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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Hydrauliksystem und insbesondere auf ein Hydrauliksystem mit einer variablen Rückdrucksteuerung.
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Hintergrund
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Arbeitsmaschinen, wie beispielsweise Bagger, Lader, Dozer und andere Arten von schweren Maschinen verwenden viele hydraulische Betätigungsvorrichtungen in Verbindung mit einem Gelenkssystem, um eine Vielzahl von Aufgaben auszuführen. Die Hydraulikbetätigungsvorrichtungen können ein Rohr mit einer Kopfenden-Druckkammer und einer Stangenenden-Druckkammer aufweisen, die durch eine Kolbenanordnung getrennt werden. Das Rohr kann mit einem Teil der Verbindungsanordnung verbunden sein, während die Kolbenanordnung mit einem anderen Teil verbunden sein kann. Die Kopfenden- und Stangenenden-Druckkammern können selektiv mit unter Druck gesetztem Strömungsmittel gefüllt werden oder abgelassen werden, um die Kolbenanordnung relativ zum Rohr zu bewegen, was die Bewegung des Verbindungssystems beeinflusst. Während der Bewegung des Verbindungssystems ist es möglich, dass die Schwerkraft auf das Verbindungssystem wirkt, um zu bewirken, dass die Kolbenanordnung das Auslassen von Strömungsmittel aus der Kopfenden-Kammer oder der Stangenenden-Kammer schneller erzwingt, als das Strömungsmittel die andere Kammer, das heißt die Kopfenden-Kammer oder die Stangenenden-Kammer füllen kann. In dieser Situation kann ein Freiraum oder ein Vakuum durch die Expansion der sich füllenden Kammer erzeugt werden (Leerraumbildung). Eine Leerraumbildung bzw. Kavitation kann eine unerwünschte und/oder unvorhersagbare Bewegung der Arbeitsmaschine zur Folge haben und könnte die hydraulischen Betätigungsvorrichtungen beschädigen.
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Ein Verfahren zur Minimierung einer Leerraumbildung bzw. Kavitation in einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung wird beschrieben im US-Patent
5 868 059 (das '059-Patent) das an Smith am 9. Februar 1999 ausgegeben wurde. Das '059-Patent beschreibt eine elektrohydraulische Ventilanordnung in Kombination mit einer Werkzeugpumpe, einem Tank und einem Hydraulikzylinder mit einer Stangenenden-Kammer und einer Kopfenden-Kammer. Die Ventilanordnung weist eine Vielzahl von elektrohydraulischen unabhängigen Verschiebungssteuerungszumessventilmodulen und ein Rückschlagventil auf, welches in einem Auslass zwischen der Ventilanordnung und dem Tank angeordnet ist, um einen Rückdruck für die Ventilanordnung zu erzeugen. Dieser erzeugte Rückdruck kann die Rate begrenzen, mit der das Strömungsmittel aus der Kopfenden-Kammer oder der Stangenenden-Kammer abläuft. Wenn die Ablaufrate bzw. Ablaufgeschwindigkeit auf die gleiche Größe oder eine geringere Größe als die Füllrate der anderen Kammer, das heißt der Kopfenden-Kammer oder der Stangenenden-Kammer eingeschränkt ist, kann eine Leerraumbildung bzw. Kavitation minimiert werden. Das Niveau des Rückdruckes wird durch eine Feder eingestellt.
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Obwohl die elektrohydraulische Ventilanordnung des '059-Patentes eine Leerraumbildung minimieren kann, kann sie dies in nicht effizienter Weise tun. Insbesondere, weil die Rückdruckbeschränkung immer aktiv ist, und zwar ungeachtet der Wahrscheinlichkeit einer Leerraumbildung, muss die Pumpe, die das unter Druck gesetzte Strömungsmittel zu der elektrohydraulischen Ventilanordnung lieferte, kontinuierlich mit einem hohen Leistungsverbrauchsniveau betrieben werden, um die kontinuierliche Rückdruckbeschränkung zu überwinden. Weil die Rückdruckbeschränkung konstant ist, kann zusätzlich die Geschwindigkeitssteuerung der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen begrenzt sein. Es kann Situationen geben, wo es wünschenswert ist, die Rückdruckbeschränkung zu reduzieren oder zu vergrößern, um eine vergrößerte oder verringerte Geschwindigkeit des assoziierten Verbindungssystems zu gestatten.
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Das offenbarte Hydrauliksystem ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Hydrauliksystem für eine Arbeitsmaschine mit einem Verbindungs- bzw. Gelenksystem gerichtet. Das Hydrauliksystem weist einen Tank auf, der konfiguriert ist, um eine Strömungsmittelversorgung bzw. einen Strömungsmittelvorrat zu enthalten, und mindestens eine hydraulische Betätigungsvorrichtung, die mit dem Verbindungssystem assoziiert ist, um eine Bewegung des Verbindungssystems zu beeinflussen. Die mindestens eine hydraulische Betätigungsvorrichtung hat eine erste Druckkammer und eine zweite Druckkammer. Das Hydrauliksystem weist auch ein unabhängiges Zumessventil auf, welches mit der ersten Druckkammer assoziiert ist. Das unabhängige Zumessventil hat ein Ventilelement, welches zwischen einer ersten Position, in der die Strömungsmittelverbindung zwischen der ersten Druckkammer und dem Tank blockiert ist, und einer zweiten Position bewegbar ist, in der Strömungsmittel aus der ersten Druckkammer zum Tank ablaufen darf. Das Hydrauliksystem weist weiter mindestens einen Sensor auf, der konfiguriert ist, um einen Parameter abzufühlen, der einen Druck in der zweiten Druckkammer anzeigt, und eine Steuervorrichtung in Verbindung mit dem unabhängigen Zumessventil und dem Sensor. Die Steuervorrichtung ist konfiguriert, um das Ventilelement des unabhängigen Zumessventils ansprechend auf den Druck zu bewegen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zum Betrieb eines Hydrauliksystems gerichtet, welches mit einem Verbindungssystem bzw. Gelenksystem assoziiert ist. Das Verfahren weist auf, ein unabhängiges Zumessventilelement zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position zu bewegen, um selektiv Strömungsmittel von einer ersten Kammer einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung abzublocken oder Strömungsmittel daraus zu einem Tank abzulassen. Das Verfahren weist auch auf, einen Parameter abzufühlen, der einen Druck innerhalb einer zweiten Druckkammer der hydraulischen Betätigungsvorrichtung anzeigt. Das Verfahren weist weiter auf, das unabhängige Zumessventilelement zwischen den ersten und zweiten Positionen ansprechend auf den Druck zu bewegen.
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Figurenliste
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- 1 ist eine diagrammartige Seitenansicht einer beispielhaften offenbarten Arbeitsmaschine; und
- 2 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften offenbarten Hydrauliksystems für die Arbeitsmaschine der 1.
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Detaillierte Beschreibung
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1 veranschaulicht eine beispielhafte Arbeitsmaschine 10. Die Arbeitsmaschine 10 kann eine feste oder eine mobile Maschine sein, die eine gewisse Art eines Betriebs ausführt, der mit einem Industriezweig assoziiert ist, wie beispielsweise Bergbau, Bau, Ackerbau, Transport oder irgendein anderer in der Industrie bekannter Industriezweig. Beispielsweise kann die Arbeitsmaschine 10 eine Erdbewegungsmaschine sein, wie beispielsweise ein Bagger, ein Dozer, ein Lader, ein Baggerlader, ein Motorgrader oder irgendeine andere Erdbewegungsmaschine. Die Arbeitsmaschine 10 kann ein Verbindungssystem bzw. Gelenksystem 12 aufweisen, ein Arbeitswerkzeug 14, welches an dem Verbindungssystem 12 angebracht ist, eine oder mehrere hydraulische Betätigungsvorrichtungen 30a-c, die das Verbindungssystem 12 verbinden, eine Bedienerschnittstelle 16, eine Leistungsquelle 18 und mindestens eine Traktionsvorrichtung bzw. Antriebsvorrichtung 20.
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Das Verbindungssystem 12 kann irgend eine strukturelle Einheit aufweisen, die die Bewegung der Arbeitsmaschine 10 und/oder des Arbeitswerkzeuges 14 unterstützt. Das Verbindungssystem 12 kann beispielsweise einen (nicht gezeigten) stationären Basisrahmen, einen Ausleger 13 und einen Vorderausleger 15 aufweisen. Der Ausleger 13 kann schwenkbar mit dem Rahmen verbunden sein, während der Vorderausleger 15 schwenkbar mit dem Ausleger 13 an einem Gelenk 17 verbunden sein kann. Das Arbeitswerkzeug 14 kann schwenkbar mit dem Vorderausleger 15 an einer Verbindung 19 verbunden sein. Es wird in Betracht gezogen, dass das Gelenksystem bzw. Verbindungssystem 12 alternativ eine andere Konfiguration und/oder eine andere Anzahl von Verbindungsgliedern aufweisen kann, als jene, die in 1 abgebildet ist.
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Zahlreiche unterschiedliche Arbeitswerkzeuge 14 können an dem Vorderausleger 15 anzubringen sein und können über die Bedienerschnittstelle 16 steuerbar sein. Das Arbeitswerkzeug 14 kann irgend eine Vorrichtung aufweisen, die verwendet wird, um eine spezielle Aufgabe auszuführen, wie beispielsweise eine Schaufel, eine Gabelanordnung, ein Schild, eine Schaufel, ein Reiswerkzeug, eine Kippmulde, eine Kehrvorrichtung, eine Schneefräse, eine Antriebsvorrichtung, eine Schneidvorrichtung, eine Greifvorrichtung oder irgendeine andere eine Aufgabe ausführende Vorrichtung, die in der Technik bekannt ist. Das Arbeitswerkzeug 14 kann konfiguriert sein, um sich relativ zur Arbeitsmaschine 10 in irgendeiner in der Technik bekannten Art und Weise zu drehen, zu schwenken, zu gleiten, zu schwingen, anzuheben oder zu bewegen.
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Die Bedienerschnittstelle 16 kann konfiguriert sein, um eine Eingabe von einem Arbeitsmaschinebediener aufzunehmen, die eine erwünschte Arbeitswerkzeugbewegung anzeigt. Insbesondere kann die Bedienerschnittstelle 16 eine Bedienerschnittstellenvorrichtung 22 aufweisen, wie beispielsweise einen mehrachsigen Joystick bzw. Steuerhebel, der auf einer Seite einer Bedienerstation gelegen ist. Die Bedienerschnittstellenvorrichtung 22 kann eine Proportional-Steuervorrichtung sein, die konfiguriert ist, um das Arbeitswerkzeug 14 zu positionieren und/oder zu orientieren, und ein Schnittstellenvorrichtungspositionssignal zu erzeugen, welches eine erwünschte Bewegung des Arbeitswerkzeuges 14 anzeigt. Es wird in Betracht gezogen, dass zusätzliche und/oder andere Bedienerschnittstellenvorrichtungen in der Bedienerschnittstelle 16 vorgesehen sein können, wie beispielsweise Räder, Knöpfe, Druck-Zug-Vorrichtungen, Schalter, Pedale und andere in der Technik bekannte Bedienerschnittstellenvorrichtungen. Die Antriebsquelle 18 kann ein Motor sein, wie beispielsweise ein Dieselmotor, ein Benzinmotor, ein durch gasförmigen Brennstoff angetriebener Motor, wie beispielsweise ein Erdgasmotor, oder irgendein anderer in der Technik bekannter Motor. Es wird in Betracht gezogen, dass die Leistungsquelle 18 alternativ eine andere Leistungsquelle verkörpern könnte, wie beispielsweise eine Brennstoffzelle, eine Leistungsspeichervorrichtung, ein Elektromotor oder Hydraulikmotor oder eine andere Leistungsquelle, die in der Technik bekannt ist.
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Die Traktionsvorrichtung 20 kann Raupen aufweisen, die auf jeder Seite der Arbeitsmaschine 10 gelegen sind (wobei nur eine Seite gezeigt ist). Alternativ kann die Traktionsvorrichtung 20 Räder, Riemen oder andere Traktionsvorrichtungen bzw. Antriebsvorrichtungen aufweisen. Die Traktionsvorrichtung 20 kann lenkbar sein oder nicht. Es wird in Betracht gezogen, dass, wenn die Arbeitsmaschine 10 eine stationäre Maschine darstellt, die Traktionsvorrichtung 20 weggelassen werden kann.
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Wie in 2 veranschaulicht, kann die Arbeitsmaschine 10 ein Hydrauliksystem 24 mit einer Vielzahl von Strömungsmittelkomponenten aufweisen, die zusammenarbeiten, um das Arbeitswerkzeug 14 zu bewegen. Insbesondere kann das Hydrauliksystem 24 einen Tank 26 aufweisen, der eine Strömungsmittelversorgung enthält, und eine Quelle 28, die konfiguriert ist, um das Strömungsmittel unter Druck zu setzen und das unter Druck gesetzte Strömungsmittel zu den hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a-c zu leiten. Während 1 drei Betätigungsvorrichtungen abbildet, die als 30a, 30b und 30c bezeichnet werden, bildet die hydraulische Schemadarstellung der 2 aus Gründen der Einfachheit nur eine hydraulische Betätigungsvorrichtung ab. Das Hydrauliksystem 24 kann ein Kopfenden-Versorgungsventil 32, ein Kopfenden-Ablaufventil 34, ein Stangenenden-Versorgungsventil 36 und ein Stangenenden-Ablaufventil 38, einen Kopfenden-Drucksensor 40 und einen Stangenenden-Drucksensor 42 aufweisen, die mit jeder hydraulischen Betätigungsvorrichtung 30a-c assoziiert sind. Das Hydrauliksystem 24 kann weiter einen Verbindungssensor bzw. Gelenkssensor 46 und eine Steuervorrichtung 48 aufweisen, die in Verbindung mit den Strömungsmittelkomponenten des Hydrauliksystems 24 und der Bedienerschnittstellenvorrichtung 22 ist. Es wird in Betracht gezogen, dass das Hydrauliksystem 24 zusätzliche und/oder andere Komponenten aufweisen kann, wie beispielsweise Akkumulatoren, einschränkende Zumessöffnungen, Rückschlagventile, Druckentlastungsventile, Nachfüllventile, druckausgleichende Durchlasswege, Temperatursensoren, Werkzeugerkennungsvorrichtungen und andere in der Technik bekannte Komponenten.
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Der Tank 26 kann ein Reservoir bilden, das konfiguriert ist, um eine Strömungsmittelversorgung zu enthalten. Das Strömungsmittel kann beispielsweise ein extra dafür vorgesehenes Hydrauliköl, ein Motorschmieröl, ein Getriebeschmieröl oder irgendein anderes Strömungsmittel aufweisen, das in der Technik bekannt ist. Ein oder mehrere Hydrauliksysteme in der Arbeitsmaschine 10 können Strömungsmittel vom Tank 26 abziehen und zu diesem zurückleiten. Es wird auch in Betracht gezogen, dass das Hydrauliksystem 24 mit mehreren getrennten Strömungsmitteltanks verbunden sein kann. Die Quelle 28 kann konfiguriert sein, um einen Fluss von unter Druck gesetztem Strömungsmittel zu erzeugen, und kann eine Pumpe aufweisen, wie beispielsweise eine Pumpe mit variabler Verdrängung, eine Pumpe mit fester Verdrängung oder irgendeine andere Quelle für unter Druck gesetztes Strömungsmittel, die in der Technik bekannt ist. Die Quelle 28 kann treibend mit der Leistungsquelle 18 der Arbeitsmaschine 10 verbunden sein, beispielsweise durch eine Gegenwelle 50, einen (nicht gezeigten) Riemen, eine (nicht gezeigte) elektrische Schaltung, oder in irgendeiner anderen geeigneten Weise. Alternativ kann die Quelle 28 indirekt mit der Leistungsquelle 18 über einen (nicht gezeigten) Drehmomentwandler, eine (nicht gezeigte) Getriebebox oder in irgendeiner anderen in der Technik bekannten Art und Weise verbunden sein. Es wird in Betracht gezogen, dass mehrere Quellen für unter Druck gesetztes Strömungsmittel verbunden sein können, um unter Druck gesetztes Strömungsmittel zum Hydrauliksystem 24 zu liefern.
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Die hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a-c können Strömungsmittelzylinder aufweisen, die das Arbeitswerkzeug 14 und das Verbindungssystem 12 verbinden. Es wird in Betracht gezogen, dass andere hydraulische Betätigungsvorrichtungen als Strömungsmittelzylinder alternativ in dem Hydrauliksystem 24 vorgesehen sein könnten, beispielsweise Hydraulikmotoren oder irgend eine andere Art einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung, die in der Technik bekannt ist. Wie in 2 veranschaulicht, kann jede der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a-c ein Rohr 52 und eine Kolbenanordnung 54 aufweisen, die in dem Rohr 52 angeordnet ist. Das Rohr 52 oder die Kolbenanordnung 54 können schwenkbar zwischen den Gliedern des Verbindungssystems bzw. Gelenksystems 12 und/oder dem Arbeitswerkzeug 14 angeschlossen sein. Jede der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a-c kann eine erste Kammer 56 und eine zweite Kammer 58 aufweisen, und die durch einen Kolben 60 getrennt sind. Die ersten und zweiten Kammern 56, 58 können selektiv mit unter Druck gesetztem Strömungsmittel von der Quelle 28 geliefert werden und können selektiv von Strömungsmittel frei gemacht werden, um zu bewirken, dass die Kolbenanordnung 54 sich in dem Rohr 52 verschiebt, wodurch die effektive Länge der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a-c verändert wird. Das Ausfahren und das Zurückziehen der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a-c kann dahingehend wirken, dass es bei der Bewegung des Arbeitswerkzeuges 14 und des Verbindungssystems 12 hilft.
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Die Kolbenanordnung 54 kann einen Kolben 60 aufweisen, der axial mit dem i Rohr 52 ausgerichtet ist und darin angeordnet ist, und eine Kolbenstange 62, die mit dem Rahmen der Arbeitsmaschine 10, mit dem Ausleger 13, dem Vorderausleger 15 oder dem Arbeitswerkzeug 14 zu verbinden ist, (siehe 1). Der Kolben 60 kann eine erste hydraulische Oberfläche 64 und eine zweite hydraulische Oberfläche 66 gegenüberliegend zur ersten hydraulischen Oberfläche 64 aufweisen. Eine Unausgeglichenheit der Kraft, die durch den Strömungsmitteldruck auf den ersten und zweiten hydraulischen Oberflächen 64, 66 verursacht wird, kann eine Bewegung der Kolbenanordnung 54 in dem Rohr 52 zur Folge haben. Beispielsweise kann eine Kraft auf der ersten hydraulischen Oberfläche 64, die größer als eine Kraft auf der zweiten hydraulischen Oberfläche 66 ist, bewirken, dass die Kolbenanordnung 54 sich verschiebt, um die effektive Länge der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a-c zu vergrößern. Wenn in ähnlicher Weise eine Kraft auf der zweiten hydraulischen Oberfläche 66 größer als eine Kraft auf der ersten hydraulischen Oberfläche 64 ist, wird die Kolbenanordnung 54 sich in dem Rohr 52 zurückziehen, um die effektive Länge der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a-c zu verringern. Eine Flussrate bzw. Flussgeschwindigkeit des Strömungsmittels in die ersten und zweiten Kammern 56 und 58 hinein und aus diesen heraus kann eine Geschwindigkeit der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a-c bestimmen, während ein Druck des Strömungsmittels in Kontakt mit den ersten und zweiten hydraulischen Oberflächen 64 und 66 eine Betätigungskraft der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a-c bestimmen kann. Ein (nicht gezeigtes) Dichtungsglied, wie beispielsweise ein O-Ring, kann mit dem Kolben 60 verbunden sein, um einen Strömungsmittelfluss zwischen einer Innenwand des Rohres und 52 und einer äußeren zylindrischem Oberfläche des Kolbens 60 einzuschränken.
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Das Kopfenden-Versorgungsventil 32 kann zwischen der Quelle 28 und der ersten Kammer 56 angeordnet sein und konfiguriert sein, um einen Fluss von unter Druck gesetztem Strömungsmittel zur ersten Kammer 56 ansprechend auf eine Soll-Geschwindigkeit von der Steuervorrichtung 48 zu regeln. Insbesondere kann das Kopfenden-Versorgungsventil 32 einen federvorgespannten Proportionalventilmechanismus aufweisen, der Elektromagnet betätigt ist und konfiguriert ist, um sich zwischen einer ersten Position, in der Strömungsmittel in die erste Kammer 56 fließen kann, und einer zweiten Position zur bewegen, in der der Strömungsmittelfluss aus der ersten Kammer 56 blockiert ist. Das Kopfenden-Versorgungsventil 32 kann in irgendeine Position zwischen den ersten und zweiten Positionen bewegbar sein, um die Flussrate in die erste Kammer 56 zu variieren, wodurch die Geschwindigkeit der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a-c beeinflusst wird. Es wird in Betracht gezogen, dass das Kopfenden-Versorgungsventil 32 alternativ hydraulisch betätigt, mechanisch betätigt, pneumatisch betätigt oder in irgendeiner anderen geeigneten Weise betätigt werden kann. Es wird weiter in Betracht gezogen, dass das Kopfenden-Versorgungsventil 32 konfiguriert sein kann, um zu gestatten, dass Strömungsmittel von der ersten Kammer 56 durch das Kopfenden-Versorgungsventil 32 während eines Regenerationsereignisses fließt, wenn ein Druck in der ersten Kammer 56 einen Druck überschreitet, der vom Kopfenden-Versorgungsventil 32 von der Quelle 28 geleitet wird.
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Das Kopfenden-Ablaufventil 34 kann zwischen der ersten Kammer 56 und dem Tank 26 angeordnet sein und konfiguriert sein, um einen Strömungsmittelfluss von der ersten Kammer 56 zum Tank 26 ansprechend auf die Soll-Geschwindigkeit von der Steuervorrichtung 48 zu regeln. Insbesondere kann das Kopfenden-Ablaufventil 34 einen federvorgespannten Proportionalventilmechanismus aufweisen, der elektromagnetbetätigt ist und konfiguriert ist, um sich zwischen einer ersten Position, in der Strömungsmittel aus der ersten Kammer 56 fließen kann, und einer zweiten Position zu bewegen, in der Strömungsmittel dagegen abgeblockt wird, aus der ersten Kammer 56 zu fließen. Das Kopfenden-Ablaufventil 34 kann in irgendeine Position zwischen den ersten und zweiten Positionen bewegbar sein, um die Flussrate aus der ersten Kammer 56 zu variieren, wodurch die Geschwindigkeit der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a-c beeinflusst wird. Es wird in Betracht gezogen, dass das Kopfenden-Ablaufventil 34 alternativ hydraulisch betätigt, mechanisch betätigt, pneumatisch betätigt oder in irgendeiner anderen geeigneten Weise betätigt werden kann.
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Das Stangenenden-Versorgungsventil 36 kann zwischen der Quelle 28 und der zweiten Kammer 58 angeordnet sein und konfiguriert sein, um einen Fluss von unter Druck gesetztem Strömungsmittel zur zweiten Kammer 58 ansprechend auf die Soll-Geschwindigkeit von der Steuervorrichtung 48 zu regeln. Insbesondere kann das Stangenenden-Versorgungsventil 36 einen federvorgespannten Proportionalventilmechanismus aufweisen, der elektromagnetbetätigt ist und konfiguriert ist, um sich zwischen einer ersten Position, in der Strömungsmittel in die zweite Kammer 58 fließen kann, und einer zweiten Position zu bewegen, in der Strömungsmittel von der zweiten Kammer 58 abgeblockt wird. Das Stangenenden-Versorgungsventil 36 kann in irgendeine Position zwischen den ersten und zweiten Positionen bewegbar sein, um die Flussraten in die zweite Kammer 58 zu variieren, um dadurch die Geschwindigkeit der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a-c zu beeinflussen. Es wird in Betracht gezogen, dass das Stangenenden-Versorgungsventil 36 alternativ hydraulisch betätigt, mechanisch betätigt, pneumatisch betätigt oder in irgendeiner anderen geeigneten Weise betätigt werden kann. Es wird weiter in Betracht gezogen, dass das Stangenenden-Versorgungsventil 36 konfiguriert sein kann, um zu gestatten, dass Strömungsmittel von der zweiten Kammer 58 durch das Stangenenden-Versorgungsventil 36 während eines Regenerationsereignisses fließt, wenn ein Druck innerhalb der zweiten Kammer 58 einen Druck überschreitet, der zum Stangenenden-Versorgungsventil 36 von der Quelle 28 geleitet wird.
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Das Stangenenden-Ablaufventil 38 kann zwischen der zweiten Kammer 58 und dem Tank 26 angeordnet sein und konfiguriert sein, um einen Strömungsmittelfluss von der zweiten Kammer 58 zum Tank 26 ansprechend auf eine Soll-Geschwindigkeit von der Steuervorrichtung 48 zu regeln. Insbesondere kann das Stangenenden-Ablaufventil 38 einen federvorgespannten Proportionalventilmechanismus aufweisen, der elektromagnetbetätigt ist und konfiguriert ist, um sich zwischen einer ersten Position, in der Strömungsmittel aus der zweiten Kammer 58 fließen kann, und einer zweiten Position zu bewegen, in der Strömungsmittel dagegen abgeblockt wird, aus der zweiten Kammer 58 zu fließen. Das Stangenenden-Ablaufventil 38 kann zu irgendeiner Position zwischen den ersten und zweiten Positionen bewegbar sein, um die Flussraten aus der zweiten Kammer 58 zu variieren, wodurch die Geschwindigkeit der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a-c beeinflusst wird. Es wird in Betracht gezogen, dass das Stangenenden-Ablaufventil 38 alternativ hydraulisch betätigt, mechanisch betätigt, pneumatisch betätigt oder in irgendeiner anderen geeigneten Weise betätigt werden kann.
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Die Kopfenden- und Stangenenden-Versorgungs- und -ablaufventile 32-38 können strömungsmittelmäßig verbunden sein. Insbesondere können die Kopfenden- und Stangenenden-Versorgungsventile 32, 36 parallel mit einem gemeinsamen Versorgungsdurchlassweg 68 verbunden sein, der sich von der Quelle 28 erstreckt. Die Kopfenden- und Stangenenden-Ablaufventile 34, 38 können parallel mit einem gemeinsamen Ablaufdurchlassweg 70 verbunden sein, der zum Tank 26 führt. Die Kopfenden-Versorgungs- und -ablaufventile 32, 34 können parallel mit einem ersten Kammerdurchlassweg 72 verbunden sein, um selektiv die erste Kammer 56 ansprechend auf die Soll-Geschwindigkeit von der Steuervorrichtung 48 zu versorgen und ablaufen zu lassen. Die Stangenenden-Versorgungs- und -ablaufventile 36, 38 können parallel mit einem gemeinsamen zweiten Kammerdurchlassweg 74 verbunden sein, um selektiv die zweite Kammer 58 ansprechend auf die angewiesene Geschwindigkeit von der Steuervorrichtung 48 zu versorgen und ablaufen zu lassen. Für die Zwecke dieser Offenbarung wird der Druck des Strömungsmittels in den ersten und zweiten Kammerdurchlasswegen 72 und 74 während des Ablaufens der assoziierten ersten oder zweiten Kammer als Rückdruck definiert, der daraus resultiert, dass der Kolben 60 Strömungsmittel durch eine (nicht gezeigte) Zumessöffnung in dem assoziierten Ablaufventil drückt. Dieser Rückdruck kann der Bewegung des Kolbens 60 entgegenwirken.
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Die Kopfenden- und Stangenenden-Drucksensoren 40, 42 können in Strömungsmittelverbindung mit den ersten bzw. zweiten Kammern 56 bzw. 58 sein, und können konfiguriert sein, um den Druck des Strömungsmittels in den ersten und zweiten Kammern 56, 58 abzufühlen. Die Kopfenden- und Stangenenden-Drucksensoren 40, 42 können weiter konfiguriert sein, um ein Hydraulikbetätigungsvorrichtungslastsignal zu erzeugen, welches die Drücke in den ersten und zweiten Kammern 56, 58 anzeigt.
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Der Verbindungssensor 46 kann betriebsmäßig mit dem Verbindungssystem 12 verbunden sein und konfiguriert sein, um einen Betriebsparameter des Verbindungssystems 12 zu überwachen. In einem Beispiel kann der Verbindungssensor 46 einen Schwerkraftpositionssensor aufweisen, der an einer Seite des Auslegers 13 oder des Vorderauslegers 15 angebracht ist. In diesem Beispiel kann der Verbindungssensor 46 konfiguriert sein, um eine Position und/oder einer Orientierung des Verbindungsgliedes zu bestimmen, an dem er angebracht ist. Es wird auch in Betracht gezogen, dass der Verbindungssensor 46 alternativ einen Winkelsensor verkörpern kann, der an einer Schwenkverbindung der Arbeitsmaschine 10 angebracht ist, um eine Orientierung eines Verbindungsgliedes des Verbindungssystems 12 zu bestimmen. Es wird weiter in Betracht gezogen, dass der Verbindungssensor 46 einen internen oder externen Positionssensor verkörpern kann, der mit einer oder mit mehreren der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a-c assoziiert ist, um eine Ausfahrt/Einfahr-Position des jeweiligen Zylinders zu bestimmen. Diese Informationen über das Ausfahren und das Einfahren können verwendet werden, um die Position und/oder die Orientierung der assoziierten Verbindungsglieder zu berechnen. Die Positions- und Orientierungsinformationen, die von dem Verbindungssensor 46 überwacht und/oder bestimmt werden, können verwendet werden, um zusätzliche Betriebsparameter für das Verbindungssystem 12 abzuleiten, wie beispielsweise Geschwindigkeit, Beschleunigung, Stöße und andere in der Technik bekannte Parameter. Es wird noch weiterhin in Betracht gezogen, dass der Verbindungssensor 46 zusätzliche oder andere Arten von Sensoren verkörpern kann, wie in der Technik bekannt, die verwendet werden können, um die Position, die Orientierung, die Geschwindigkeit und andere ähnliche Betriebsparameter des Verbindungssystems 12 zu bestimmen.
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Die Steuervorrichtung 48 kann einen einzigen Mikroprozessor oder mehrere Mikroprozessoren verkörpern, die Mittel zur Steuerung eines Betriebs des Hydrauliksystems 24 aufweisen. Zahlreiche kommerziell erhältliche Mikroprozessoren können konfiguriert werden, um die Funktionen der Steuervorrichtung 48 auszuführen. Es sei bemerkt, dass die Steuervorrichtung 48 leicht in einem allgemeinen Arbeitsmaschinenmikroprozessor verkörpert sein könnte, der zahlreiche Arbeitsmaschinenfunktionen steuern kann. Die Steuervorrichtung 48 kann einen Speicher, eine sekundäre Speichervorrichtung, einen Prozessor und irgendwelche anderen Komponenten aufweisen, um eine Anwendung laufen zu lassen. Verschiedene andere Schaltungen können mit der Steuervorrichtung 48 assoziiert sein, wie beispielsweise eine Leistungsversorgungsschaltungen, eine Signalkonditionierungsschaltung, eine Elektromagnettreiberschaltung und andere Arten von Schaltungen.
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Ein oder mehrere Karten bzw. Kennfelder, die Betriebsparameter des Verbindungssystems 12 mit Druckinformationen für die hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a-c in Beziehung setzen, können im Speicher der Steuervorrichtung 48 gespeichert sein. Jedes dieser Kennfelder kann in Form einer zweidimensionalen oder dreidimensionalen Tabelle vorliegen. Die Steuervorrichtung 48 kann konfiguriert sein, um diese Tabellen während der Betätigung der Kopfenden- und Stangenenden-Versorgungs- und -ablaufventile aufzurufen, um geeignete minimale und/oder erwünschte Druckwerte für die eine der ersten und zweiten Kammern zu bestimmen, die gegenwärtig mit unter Druck gesetztem Strömungsmittel gefüllt wird. Es wird auch in Betracht gezogen, dass, anstatt die Betriebsparameter des Verbindungssystems 12 direkt mit Druckinformationen für die Kopfenden- und Stangenenden-Ablaufventile 34 und 38 in Beziehung zu setzen, die Karten alternativ die Betriebsparameter mit den Ventilelementpositionen in Beziehung setzen können, die die minimalen oder erwünschten Druckwerte zur Folge haben. Die Beziehung zwischen der Ventilelementposition und den minimalen oder erwünschten Druckwerten können während eines Tests der Arbeitsmaschine 10 im Labor oder am Einsatzort bestimmt werden, und können periodisch neue kalibriert und aktualisiert werden.
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Die Steuervorrichtung 48 kann konfiguriert werden, um eine Eingabe von der Bedienerschnittstellenvorrichtung 22, von denen Kopfenden- und Stangenenden-Drucksensoren 40, 42 und vom Verbindungssensor 46 aufzunehmen, um die hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a-c ansprechend auf die Eingangsgröße und die Beziehungskarte (Kennfeld) zu betätigen. Insbesondere kann die Steuervorrichtung 48 in Verbindung mit den Kopfenden- und Stangenenden-Versorgungs- und Ablaufventilen 32-38 der hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 30a-c über jeweilige Verbindungsleitungen 80-86 sein, in Verbindung mit der Bedienerschnittstellenvorrichtung 22 über eine Verbindungsleitung 88, in Verbindung mit den Kopfenden- und Stangenenden-Drucksensoren 40, 42 über Verbindungsleitungen 90 und 92 und in Verbindung mit dem Verbindungssensor bzw. Gelenkssensor 46 über eine entsprechende Verbindungsleitung 93. Die Steuervorrichtung 48 kann das Schnittstellenvorrichtungspositionssignal von der Bedienerschnittstellenvorrichtung 22 aufnehmen, das Verbindungsparametersignal vom Verbindungssensor 46, die Drucksignale von den Kopfenden- und Stangenenden-Drucksensoren 40, 42, und kann auf die Beziehungskarte bzw. das Kennfeld zugreifen, das in dem Speicher der Steuervorrichtung 48 gespeichert ist, um entsprechende Druckwerte oder Ventilelementeinstellungen für die eine der ersten und zweiten Kammern zu bestimmen, die die Steuervorrichtung 48 gegenwärtig füllen. Die Steuervorrichtung 48 kann dann eine Bewegung der Ventilelemente anweisen, die die minimalen oder erwünschten Druckwerte zur Folge hat.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Das offenbarte Hydrauliksystem kann auf irgendeine Arbeitsmaschine anwendbar sein, die eine hydraulische Betätigungsvorrichtung aufweist, wo es wünschenswert ist, eine Leerraumbildung bzw. Kavitation in der hydraulischen Betätigungsvorrichtung zu minimieren, während man den Wirkungsgrad der Arbeitsmaschine verbessert. Das offenbarte Hydrauliksystem kann die Kavitation minimieren, indem es einen Rückdruck in der hydraulischen Betätigungsvorrichtung auf einem Niveau und zu Zeitpunkten vorsieht, die für die gegenwärtigen Betriebsbedingungen der Arbeitsmaschine geeignet sind. Der Betrieb des Hydrauliksystems 24 wird nun erklärt.
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Wie in 2 veranschaulicht, können die Hydraulikzylinder 30a-c durch den Strömungsmitteldruck ansprechend auf eine Bedienereingabe bewegbar sein. Strömungsmittel kann durch die Quelle 28 unter Druck gesetzt werden und selektiv zu den Kopfenden- und Stangenenden-Versorgungsventil 32 und 36 geleitet werden. Ansprechend auf eine Bedienereingabe, um die Kolbenanordnung 54 relativ zum Rohr 52 entweder auszufahren oder zurückzuziehen, kann die Steuervorrichtung 48 das unter Druck gesetzte Strömungsmittel zu der geeigneten, der ersten und zweiten Kammern 56, 58 leiten, in denen sie bewirkt, dass eines von der Kopfenden- und Stangenenden-Versorgungsventilen 32 und 36 sich zu der Flussdurchlassposition bewegt. Im wesentlichen gleichzeitig kann die Steuervorrichtung 48 das geeignete Ventil der Kopfenden- und Stangenenden-Ablaufventile 34, 38 betätigen, um das Strömungsmittel aus der geeigneten Kammer der ersten und zweiten Kammern 56, 58 zum Tank 26 ablaufen zu lassen, wodurch eine Unausgeglichenheit der Kraft auf dem Kolben 60 erzeugt wird, die bewirkt, dass die Kolbenanordnung 54 sich bewegt. Wenn beispielsweise eine Ausfahrbewegung der Hydraulikzylinder 30a-c angefordert wird, kann das Kopfenden-Versorgungsventil 32 zu der offenen Position bewegt werden, um unter Druck gesetztes Strömungsmittel aus der Quelle 28 zur ersten Kammer 56 zu leiten. Im wesentlichen gleichzeitig mit dem Leiten des unter Druck gesetzten Strömungsmittels zur ersten Kammer 56 kann das Stangenenden-Ablaufventil 38 zu der offenen Position bewegt werden, um zu gestatten, dass ein Strömungsmittel von der zweiten Kammer 58 zum Tank 26 abläuft. Wenn eine Rückzugsbewegung der Hydraulikzylinder 30a-c angefordert wird, kann das Stangenenden-Versorgungsventil 36 in die offene Position bewegt werden, um unter Druck gesetztes Strömungsmittel von der Quelle 28 zur zweiten Kammer 58 zu leiten. Im wesentlichen gleichzeitig mit dem Leiten des unter Druck gesetzten Strömungsmittels zu der zweiten Kammer 58, kann das Kopfenden-Ablaufventil 34 zu der offenen Position bewegt werden, um zu gestatten, dass Strömungsmittel von der ersten Kammer 56 zum Tank 26 abläuft.
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Während der Bewegung des Verbindungssystems 12 ist es möglich, dass die Schwerkraft auf ein oder mehrere Glieder des Verbindungssystems 12 wirkt, um den Kolben 60 in einer Richtung zu bewegen, die eine Ausfahrbewegung in einer der ersten und zweiten Kammern 56, 58 verursacht, die schneller ist, als das unter Druck gesetzte Strömungsmittel in die Kammer eingeleitet werden kann. Beispielsweise kann während einer abwärts gerichteten und/oder einwärts gerichteten Bewegung des Vorderauslegers 15 eine schwere Last in dem Arbeitswerkzeug 14 den Vorderausleger 15 so antreiben, dass Strömungsmittel von der zweiten Kammer 58 der hydraulischen Betätigungsvorrichtung 30b schneller heraus gedrückt wird, als das Strömungsmittel die erste Kammer 56 füllen kann. Ohne eine Einwirkung kann der Druck innerhalb der ersten Kammer 56 auf einen Punkt abfallen, wo die Bewegung des Verbindungssystems unvorhersagbar oder nicht wünschenswert sein kann (Kavitation). Um diese Situation mit Kavitation bzw. Leerraumbildung zu verhindern, kann es nötig sein, den Rückdruck in dem zweiten Kammerdurchlassweg 74 zu steigern, um der Bewegung der Kolbenanordnung 54 entgegenzuwirken.
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Der Rückdruck kann durch eine Bewegung des Ventilelementes des Ablaufventils zu der geschlossenen Position hin vergrößert werden. In dem oben beschriebenen Beispiel kann der Rückdruck in dem zweiten Kammerdurchlassweg 74 gesteigert werden durch Bewegung des Ventilelements des Stangenenden-Ablaufventils 38, um eine Flusseinschränkung von der zweiten Kammer 58 zu vergrößern. Die zunehmende Einschränkung hat einen gesteigerten Rückdruck zur Folge.
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Die Steuervorrichtung 48 kann konfiguriert sein, um den Rückdruck des Ablaufventils ansprechend auf verschiedene Eingaben zu steigern. In dem obigen Beispiel kann die Steuervorrichtung 48 ein Signal von dem Kopfenden-Drucksensor 50 aufnehmen, welches ein niedriges Druckniveau innerhalb der ersten Kammer 56 anzeigt, die sich füllt, was anzeigt, dass eine Kavitation schon auftritt, oder dass diese gerade kurz davor ist, aufzutreten. Die Steuervorrichtung 48 kann dann einen Betriebszustand (Position, Orientierung, Geschwindigkeit, Belastung und so weiter) des Verbindungssystems 12 über den Verbindungssensor 46 bestimmen und entweder einen Soll-Druckwert oder einen minimalen Druckwert aus der Beziehungskarte (Kennfeld) bestimmen, welche in dem Speicher der Steuervorrichtung gespeichert ist, der diesem Betriebszustand entspricht. Die Steuervorrichtung 48 kann dann das Drucksignal von dem Kopfenden-Drucksensor 40 mit dem Soll-Druckwert oder minimalen Druckwert vergleichen und das Ventilelement des Stangenenden-Ablaufventils 38 bewegen, um einerseits die Flusseinschränkung durch dieses Ventil zu vergrößern. Alternativ kann die Steuervorrichtung 48 nur auf den Betriebszustand des Verbindungssystems 12 mit der Karte zugreifen, die im Speicher der Steuervorrichtung gespeichert ist, um eine geeignete Position des Ventilelements des Ablaufventils zu bestimmen, die den erwünschten oder minimalen Rückdruckwert zur Folge hat.
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Obwohl das oben beschriebene Beispiel auf eine Situation mit niedrigem Druck in der ersten Druckkammer 56 Bezug nimmt, würde die Steuervorrichtung 48 in ähnlicher Weise auf eine Situation mit niedrigem Druck in der zweiten Kammer 58 ansprechen. Genauso kann die Steuervorrichtung 48 auf eine Hochdruck-Situation entweder in der ersten oder in der zweiten Kammer 56 oder 58 reagieren, und zwar durch Bewegung der geeigneten Ventilelemente, um die Flusseinschränkung zu verringern, wodurch der Druck in der assoziierten, verringert wird.
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Weil die Steuervorrichtung 48 selektiv den Rückdruck steigert, um einer Kolbenbewegung entgegenzuwirken, ist das Hydrauliksystem 24 effizient. Insbesondere weil die Steuervorrichtung 48 nur die Flusseinschränkung steigert, wenn die Möglichkeit einer Kavitation besteht, wird die Ausgabe der Quelle 28 nur während diesen Situationen gesteigert, anstatt konstant mit einer höheren Energieverbrauchsrate zu arbeiten. Weil weiterhin das Ausmaß der Einschränkung proportional zur Möglichkeit der Kavitation ist, kann die Quelle 28 mit einer niedrigeren durchschnittlichen Energieverbrauchsrate als im Vergleich zu einem konstanten Betrieb bei der maximalen Einschränkung betrieben werden
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Weil die Steuervorrichtung 48 den Rückdruck ansprechend auf einen Betriebszustand des Verbindungssystems 12 steuern kann, kann zusätzlich die Geschwindigkeitssteuerung des Verbindungssystems 12 verbessert werden. Insbesondere wenn die Möglichkeit einer Kavitation minimale ist, kann die Flusseinschränkung entweder von der ersten oder von der zweiten Kammer 56, 58 verringert werden, um die Geschwindigkeit der assoziierten Verbindungsglieder zu steigern. Wenn im Gegensatz dazu eine präzisere Steuerung der Positionierung des Verbindungsgliedes des Verbindungssystems 12 erwünscht ist, kann die Steuervorrichtung 48 die Flusseinschränkungen steigern. Diese vergrößerten oder verringerten Flusseinschränkungen können in Beziehung zu Winkelorientierungen und/oder Positionen der Verbindungsglieder des Verbindungssystems 12 stehen. Wenn beispielsweise das Arbeitswerkzeug 14 auf einen oberen Winkel oder eine obere Position ausgefahren ist, wo ein ausreichendes Spiel zum Boden verfügbar ist, kann eine gesteigerte Geschwindigkeit erwünscht sein, um die Zykluszeit zu verbessern. Wenn das Arbeitswerkzeug 14 auf einem niedrigeren Winkel oder einer niedrigeren Position zur Beladung oder zum Entladen ist, können kleinere Geschwindigkeiten für eine verbesserte Genauigkeit der bei der Anordnung des Arbeitswerkzeuges 14 erwünscht sein.
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Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem offenbarten Hydrauliksystem vorgenommen werden können. Andere Ausführungsbeispiele werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und aus einer praktischen Ausführung des offenbarten Hydrauliksystems offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.