäßig mit einem Streumaterial,
z.B. Salz im Winter oder Düngemittel in der Landwirtschaft und dergleichen zu bestreuen.
Die Streuanlage wird im allgemeinen auf irgendeine mobile Maschine, auf einen Kraftwagen,
Traktor oder Schlepper, montiert. Die Technologie verlangt ein gleichmäßiges Streubild
auf der vorgegebenen Fläche trotz veränderlicher Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs,
sowie die Einstellbarkeit der ausgstreuter Menge, entsprechend den jeweiligen Anforderungen.
Mit herkömmlichen Steuergeräten allein kann diese Aufgabe ebenfalls nicht realisiert
werden. Es werden deshalb auch zur Bewältigung dieser Aufgabe geschlossene Regelsysteme
verwendet. Ein solches zeigt Fig. 7. Von dem Verbrennungsmotor 51 des Fahrzeugs
werden über das Getriebe 52 sowohl das Antriebsrad 53 des Fahrzeugs als auch die
Pumpe 54 angetrieben. Das Streuwerk 55 wird vom Hydraulikmotor 56 angetrieben, welcher
über das Steuergerät 57 von der Pumpe 54 gespeist wird. Am Steuergerät 57 kann mit
Hilfe des Sollwertgebers 60 die Streumenge bei gegebener Fahrgeschwindigkeit eingestellt
werden. Wenn sich die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ändert, so ist das Gerät umzustellen.
Diese Umstellung wird aufgrund eines aus der Differenz des Tachogenerators 59 und
des Sollwertes gebildeten Signals vom Servomotor 58 durchgeführt.
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Außer den aufgezählten Aufgaben gibt es zahlreiche ähnliche, welche
bis heute nur mit den in den Beispielen gezeigten
komplizierten
geschlossenen Regel systemen gelost werden konnten. Durch das komplizierte geschlossene
Regel system wird aber in vielen Fällen die ganze Anlage kostenaufwendig und unwirtschaftlich,
wodurch in vielen Fällen die Anwendbarkeit in Frage gestellt wird.
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Das Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der aufgezählten.
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Mängel und-die Schaffung eines derartigen hydraulischen Steuergerätes,
welches imstande ist die eingangs angeführten Aufgabentypen ohne komplizierte geschlossene
Regel systeme zu lösen. Die Grundlage der Erfindung ist insbesondere die Erkenntnis,
daß das genannte Ziel erreicht werden kann, wenn zwischen den beiden hydraulischen
Hauptparametern, nämlich zwischen dem Druck und dem Durchsatz, ein entsprechender
Zusammenhang hergestellt wird, d.h. der eine charakteristische Parameter kontinuierlich
gemessen und der andere kontinuierlich so verändert wird, wie es in der die beiden
Parameter verbindenden Zielfunktion gewünscht ist.
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Gegenstand der Erfindung ist somit ein hydraulisches Steuergerät,
welches ein Gehäuse, einen im Gehäuse angeordneten federbelasteten Schieber, einen
Zulauf stutzen im Gehäuse vor der Stirnfläche des Schiebers, sowie einen Ablaufstutzen
aufweist. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß in der Gehäusewand oder im
Schieber selbst wenigstens eine sich pro-.
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portional zur Schieberbewegung öffnende oder schließende, aufgrund
der aufgabenspezifischen Zielfunktion dimensionierte Ausströmöffnung ausgebildet
ist. Dadurch ist der wirksame, vom Schieber jeweils freigegebene Querschnitt der
Ausströmöffnung entsprechend der Zielfunktion abhängig von dem Schieberweg und daher
der Änderung der Federkraft und somit dem auf dem Schieber wirkenden Druck verAnderlich.
Es können daher auch insbesondere mit dem Druck nicht lineare nach rungen des wirksamen
Querschnitts und daher des Durchsatzes verwirklicht werden.
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In gewissen Fällen kann es vorteilhaft sein, den Schieber rohrförmig
auszubilden und die aufgrund der aufgabenspezifischen Zielfunktion dimensionierte
Ausströmöffnung in der Schieberwand auszubilden.
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In Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, wenn der
rohrförmig ausgebildete Schieber eine geschlossene Stirnwand aufweist, in welcher
eine als Meßblende ausgebildete Drossel ausgebildet ist.
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Beim Steuergerät gemäß der Erfindung bewirkt der Druck oder die Druckdifferenz
im System, bzw. die infolge des Volumenstromes oder Durchsatzes an der Meßblende
entstandene Druckdifferenz eine Bewegung des Schiebers gegen die Kraft der Feder,
wodurch der wirksame Durchströmquerschnitt der Ausströmöffnungen in Abhängigkeit
vom Weg des Schiebers entsprechend der Zielfunktion verändert wird. Die Zielfunktion
ist z.B. A = F ß(p,0) xJ.
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Der jeweils wirksame Querschnitt A ist also eine Funktion des Schieberweges
x und der aufgabenspezifischen, den Zusammenhang zwischen dem Druck p und dem Durchsatz
Q darstellenden Zielfunktion f(p,Q). Dies läßt sich auch dadurch beschreiben, daß
die senkrecht zum Schieberweg gemessene Weite der Ausströmöffnung mit dem Schieberweg
entsprechend der Zielfunktion veränderlich ist.
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Das Steuergerät gemäß der Erfindung hat einen sehr einfachen Aufbau
und bei seiner Anwendung werden keine zusätzlichen elektrische oder sonstige Regelkreise
benötigt.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, die
aus der Zeichnung ersichtlich sind. In. der Zeichnung zeigt: Fig. 1 das Prinzip
eines herkömmlichen teleskopischen Hebers,
Fig. 2 ein bekanntes
Steuerungsprinzip für den teleskopischen Heber, Fig. 3 und 4 Prinzipdarstellungen
von zwei bekannten Steuer-und Regelkreisen zur Steuerung bzw. Regelung von teleskopischen
Hebern, Fig. 5 und 6 schematische Darstellungen zweier Beispiele für geschlossene
Regelsysteme zur Regelung bzw.
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Steuerung einer Wickelanlage, Fig. 7 das Schaltschema eines geschlossenen
Regelsystems einer auf einem Fahrzeug montierten Streuanlage, Fig. 8 das Ausführungsbeispiel
des hydraulischen Steuergeräts gemäß der Erfindung zur Steuerung eines Teleskophebers
im Teilschnitt, Fig. 9 das Ausführungsbeispiel des hydraulischen Steuergeräts gemäß
der Erfindung zur Regelung einer Wickelanlage, Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel des
hydraulischen Steuergeräts gemäß der Erfindung als Durchsatzregler und Fig. 11 ein
Ausführungsbeispiel des hydraulischen Steuergeräts gemäß der Erfindung als Druckbegrenzer.
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Das hydraulische Steuergerät aus Fig. 8 besteht aus dem Gehäuse 82,
in dem der Schieber 81 angeordnet ist. Der Schieber ist an der geschlossenen Seite
des Gehäuses über die Feder 83 abgestützt. An der'der Feder abgewendeten Stirnseite
des Gehäuses 82 wird der Zulauf stutzen 84, und an der Seite des Gehäuses der Ablaufstutzen
86 angeschlossen. An tier innclren Oberfläche des Gehäuses sind beim Ausführungsbeispiel
in Uewecjuny;ricl-1-tung
des Schiebers hintereinander am Schieberweg
mehrere Aussexömöffnungen 85 ausgebildet, die jeweils eine Verbindung zwischen dem
Innenraum des Gehäuses 82 und dem Ablaufstutzen 86 herstellen, dessen Querschnitt
wenigstens der Querschnitssumme der öffnungen 85 entspricht. Das Steuergerät nach
dem Ausführungsbeispiel ist einem aus drei Hubgliedern bestehenden teleskopischen
Heber zugeordnet, so daß im Steuergerät drei Ausströmöffnungen -85 ausgebildet sind.
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Zu dem teleskopischen Heber gehören zwei Steuergeräte. Der Zulaufstutzen
84 des Steuergerätes zur Steuerung des Hebens ist an die hydraulische Druckflüssigkeitsquelle,
und der Ablaufstutzen 86 an den hydraulischen Heber angeschlossen. Der Zulaufstutzen
des hydraulischen Steuergerätes zur Steuerung des Absenkens ist an den teleskopischen
Heber und der Ablaufstutzen 86 an einen Flüssigkeitsbehälter angeschlossen.
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Unter der Voraussetzung, daß das Steuergerät nach Fig. 8 das Absenken
eines teleskopischen Hebers aus drei Gliedern steuert, verläuft die Funktion wie
folgt: aus dem Teleskopheber strömt die Flüssigkeit über den Zulauf stutzen 84 in
das Steuergerät.
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Der Druck der einströmenden Flüssigkeit ist davon abhängig, wie groß
der -Durchmesser des gerade arbeitenden Teleskopgliedes ist. Durch Einwirkung der
unterschiedlichen Drücke gelangt der Schieber in unterschiedliche Positionen, welche
beispielsweise mit gestrichelten Linien dargestellt sind. Da im teleskopischen Arbeitszylinder
diskrete Druck- und Durchiatzwertc entstehen, sind die Schieberpositionen ebenfalls
liskreVe Positionen. Jeder Schieberposition sind unterschiedliche Durchströmquerschnitte
entsprechend der jeweiligen Anzahl der vom Schieber freigegebenen Ausströmöffnungen
85 zugeordnet, was mit dem Zusammenhang
beschrieben werden kann, wobei die Schieberposition lautet: p
f Xi c worin: A. dem in der gegebenen Schieberposition freigegebenen Querschnitt
P. den Druck im Zylinder beim Absenken des Teleskopgliedes i Q. den Durchsatz beim
Druck P.
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1 1 Xi die Schieberposition beim Druck Pi f die beaufschlagte Schleberfläche
c die Federkonstante der Feder, und k eine für die Strömung charakteristische Konstante
bedeuten.
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Die Querschnitte der öffnungen 85 sind somit nach dem oben angegebenen
Zusammenhang dimensioniert.
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Beim Ausführungsbeispiel aus Fig. 9 dient das hydraulische Steuergerät
zur Steuerung einer Wickelmaschine. Das Steuergerät selbst ist ähnlich aufgebaut,
wie in Fig. 8, d.h. es besteht aus einem Gehäuse 82, in welcher der an der Feder
83 abgestützte Schieber 81 angeordnet ist. An au das Gehäuse werden vorne der Einlaufstutzen
84 und seitlich der Auslaufstutzen 86 angeschlossen. Der Unterschied besteht darin,
daß hier eine einzige Ausströmöffnung 85 in der Gehäusewand ausgebildet ist, die
eine - wie aus der Fig. ersichtlich - zunächst stetig abnehmenden und dann wieder
stetig zunehmende Weite aufweist. Die Gestaltung des Querschnitts der öffnung
85
ist in diesem Fall von kleinsten und größten Durchmesser der Aufwickelspule, der
Wickelgeschwindigkeit, der zulässigen Bandspannung, den geometrischen Abmessungen
der Antriebseinheit (Motor, Getriebe) t sowie von den geometrischen Abmessungen
des Gerätes abhängig.
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£)er Zulaufstutzen 84 des hydraulischen Steuergerätes nach Fig.
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9 wird an die hydraulische'Flüssigkeitsquelle, der Ablaufstutzen 86
an das hydraulische Triebwerk der Wickelmaschine angeschlossen.
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Aus Fig. 10 ist das Ausführungsbeispiel des hydraulischen Steuergeräts
gemäß der Erfindung als Durchsatzregler ersichtlich. Auch dieses Gerät besteht aus
einem Gehäuse 82, in welchem hier ein rohrförmiger Schieber angeordnet ist, in den
ein gehäusefester Dorn 87 eingreift, der vom Boden des Gehäuses ausgeht und dessen
Durchmesser dem Innendurchmesser des rohrförmigen Schiebers 81 entspricht.
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Bei dieser Ausführung ist die entsprechend der Zielfunktion dimensionierte
Ausströmöffnung 85 in der Wand des rohrförmigen Schiebers 81 ausgebildet. Am Umfang
des Schiebers befindet sich eine ringförmige Verteilernut, welche die Verbindung
zwischen der Ausströmöffnung 85 und dem Ablaufstutzen 86 sichert. Der Schieber ist
auch in diesem Fall an einer im Ringraum zwischen dem Dorn 87 und dem Gehäuse 82
sitzenden Feder 83 abgestützt. Bei dieser Ausführungsform kann die Änderung des
freien Querschnitts der Ausströmöffnung mit dem Schieberweg durch den nachstehenden
Zusammenhang beschrieben werden: K ffix
wobei A der wirksame Drosselguerschnitt
K eine gerätespezifische Konstante und x der Schieberweg bedeuten.
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In diesem Fall erfolgt das öffnen oder Schließen des Ausströmspaltes
85 so, daß durch Einwirkung des Druckes der Schieber .81 gegen die Kraft der Feder
83 bewegt wird und der Dorn 87 des Gehäuses 82 die öffnung in Abhängigkeit von der
Stellung des Schiebers verschließt.
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Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 11 ist zur Begrenzung des Druckes
geeignet. Hier befindet sich im Gehäuse 82 ein ebenfalls rohrförmiger Schieber 81,
dessen dem Eintrittsstuzen zugewendete Stirnseite jedoch durch eine Stirnwand gcschlc-,r;-sen
ist, in welcher eine als Meßblende wirkend Drosselöffnung 88 ausgebildet ist. Die
Meßblende 88 mißt den Durchsatz und formt ihn in ein Drucksignal um. Auf den von
der Feder 83 abgestützten Schieber 81 wirkt also der-an der Meßblende entstehende
Druck.
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Die Ausströmöffnung 85 ist auch in diesem Fall in der Wand des Schiebers
81 ausgebildet, wobei die ringförmige Verteilernut 89, die an den Ablaufstutzen
86 angeschlossen ist, in der inneren Wand des Gehäuses ausgebildet ist und mit ihrem
einen Rand die öffnung 85 in Abhängigkeit von der Schieberstellung abdeckt bzw.
freigibt. Die Änderung des £reien Querschnitts der Öffnung 85 mit dem Schieberweg
wird jetzt mit dem Zusammenhang
beschrieben, worin
K1, K2 Konstante sind.
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Aus den vorstehenden Erläuterungen ist es somit ersichtlich, daß zwei
Typen des hydraulischen Steuergerätes gemäß der Erfindung unterschieden werden können,
jenachdem, welcher Parameter gemessen wird.
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Der eine Typ ist das druckgesteuerte hydraulische Steuergerät, wo
der Systemdruck an einer gegebenen Stelle des Systems erfaßt wird und in Abhängigkeit
davon der Durchsatz eingestellt wird.
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Der andere Typ ist das durchsatzgesteuerte hydraulische Steuergerät,
bei dem stets der Durchsatz oder VoLumenstrom gemessen wird und in Abhängigkeit
davon der Druck gesteuert wird.
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Die Steuergröße ist in jedem Fall der vom gemessenen Parameter abweichende
andere Parameter.
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Fig. 12 zeigt die Anwendung des hydraulischen Steuergerätes bei einer
mobilen Streuanlage mit der schematischen Darstellung des Systems. Das hydraulische
Steuergerät 93 ist hier vom durchsatzgesteuerten Typ. In diesem Fall wird die mit
der Fahrgeschwindigkeit proportional zunehmende Fördermenge der Pumpe 91 mit der
Meßblende 92 gemessen und mit Hilfe dieser wird die Schieberposition des hydraulischen
Steuergerätes 93 verändert. In diesem Verhältnis ändert sich der jeweils freie Querschnitt
der oben ausführlich beschriebenen Ausströmöffnung.
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Der Querschnitt der Ausströmöffnung ist so ausgebildet, daß mit zunehmender
Fahrgeschwindigkeit auch die Hydromotordrehzahl in dem Maße zunimmt, wie das die
gleichmäßige Streuung verlangt.
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Das hydraulische Steuergerät gemäß der Erfindung ist somit, wie aus
den Beispielen ersichtlich, sehr einfach aufgebaut
und'kann allein
solche Aufgaben lösen, die bis jetzt nur mit komplizierten geschlossenen Regel systemen
realisiert werden konnten. Seine vielseitige Anwendbarkeit beweist die Tatsache,
daß es außer den aufgezählten Beispielen auch als Sicherheitsventil, zum Konstanthalten
von Seilkraft oder Geschwindigkeit beim Winden, als Steuerelement selbstgeregelter
hydraulischer Energieumformer (z.B. zur Ausbildung von leistungs- und drehzahlgeregelten
Pumpen) verwendet werden kann.
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Es ist weiterhin verwendbar zur Steuerung der Drehzahl, bzw.
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Geschwindigkeit von Hydromotoren oder Arbeitszylindern, wenn diese
lastabhängig geändert werden müssen. Die einzelnen Aufgaben legen die Zielfunktion
fest, die mit der Änderung des wirksamen Ausstrdmquerschnittes erfüllt werden muß.
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