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Bezeichnung: Hydraulische Uberlastsicherung
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für einen Hydraulikmotor Die Erfindung betrifft eine hydraulische
überlastsicherung für einen Hydraulikmotor, der mit einer federbelasteten, hydraulisch
entriegelbaren Bremse versehen ist und dem mechanische Glieder nachgeordnet sind.
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Hydraulikmotoren mit nachgeordneten mechanischen Gliedern kommen sehr
häufig vor, da erst durch die mechanischen Glieder insgesamt ein Gerät entsteht,
das einem bestimmten Zweck zuführbar ist. Zum Beispiel ist an einen Hydraulikmotor
eine Seilwinde, oder ein Kettenzug angeflanscht, ebenso kann von dem Hydraulikmotor
ein Zahnrad angetrieben werden, so daß die so gebildete Einheit als Zugmaschine
an Einschienenhängebahnen benutzt werden kann. Im Idealfall ist dabei der max. Hydraulikdruck
für den hydraulischen Motor so gewählt, daß bei diesem Druck auch die mechanischen
Glieder bis zu ihrer zulässigen Grenze belastet sind, denn nur so ist eine optimale
Ausnutzung des installierten Potentials möglich.
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In der Praxis überwiegen jedoch die Fälle, bei denen der Hydraulikmotor
bei seinem Maximaldruck eine höhere Kraft liefert, als die mechanischen Glieder
vertragen können.
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Als Folge davon müssen dann die Drücke zu den Hydraulikaggregaten
begrenzt werden, so daß eine Überlastung der mechanischen Glieder aufgrund des hydraulischen
Antriebes ausgeschlossen ist.
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Der Grund für diese Gegebenheit liegt insbesondere darin, daß Hydraulikmotoren
nicht in beliebiger Dimensionierung vorliegen, sondern aus Rationalisierungsgründen
in gestuften Größen bereitgehalten werden, so daß zur Überbrückung mehrerer Kräfteklassen
oder sonstiger Bereiche ein und derselbe Hydraulikmotor verwendet wird. Die jeweilige
Anpassung erfolgt dann über die Wahl des max. Hydraulikdruckes, damit die nachgeordneten
mechanischen Glieder nicht überlastet werden.
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Die Druckbegrenzung auf diese dann endgültigen Maximalwerte bewirkt
zum einen eine starke Erwärmung der Hydraulikflüssigkeit, zum anderen ist damit
oftmals auch eine Reduzierung der Fördermenge pro Zeiteinheit verbunden, die dazu
führt, daß sich die Hydraulikmotoren langsamer bewegen. Mit dem Schutz für die nachgeordneten
mechanischen Glieder geht also oftmals auch eine Einschränkung des Geschwindigkeitsbereiches
einher neben der unerwünschten Erwärmung des Hydraulimediums.
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Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, eine hydraulische Überlastsicherung
für einen Hydraulikmotor mit nachgeordneten mechanischen Gliedern zu schaffen, die
einen maximalen Hydraulikdruck nach Maßgabe des Hydraulimotors gestattet und dennoch
einen ausreichen Schutz für die nachgeordneten mechanischen Glieder gewährt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß die unmittelbare
Zuleitung zu dem Hydraulikmotor zur Abfühlung des tatsächlichen Druckes mit einem
Steuerventil verbunden ist, das bei Überschreiten eines nach der Belastbarkeit der
mechanischen Glieder vorgegebenen, vorwählbaren Druckes die hydraulische Entriegelung
der Bremse
aufhebt.
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Bei der Uberlastsicherung gemäß der Erfindung wird also der maximal
mögliche Hydraulikdruck ausschließlich nach den Belastungsmöglichkeiten der hydraulischen
Bauteile eingestellt, beispielsweise durch ein übliches Druckregelventil, selbst
wenn die nachgeordneten mechanischen Glieder die daraus resultierenden Kräfte nicht
aushalten würden.
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Zunächst wird damit ein üblicher Schutz der hydraulischen Bauteile
erreicht. Die Absicherung der mechanischen Glieder erfolgt dann durch das Abfühlen
des tatsächlichen Druckes kurz vor dem Hydraulikmotor und über die Beeinflussung
der Bremse des Hydraulikmotors durch däs erfindungsgemäß eingegliederte Steuerventil.
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Mit einer Uberlastsicherung gemäß der Erfindung wird bei einem Hydraulikmotor
mit beispielsweise nachgeordneter Seilwinde eine hohe Laufgeschwindigkeit erreicht,
wenn die tatsächliche Belastung des Seiles unterhalb der Nennbelastung liegt. Die
Drehgeschwindigkeit eines Hydraulikmotors hängt von der durch ihn pro Zeiteinheit
hindurchgeförderten Hydraulikflüssigkeitsmenge ab. Diese steigt mit höherem Druck
entsprechend an, da Leitungswiderstände und enge Ventilquerschnitte leichter überwunden
werden. Erst wenn die Belastung an dem Seil steigt, bildet der Hydraulikmotor selbst
den größten Widerstand in der zugehörigen Hydrauliksteuerung, so daß sich bei geringfügig
abfallender Geschwindigkeit ein entsprechender Druck in der P-Leitung aufbaut.
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Wenn z.B. die Seilwinde nur mit 40% der max. möglichen Belastung des
Seiles betrieben wird, genüge in dem hydraulischen Antriebsmotor ein Druck von beispielsweise
30 bar, um diese Last gerade zu halten bzw. langsam aufwärts zu bewegen. Jeder höhere
Druck führe zu einer schnelleren Aufwärtsgeschwindigkeit, wobei ein Maximaldruck
von 75 bar die obere Grenze bilde. Dieser Maximaldruck ergibt sich aus einer Belastungssituation,
bei der das Seil zu 100%
ausgelastet und der Hydraulikmotor gerade
noch in der Lage ist, sich fortzubewegen.
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Bei der anfangs angenommenen Belastung des Seiles von nur 40% stehen
jedoch an dem Hydraulikmotor bei 75 bar bereitgestellten Druckes ein wesentlich
geringerer Druck an, da der Hydraulikmotor durch Schnellauf "ausweicht". Für den
Fall der Unterbelastung des Seiles kann also der Hydraulikmotor gefahrlos mit einem
wesentlich höheren Druck gefahren werden, was sich in entsprechendem Schnellauf
äußern wird.
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Dabei können z.B. Drücke von 200 bar als Bereitstellungsdruck gewählt
werden, wobei dann an dem Hydraulikmotor 75 bar noch nicht ganz erreicht werden.
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Bei einer herkömmlichen Anlage wäre der Geschwindigkeitsbereich nicht
zugänglich, der sich aus dem Bereitstellungsdruck von über 75 bar ergibt. Mit Hilfe
der Erfindung kann jedoch bei von der Nennlast abweichendt Belastung eine hohe Geschwindigkeit
gefahren werden, ohne irgendwelche Bauteile der Hydraulikanlage oder der Seilwinde
zu gefährden. Denn in dem Augenblick, in dem durch Anhängen größerer Lasten an das
Seil als der Nennlast der Druck in der Zuleitung zu dem Hydraulikmotor über die
vorgegebene Grenzmarke von 75 bar ansteigt, tritt das Steuerventil in Aktion, das
den Hydraulikmotor in Folge der Beeinflussung der zugeordneten Bremse stillsetzt.
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Das hier anhand der Seilwinde gegebene Beispiel ist analog auf Ankerwinden,
Kettenzüge, motorisch betriebene Laufkatzen , Lokomotiven und sonstige Arbeitsgerätschaften
übertragbar, wobei jeweils das mechanische Glied oder die mechanischen Glieder den
Ausschlag für die eigentliche Belastung geben. In der beschriebenen Weise ermöglicht
die Anwendung der erfindungsgemäßen hydraulischen Über lastsicherung die Steigerung
der Arbeitsgeschwindigkeit im Bereich unterhalb der Höchstbelastungen bei vorgegebenen
Leitungs- und Ventilquerschnitten bzw. die Verwendung kleinerer Leitungs- und Ventilquerschnitte
zur Beibehaltung vorhandener Geschwindigkeiten. Es steht nämlich zur Überwindung
der genannten Engstellen nun erstmals ein Druck zur Verfügung, der bisher aus Gründen
der mechanischen Festigkeit der beteiligten mechanischen Glieder nicht verwendet
werden konnte.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Form
eines hydraulischen Schaltplanes in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert;
die einzige Figur der Zeichnung zeigt: Das Schaltbild für die Betätigung eines Hydraulikmotors
mit hydraulisch betätigtem Hauptsteuerventil.
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In der Figur ist ein hydraulischer Schaltplan zur Betätigung eines
Hydraulikmotors 1 in beiden Laufrichtungen dargestellt. Der Hydraulikmotor 1 ist
mit einer hydraulisch lösbaren Bremse 2 ausgebildet, die als Federdruck-Lamellenbremse
ausgebildet ist. Die Ansteuerung erfolgt von einem Hauptsteuerventil 3, das wiederum
von einer hydraulischen Steuerung 4 hydraulisch betätigt wird. Die von einem Aggregat
(nicht dargestellt) zur Erzeugung eines Hydraulikdruckes kommende P-Leitung 7 wird
über ein Druck-1-sgelventil 8 dem P-Anschluß des Hauptsteuerventils 3 zugeführt,
während der T-Anschluß über ein Stromregelventil 10 mit der T-Leitung oder Tankleitung
verbunden ist. Das.StrDmregelventildrosselt den Rückstrom bei einer äußeren Last
auf den Hydraulikmotor 1, also z.B. bei der Absenkbewegung eines hydraulisch betätigten
Kettenzuges.
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Das Druckregelventil 8 ist auf den max. für die hydraulischen Bauteile
zugelassenen Druck eingestellt, beispielsweise auf 130 bar.
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Die Hydrauliksteuerung 4 ist in einiger Entfernung von den restlichen
hydraulischen Bauteilen angeordnet, und durch entsprechende Verbindungsleitungen
werden die Steuerbefehle übertragen. Für den Rechtslauf des Hydraulikmotors 1 ist
ein Rechtslaufventil 12 und für den Linkslauf ein Linkslaufventil 13 vorgesehen,
das jeweils mit Hilfe einer Wippe 14 betätigt wird. Die hydraulische Steuerung wird
von einer Leitung versorgt, die unmittelbar hinter dem Druckregelventil 8 abgegriffen
ist und in der sich ein zweites Druckregelventil 8 befindet. Dadurch liegt das Niveau
aller Steuerleitungen
deutlich unterhalb des eigentlichen Betriebsdruckes,
beispielsweise bei 50 bar.
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Die Ventile 12 und 13 für den Rechts- bzw. Linkslauf sind zwar als
Ventile mit drei Stellungen in der Figur wiedergegeben, es handelt sich jedoch um
Ventile, die proportional der durch die Wippe 14 hervorgerufenen Eindrücktiefe einenSteuerdruck
bereitstellen,so daß die in der Mittelstellung wiedergegebene variable Drossel dadurch
variiert wird, daß die Eindrücktiefe verändert wird.
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Bei einer Betätigung des Rechtslaufventils 12 um einen ersten Stellbetrag
wird eine Steuerleitung 15 mit Druck beaufschlagt, die das Hauptsteuerventil 3 in
eine Vorsteuerstellung verschiebt, in der die sonst über eine Drossel verbundenen
Zuleitungen 20 und 21 zu dem Hydraulikmotor 1 getrennt werden. In diesem Zustand
wird die Bremse 2 bereits leicht gelöst, und die Last wird aufgrund des Vorsteuerdruckes
hydraulisch gehalten. Bei weiterer Betätigung des Rechtslaufventils 12 wird das
Hauptsteuerventil 3 soweit verstellt, daß sich der Rechtslauf des Hydraulikmotors
1 einstellt. Entsprechende Vorgänge laufen bei der Betätigung des Linkslaufventils
13 ab, das in eine Steuerleitung 16 einspeist, die wiederum mit dem Hauptsteuerventil
3 verbunden ist.
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Zwischen beiden Steuerleitungen 15 und 16 befindet sich eine Weiche
17, die unabhängig von der Betätigung des einen oder anderen Laufventils 12 oder
13 den Druck der Hydrauliksteuerung 4 einmal zu einem Bremslöseventil 18 und zum
anderen zu einem Kurzschlußventil 27 leitet, die weiter unten noch näher erläutert
werden.
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In der Ruhestellung hat das Bremslöseventil 18 ständigen Durchgang
zu einem Pumpenraum 18', von dem eine Bremsleitung 19 zum Kolben der Bremse 2 führt.
Durch diese Bremsleitung 19 wird diejenige Kolbenseite innerhalb der Bremse 2 beaufschlagt,
die eine Kraftwirkung gegen die
in der Bremse 2 vorhandene Feder
entfaltet. Bei ausreichendem Druck in der Bremsleitung 19 wird demnach die Federdruck-Lamellenbremse
2 gelöst.
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Falls in einem Notfall die hydraulische Versorgung des gesamten Systems
nicht mehr gewährleistet ist, und dennoch beispielsweise die an einem Kettenzug
hängende Last auf den Boden abgesenkt werden soll, kann das Bremslöseventil 18 manuell
eingesetzt werden. Durch Drehen eines entsprechenden Schlüssels oder Knopfes -dies
in der dargestellten Figur durch einen Drehpfeil angedeutet- wird ein Kolben in
den Pumpenraum 18' hineingedrückt, so daß in der Bremsleitung 19 ein ausreichender
Druck aufgebaut wird, um die Bremse 2 zu lösen. Evtl. Leckverluste können durch
Nachdrehen des Ventils ausgeglichen werden, bis die Last langsam und sicher abgesenkt
ist.
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Die Zuleitungen 20 und 21 zu dem Hydraulikmotor 1 sind über Abfühlleitungen
22 und 23 mit den Betätigungsorganen eines Steuerventiles verbunden, mit dessen
Hilfe bei einer Gefahr für die dem Hydraulikmotor 1 nachgeordneten mechanischen
Glieder der Hydraulikmotor stillgesetzt wird. Die Betätigungsorgane bestehen aus
federbelasteten Kolben, wobei die Federstärke einstellbar ist, so daß die Druckschwelle,
bei der die Betätigung des Steuerventils 24 erfolgen soll, eingestellt werden kann.
Eine Betätigung des Steuerventils 24 in der einen oder in der anderen Richtung verbindet
die P-Leitung überein Verlängerung 26, die zu dem Steuerventil 24 führt, mit einer
weiteren Bremsleitung 28, die an der Bremse 2 angeschlossen ist. Der Druck aus dieser
Leitung 28 wirkt allerdings in Richtung der in der Federdruck-Lamellenbremse enthaltenen
Feder, jeglicher Druck in dieser Bremsleitung 28 verstärkt also die Bremswirkung
bzw.
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setzt die Bremse in Tätigkeit. Im Ruhezustand ist die Bremsleitung
28 über einen Kurzschluß innerhalb des Steuerventils 24 über eine Leerleitung 25
mit der Tankleitung des hydraulischen Systems verbunden.
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Wird in einer der Zuleitungen 21 oder 20 ein Druck erreicht, der die
Druckschwelle der Betätigungsorgane an dem Steuerventil 24 überschreitet, wird letzteres
verstellt, so daß die Bremse 2 gegen die Wirkung des Druckes in der Bremsleitung
19 betätigt wird. Selbst wenn der Steuerdruck in der Bremsleitung 19 - etwa bei
schad- -haftem Druckminderungsventil 11 - genauso hoch ist wie der Druck in der
Bremsleitung 28, tritt eine Bremswirkung ein, da der beidseitig beaufschlagte Kolben
innerhalb der Bremse 2 hydraulisch ausgeglichen ist und folglich die darin enthaltene
Feder zur Wirkung kommt, als wäre der hydraulische Teil drucklos.
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Eine Variante der Erfindung besteht darin, daß im Auslösefall das
Steuerventil 24 die Bremsleitung 19 über das Ventil 4 mit der T-Leitung verbindet,
also drucklos werden läßt.Diese weitere Ausbildung der Erfindung führt jedoch nur
dann zum Erfolg, wenn die Tankleitung weitgehend drucklos ist und nicht durch reichliche
Einspeisung aus anderen Verbrauchern darin ein Rückstau vorhanden ist. Es besteht
dann nämlich die Gefahr,daß der Druck aus der Bremsleitung 19 nicht ausreichend
abgebaut wird, so daß die Bremse nur unvollkommen oder gar nicht wirkt, weil der
Restdruck zur Aufhebnung der Federwirkung immer noch ausreicht.
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In der beschriebenen Weise wird also die dem Hydraulikmotor .3.
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nachgeordnete Mechanik nur soweit geschützt, wie durch eine tatsächliche
Überlastung erforderlich ist. Im übrigen wird die Hydraulikflüssigkeit relativ "schrankenlos"
dem Hydraulikmotor 1 zugeführt, damit ein hohes Druckgefälle an den durch die Leitungen
und die Ventile gebildeten Engstellen eine große Durchsatzmenge an Hydraulikflüssigkeit
bewirkt. Erst wenn es aufgrund eines Staus in Folge einer Belastung zu einem für
die Mechanik gefährlichen Druckaufbau innerhalb des Hydraulikmotors 1 kommt, schaltet
das Steuerventil 24 zuverlässig ab, so daß eine weitere Bewegung der Mechanik und
damit ein weiterer Anstieg der Belastung so gut wie ausgeschlossen
ist.
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Bei geschlossenen Hydraulikversorgungsanlagen ist es wünschenswert,
daß Teile der Steuerung ständig durchflutet werden, selbst wenn kein Steuerbefehl
erteilt wird und deshalb auch keine Bewegung stattfindet. Für diesen Zweck ist das
KurzschluBventil 27 zwischen der P-Leitung und der Tankleitung eingefügt, das mit
Hilfe einer Druckfeder in der dargestellten Durchgangsstellung gehalten wird. Sobald
über die Weiche 17 ein Steuerdruck signalisiert wird -hierzu genügt ein Druckanstieg
auf z.B. 3,5 bar - verschiebt sich das Kurzschlußventil 27 in seine Sperrstellung,
und nachfolgend können alle Funktionen in der beschriebenen Weise ablaufen.
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In den Abfühlleitungen 22 und 23 sind Drosseln 29 eingefügt, die eine
gewisse Ansprechverzögerung bewirken.
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Wenn also z.B. durch Seilschwingungen bei einem Seilzug oder in Folge
der federnden Lagerung eines Kettenzuges Druckspitzen in den Zuleitungen 20 und
21 auftreten, führt das kurzfristige Überschreiten der an den Betätigungsorganen
des Steuerventiles 24 eingestellten Druckschwellen erst dann zu einer Verschiebung
des Ventils, wenn die Überlastung häufig genug in kurzen Abständen oder dauerhaft
auftritt. Bei diesen Drosseln 29 handelt es sich also um eine Einrichtung, die eine
"nervöse Reaktion" des Steuerventils 24 verhindern soll.
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Einen ähnlichen Zweck bewirken zwei weitere Drosseln 30 in den Steuerleitungen
15 und 16, die eine gewisse Verzögerung beim Ansprechen des Hauptventils 3 zur Folge
haben. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß zur Lösung der Bremse 2 eine gewisse
Zeit erforderlich ist, die normalerweise dadurch überbrückt wird, daß das Hauptventil
3 zunächst in die Vorsteuerstellung und dann erst in die eigentliche Steuerstellung
verschoben wird. Bei heftiger Betätigung kann es jedoch vorkommen, daß die volle
Ansteuerung durch das Hauptventil 3 bereits geschaltet ist,
wenn
die Bremse 2 noch nicht vollständig gelöst ist. In diesem Fall kommt es unabhängig
von der Belastung der dem Hydraulikmotor 1 nachgeordneten mechanischen Glieder zu
einem Druckanstieg in den Zuleitungen 20 und 21, der zur Auslösung des Steuerventils
24 führen kann. Die Drosseln 30 sorgen jedoch dafür, daß insbesondere im Tippbetrieb
das Hauptventil 3 stets später anspricht als die Bremse 2, wobei in Folge der Vorsteuerstellung,
bei der die Zuleitungen 20 und 21 nicht miteinander verbunden sind, für den Stillstand
des Hydraulikmotors 1 vor der eigentlichen Ansteuerung gesorgt ist.
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Da die Laufventile 12 und 13 für Rechtslauf und Linkslauf einen der
Betätigungsstellung proportionalen Druckaufbau in den Steuerleitungen 15 und 16
gestatten, kann diese Erscheinung für eine Geschwindigkeitsregelung des Hydraulikmotors
1 herangezogen werden. In Verbindung mit einem Hauptventil 3, das in der eigentlichen
Steuerstellung mit zunehmender Verstellung des Schiebers auch eine größere Hydraulikmenge
hindurchläßt, kann die Geschwindigkeit des Hydraulikmotors 1 sehr feinfühlig an
den Laufventilen 12 und 13 vorgegeben werden. Im übrigen umfaßt der Begriff Hydraulikmotor
sämtliche Hydraulikaggregate, die aufgrund eines Druckgefälles eine Rotationsbewegung.ausführen,
insbesondere sind Lamellenmotoren, Axialkolbenmotoren und sonstige Verdrängertypen
umfaßt. Die erfindungsgemäße Überlastsicherung kann insbesondere dort eingesetzt
werden, wo bisher Pumpen mit variabler Fördermenge und gleichbleibendem Druck eingesetzt
wurden. Diese Pumpen sind wegen ihres hohen Geräuschniveaus besonders unangenehm
in der täglichen Praxis.
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Wenn durch den Hydraulikmotor 1 wiederum eine Pumpe angetrieben wird,
kann das Steuerventil 24 auch zur Abfühlung des dadurch beeinflußten Flüssigkeitssystems
eingesetzt werden, das jedoch nach wie vor die Abschaltung des primären Hydraulikmotors
1 direkt oder über die Bremse bewirkt. In dieser Weise wird das Schutzerfordernis
sehr
nahe an der gefährdeten Stelle festgestellt, wodurch verfälschende Zwischenglieder
und z.B.
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deren Reibung ausgeschaltet werden.
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