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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft allgemein ein Steuerungssystem
und insbesondere ein Aktuatorsteuerungssystem, das eine adaptive
Strömungssteuerung durchführt.
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Hintergrund
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Maschinen
wie beispielsweise Bagger, Lader, Planierraupen, Grader und andere
Arten von schwerem Gerät verwenden zur Erfüllung
einer Vielzahl von Aufgaben mehrere Aktuatoren, die von einer von
einem Motor angetriebenen Pumpe mit Hydraulikfluid versorgt werden.
Diese Aktuatoren werden typischerweise derart pilotgesteuert, dass,
wenn ein Bediener eine Eingabevorrichtung, z. B. einen Joystick,
bewegt, zum Bewegen eines Steuerventils eine Pilotfluidmenge zu
dem Steuerventil geleitet wird. Wenn das Steuerventil bewegt wird,
wird eine proportionale Fluidmenge von der Pumpe zu den Aktuatoren
geleitet. Zum Steuern des Ausmaßes des Fluidstroms zwischen
der Pumpe und den Aktuatoren werden verschiedene Hydrauliksteuerungsstrategien verwendet,
einschließlich einer Lasterfassungssteuerungsstrategie.
Lasterfassungssteuerungsstrategien messen einen Druckunterschied
zwischen einem maximalen Lastdruck einer Mehrzahl von Aktuatoren und
einem Pumpenförderdruck. Eine Steuerung empfängt
typischerweise die Druckunterschiedsdaten und steuert eine Verdrängung
der Pumpe zum Fördern der maximalen Lastanforderung. Genauer versuchen
Lasterfassungssteuerungssysteme, die Pumpenverdrängung
zur Aufrechterhaltung eines gewünschten Pufferdrucks zwischen
dem Pumpenförderdruck und dem maximalen Lastdruck zu steuern.
Da bekanntlich Pumpen mit variabler Verdrängung langsam
auf Lastdruckänderungen reagieren, wird die Pumpe typischerweise
so gesteuert, dass sie zum Sicherstellen, dass den Aktuatoren der
maximale Lastdruck zur Verfügung steht, Fluid mit einem
erhöhten Druck fördert. Daher ist es häufig
erforderlich, dass die Pumpe einen höheren Druck als notwendig liefert,
damit sie ihr langsames Ansprechen auf Lastanforderungen kompensieren
kann.
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Ein
Beispiel für solch ein Lasterfassungssteuerungssystem ist
in dem für Izumi et al. erteilten
US-Patent mit der Nr. 5,129,230 (dem
Patent
'230 ) beschrieben.
Genauer offenbart das Patent
'230 ein Hydrauliksteuerungssystem
mit einer Pumpe mit variabler Verdrängung, zwei Zylindern,
zwei Steuerventilen und einem Entlastungsventil. Zusätzlich
offenbart das Patent
'230 einen
Lastdrucksensor zum Erfassen der maximalen Last der zwei Zylinder
und einen Pumpentaumelscheibenpositionsdetektor. Basierend auf den
erfassten Werten von dem Lastdrucksensor und dem Taumelscheibenpositionsdetektor
wird ein Druckunterschied zwischen der Pumpe und der maximalen Last
ermittelt und zu einer Steuerung übertragen. Die Steuerung
weist die Pumpe mit variabler Verdrängung an, einen erhöhten Druck
zu liefern, damit sichergestellt wird, dass der Pumpenförderdruck
größer als der maximale Lastdruck ist. Zwischen
der Pumpe und den Steuerventilen ist zum Halten des Differenzdrucks
unterhalb eines Einstellwerts ein Entlastungsventil positioniert. Demzufolge
ist das Patent
'230 dazu
in der Lage, eine Förderrate der Pumpe zu steuern, wenn
zwischen der Pumpe und den Maximallasten ein kleiner oder ein großer
Druckunterschied vorliegt.
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Wenngleich
eine Lasterfassungspumpensteuerung für sich genommen in
einigen Situationen ausreichend sein kann, kann sie manchmal eingeschränkt
und wenig wirksam sein. Das heißt, die Pumpe spricht möglicherweise
langsam auf Änderungen des erforderlichen Lastdrucks an.
Zudem müssen Pumpensteuerungssysteme einen relativ hohen
Druckunterschied aufrechterhalten, damit sichergestellt wird, dass
der Pumpendruck dazu ausreicht, die Anforderungen der Maximallast
zu erfüllen. Diese hohen Drücke können
für die Maschine eine unnötige Belastung darstellen,
wodurch verursacht wird, dass die Pumpe überbeansprucht
wird und die Leistungsquelle Kraftstoff nicht effizient verwendet.
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Das
offenbarte Aktuatorsteuerungssystem zielt darauf ab, eines oder
mehrere der vorher dargelegten Probleme zu lösen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Aktuatorsteuerungssystem.
Das Aktuatorsteuerungssystem kann eine Pumpe und mindestens einen
Aktuator enthalten. Das Aktuatorsteuerungssystem kann ferner ein
Aktuatorventil enthalten, das zum Steuern des mindestens einen Aktuators
ausgebildet ist. Das Aktuatorsteuerungssystem kann ferner einen
Pumpendrucksensor, der zum Ermitteln eines Pumpendruckwerts ausgebildet
ist, und einen Lastdrucksensor enthalten, der zum Ermitteln eines
Lastdruckwerts ausgebildet ist. Das Aktuatorsteuerungssystem kann
zusätzlich eine Steuerung enthalten, die zum Empfangen
des Pumpendruckwerts und des Lastdruckwerts ausgebildet ist. Die Steuerung
kann ferner zum Vergleichen des Pumpendruckwerts und des Lastdruckwerts
und zum selektiven Implementieren einer primären Steuerungsstrategie
und einer sekundären Steuerungsstrategie basierend auf
dem Vergleich ausgebildet sein.
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Gemäß einem
anderen Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren
zum Steuern eines Aktuators. Das Verfahren kann das Erfassen eines
Pumpendruckwerts und das Erfassen eines Lastdruckwerts beinhalten.
Das Verfahren kann ferner das Vergleichen des Pumpendruckwerts und
des Lastdruckwerts beinhalten. Das Verfahren kann ebenfalls das
selektive Verwenden einer primären Steuerungsstrategie
und einer sekundären Steuerungsstrategie basierend auf
dem Vergleich beinhalten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung einer beispielhaften offenbarten Maschine
in Seitenansicht,
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2 ist
eine schematische Darstellung eines beispielhaften offenbarten Hydrauliksteuerungssystems
zur Verwendung mit der Maschine aus 1, und
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3 ist
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben des Hydrauliksteuerungssystems aus 2 darstellt.
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Detaillierte Beschreibung
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1 stellt
eine beispielhafte Maschine 10 dar. Die Maschine 10 kann
eine feste oder eine mobile Maschine sein, die einen Betrieb durchführt,
der mit einem Industriezweig wie dem Bergbau, dem Baugewerbe, der
Landwirtschaft, dem Transportwesen oder einem anderen bekannten
Industriezweig in Verbindung steht. Beispielsweise kann die Maschine 10 eine
Erdbewegungsmaschine wie ein Bagger, eine Planierraupe, ein Lader,
ein Löffelbagger, ein Grader, ein Muldenkipper oder eine
andere Erdbewegungsmaschine sein. Die Maschine 10 kann
einen Rahmen 12, mindestens ein Arbeitswerkzeug 14, eine
Bedienerstation 16, eine Leistungsquelle 18 und mindestens
eine Traktionsvorrichtung 20 enthalten. Die Leistungsquelle 18 kann
die Bewegung der Traktionsvorrichtung 20 und des Arbeitswerkzeugs 14 ansprechend
auf von der Bedienerstation 16 empfangene Anweisungen antreiben.
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Der
Rahmen 12 kann eine beliebige strukturelle Einheit enthalten,
die die Bewegung der Maschine 10 und/oder des Arbeitswerkzeugs 14 unterstützt. Der
Rahmen 12 kann beispielsweise ein stationärer Basisrahmen,
der die Leistungsquelle 18 mit der Traktionsvorrichtung 20 verbindet,
ein bewegbares Rahmenbauteil eines Gelenksystems oder ein anderer
bekannter Rahmen sein.
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Das
Arbeitswerkzeug 14 kann eine beliebige Vorrichtung enthalten,
die zur Durchführung einer Aufgabe verwendet wird. Beispielsweise
kann das Arbeitswerkzeug 14 eine Baggerschaufel, einen
Gabelarm, einen Baggerlöffel, einen Ripper, eine Kippmulde,
einen Hammer, einen Bohrer oder eine andere, zum Durchführen
einer Aufgabe geeignete Vorrichtung enthalten. Das Arbeitswerkzeug 14 kann dazu
ausgebildet sein, sich zu drehen, zu rotieren, sich zu verschieben,
zu schwenken oder sich auf eine andere bekannte Weise relativ zu
dem Rahmen 12 zu bewegen.
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Die
Bedienerstation 16 kann auf der Maschine 10 angeordnet
sein und eine Bedienerschnittstellenvorrichtung 22 enthalten.
Die Bedienerschnittstellenvorrichtung 22 kann zum Empfangen
einer Eingabe von einem Maschinenbediener ausgebildet sein, die
eine gewünschte Maschinenbewegung angibt. Alternativ könnte
die Eingabe auch eine computergenerierte Anweisung von einem automatisierten
System, das den Bediener unterstützt, oder von einem autonomen
System sein, das den Bediener ersetzt. Die Bedienerschnittstellenvorrichtung 22 kann
einen Mehrachsenjoystick enthalten und eine Proportionalsteuerung
sein, die zum Positionieren und/oder Ausrichten des Arbeitswerkzeugs 14 ausgebildet
ist, wobei eine Bewegungsgeschwindigkeit des Arbeitswerkzeugs 14 mit
einer Betätigungsposition der Bedienerschnittstellenvorrichtung 22 um
eine Betätigungsachse in Beziehung steht. In der Bedienerschnittstellenstation 16 können
auch zusätzliche und/oder unterschiedliche Bedienerschnittstellenvorrichtungen
enthalten sein, beispielsweise Räder, Regler, Zugvorrichtungen,
Schalter und andere bekannte Bedienerschnittstellenvorrichtungen.
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Die
Leistungsquelle 18 kann ein Motor wie beispielsweise ein
Dieselmotor, ein Benzinmotor, ein Erdgasmotor oder ein anderer bekannter
Motor sein. Alternativ kann die Leistungsquelle 18 auch
eine andere Leistungsquelle wie eine Brennstoffzelle, eine Energiespeichervorrichtung
und ein Elektromotor oder eine andere bekannte Leistungsquelle sein.
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Die
Traktionsvorrichtung 20 kann Ketten enthalten, die auf
jeder Seite der Maschine 10 angeordnet sind (lediglich
eine Seite ist gezeigt). Alternativ kann die Traktionsvorrichtung 20 Räder,
Riemen oder andere Traktionsvorrichtungen enthalten. Die Traktionsvorrichtung 20 kann
lenkbar sein oder auch nicht.
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Wie
in 2 dargestellt, kann die Maschine 10 ein
Hydrauliksystem 24 mit einer Mehrzahl von Fluidbauteilen
enthalten, die zum Bewegen des Arbeitswerkzeugs 14 (siehe 1)
und/oder zum Antreiben der Maschine 10 zusammenwirken.
Genauer kann das Hydrauliksystem 24 einen Tank 28,
der eine Fluidzufuhr enthält, eine Pumpe 30, die
zum Beaufschlagen des Fluids mit Druck und zum Leiten des druckbeaufschlagten
Fluids zu einem oder mehreren Hydraulikzylindern 36A–C
(in 2 sind lediglich die Zylinder 36A und 36B gezeigt)
ausgebildet ist, einen oder mehrere Fluidmotoren (nicht gezeigt)
und/oder einen anderen zusätzlichen bekannten Fluidaktuator enthalten.
Das Hydrauliksystem 24 kann ebenfalls ein Steuerungssystem 26 enthalten,
das mit den Fluidbauteilen des Hydrauliksystems 24 in Verbindung steht.
Das Hydrauliksystem 24 kann auch zusätzliche und/oder
unterschiedliche Bauteile wie beispielsweise Druckspeicher, Drosselöffnungen,
Druckentlastungsventile, Ausgleichsventile, Druckausgleichsdurchgänge
und andere bekannte Bauteile enthalten.
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Der
Tank 28 kann ein Reservoir bilden, das zum Aufnehmen einer
Fluidzufuhr ausgebildet ist. Das Fluid kann beispielsweise ein spezielles
Hydrauliköl, ein Motorschmieröl, ein Getriebeschmieröl
oder ein anderes bekanntes Fluid enthalten. Eines oder mehrere Hydrauliksysteme
auf der Maschine 10 können Fluid aus dem Tank 28 ansaugen
und das Fluid zu dem Tank 28 zurückleiten. Das
Hydrauliksystem 24 kann auch mit mehreren separaten Fluidtanks
verbunden sein.
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Die
Pumpe 30 kann zum Erzeugen eines druckbeaufschlagten Fluidstroms
ausgebildet sein und kann beispielsweise eine Pumpe mit variabler Verdrängung,
eine Pumpe mit fester Verdrängung oder eine Pumpe mit variabler
Fördermenge enthalten. Die Pumpe 30 kann beispielsweise über
eine Gegenwelle 34, einen (nicht gezeigten) Riemen, eine (nicht
gezeigte) elektrische Schaltung oder auf eine andere geeignete Weise
antreibbar mit der Leistungsquelle 18 der Maschine 10 verbunden
sein. Alternativ kann die Pumpe 30 über einen
Drehmomentwandler, ein Getriebe oder auf eine andere geeignete Weise
indirekt mit der Leistungsquelle 18 verbunden sein. Die
Pumpe 30 kann eine Verdrängung und/oder eine Fördermenge
eines Hydraulikfluids variieren. Beispielsweise kann eine Pumpe
mit variabler Verdrängung eine (nicht gezeigte) einstellbare
Taumelscheibe enthalten, die basierend auf Bedienereingabesignalen
von der Bedienereingabevorrichtung 22 und/oder Maschineneingabesignalen
von verschiedenen (nicht gezeigten) Maschinensensoren zum Ermöglichen
einer variablen Steuerung einer Pumpenausgangsleistung elektronisch
gesteuert werden kann. Zum Zuführen von druckbeaufschlagtem
Fluid zu dem Hydrauliksystem 24 können auch mehrere Pumpen
miteinander verbunden sein.
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Eine
von der Pumpe 30 zur Verfügung stehende Strömungsrate
kann durch Erfassen eines Winkels einer Taumelscheibe in der Pumpe 30 oder durch Überwachen
einer tatsächlich zu der Pumpe 30 gesendeten Anweisung
ermittelt werden. Die von der Pumpe 30 zur Verfügung
gestellte Strömungsrate kann alternativ auch durch eine
Sensorvorrichtung ermittelt werden, die zum Messen einer tatsächlichen Strömungsausgabe
der Pumpe 30 ausgebildet sein kann. Eine von der Pumpe 30 zur
Verfügung stehende Strömungsrate kann aus verschiedenen
Gründen verringert oder erhöht werden, beispielsweise
um sicherzustellen, dass bei hohen Pumpendrücken eine angeforderte
Pumpenleistung eine (von der Leistungsquelle 18) verfügbare
Eingangsleistung nicht überschreitet oder um Drücke
in dem Hydrauliksystem 24 zu variieren.
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Die
Hydraulikzylinder 36A–C können das Arbeitswerkzeug 14 über
ein direktes Drehgelenk, über ein Gelenksystem, bei dem
jeder der Hydraulikzylinder 36A–C jeweils ein
Bauteil des Gelenksystems bildet, oder auf eine andere geeignete
Weise mit dem Rahmen 12 verbinden (siehe 1).
Jeder der Hydraulikzylinder 36A–C kann ein Rohr 38 und
eine in dem Rohr 38 angeordnete Kolbenanordnung 40 enthalten.
Entweder das Rohr 38 oder die Kolbenanordnung 40 kann
schwenkbar mit dem Rahmen 12 verbunden sein, während
das/die andere von beiden schwenkbar mit dem Arbeitswerkzeug 14 verbunden sein
kann. Das Rohr 38 und/oder die Kolbenanordnung 40 können/kann
alternativ auch fest mit entweder dem Rahmen 12 oder dem
Arbeitswerkzeug 14 verbunden sein oder zwischen zwei oder
mehr Bauteilen des Rahmens 12 verbunden sein. Jeder der Hydraulikzylinder 36A–C
kann eine erste Kammer 42 und eine zweite Kammer 44 enthalten,
die durch die Kolbenanordnung 40 getrennt sind. Der ersten
und der zweiten Kammer 42, 44 kann selektiv druckbeaufschlagtes
Fluid zugeführt werden, und das druckbeaufschlagte Fluid
kann aus denselben abgelassen werden, so dass bewirkt wird, dass
sich die Kolbenanordnung 40 in dem Rohr 38 verschiebt,
wodurch sich die effektive Länge der Hydraulikzylinder 36A–C ändert.
Das Ausfahren und Einfahren der Hydraulikzylinder 36A–C
kann zur Unterstützung der Bewegung des Arbeitswerkzeugs 14 dienen.
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Die
Kolbenanordnung 40 kann einen Kolben 41, der axial
mit dem Rohr 38 ausgerichtet ist und in demselben angeordnet
ist, und eine Kolbenstange 43 enthalten, die mit entweder
dem Rahmen 12 oder dem Arbeitswerkzeug 14 verbindbar
ist (siehe 1). Der Kolben 41 kann
zwei gegenüberliegende Hydraulikflächen enthalten,
wobei jeweils eine der ersten Kammer 42 und der zweiten
Kammer 44 zugeordnet ist. Ein Kräfteungleichgewicht
an der Kolbenanordnung 40 kann bewirken, dass sich die
Kolbenanordnung 40 in dem Rohr 38 axial bewegt.
Beispielsweise kann eine Kraft, die daraus resultiert, dass ein Fluiddruck
in der ersten Hydraulikkammer 42, der auf eine erste Hydraulikfläche
wirkt, größer als eine Kraft ist, die daraus resultiert,
dass der Fluiddruck in der zweiten Hydraulikkammer 44 auf
eine zweite, gegenüberliegende Hydraulikfläche
wirkt, bewirken, dass sich die Kolbenanordnung 40 verschiebt,
so dass die effektive Länge der Hydraulikzylinder 36A–C
zunimmt. Auf ähnliche Weise kann sich die Kolbenanordnung 40 in
das Rohr 38 zurückziehen, wenn die resultierende
zweite Kraft größer als die resultierende erste
Kraft ist, so dass die effektive Länge der Hydraulikzylinder 36A–C
abnimmt.
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Jeder
der Hydraulikzylinder 36A–C kann mindestens ein
Proportionalsteuerungsventil 46, das dazu dient, druckbeaufschlagtes
Fluid von der Pumpe 30 in eine der ersten oder der zweiten
Hydraulikkammer 42, 44 zu leiten, und mindestens
ein (nicht gezeigtes) Ablaufventil enthalten, das dazu dient, zu ermöglichen,
dass Fluid aus der anderen der ersten oder der zweiten Hydraulikkammer 42, 44 zu
dem Tank 28 ablaufen kann. Das Proportionalsteuerungsventil 46 kann
einen mit einer Feder vorgespannten Proportionalventilmechanismus
enthalten, der solenoidbetätigt wird und dazu ausgebildet
ist, sich zwischen einer ersten Position, in der Fluid ermöglicht wird,
in entweder die erste oder die zweite Kammer 42, 44 zu
strömen, und einer zweiten Position zu verschieben, in
der Fluid daran gehindert wird, in die erste und die zweite Kammer 42, 44 zu
gelangen. Die Anordnung des Ventilmechanismus zwischen der ersten
und der zweiten Position kann eine Strömungsrate des druckbeaufschlagten
Fluids festlegen, das in die zugehörige erste und zweite
Kammer 42, 44 ein- bzw. daraus abgeleitet wird.
Der Ventilmechanismus kann ansprechend auf eine angeforderte Strömungsrate,
die eine gewünschte Bewegung des Arbeitswerkzeugs 14 erzeugt,
zwischen der ersten und der zweiten Position bewegbar sein. Das
Ablaufventil kann einen mit einer Feder vorgespannten Ventilmechanismus
enthalten, der solenoidbetätigt wird und dazu ausgebildet
ist, sich zwischen einer ersten Position, in der Fluid ermöglicht
wird, aus der ersten und der zweiten Kammer 42, 44 zu
strömen, und einer zweiten Position zu verschieben, in
der Fluid daran gehindert wird, aus der ersten und der zweiten Kammer 42, 44 zu
strömen. Alternativ können das Proportionalsteuerungsventil 46 und
das Ablaufventil auch hydraulisch betätigt, mechanisch
betätigt, pneumatisch betätigt oder auf eine andere
geeignete Weise betätigt werden.
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Die
Pumpe 30 kann über eine Hydraulikleitung 48 mit
den Proportionalsteuerungsventilen 46 in Fluidverbindung
stehen. Zusätzlich kann jedes Proportionalsteuerungsventil 46 über
eine Hydraulikleitung 50 mit den Hydraulikzylindern 36A–C
in Verbindung stehen.
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Das
Hydrauliksystem 24 kann ferner ein Druckausgleichsventil 52 und
ein Rückschlagventil 54 enthalten, die jedem der
Hydraulikzylinder 36A–C zugeordnet sind. Das Druckausgleichsventil 52 und das
Rückschlagventil 54 können auch dazu
dienen, den Lastdruck zwischen Aktuatoren auszugleichen und eine
Lastverteilung zu unterstützen. Genauer können
alle Druckausgleichsventile 52 miteinander verbunden sein
und mit dem gleichen Druckunterschied arbeiten. Daher kann über
die Druckkompensatoren 54 der maximale Lastdruck eines
beliebigen Aktuators an alle Aktuatoren angelegt werden. Auf diese
Weise kann die Geschwindigkeit aller Hydraulikzylinder A–C
im Wesentlichen gleichmäßig verringert werden,
wenn die Ausgangsleistung der Pumpe nicht dazu ausreicht, die Anforderungen
eines der Hydraulikzylinder 36A–C zu erfüllen.
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Ferner
kann das Hydrauliksystem 24 eine Lasterfassungsvorrichtung 70 enthalten,
beispielsweise ein Wechselventil zum Erfassen des maximalen Fluiddrucks
der Zylinder 36A–C. Alternativ kann die Lasterfassungsvorrichtung 70 ein
beliebiger bekannter Mechanismus zum Identifizieren eines maximalen
Lastdrucks einer Mehrzahl von Verbrauchern sein.
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Das
Steuerungssystem 26 kann eine Steuerung 56 enthalten.
Die Steuerung 56 kann als ein einzelner Mikroprozessor
oder als mehrere Mikroprozessoren ausgeführt sein, die
ein Mittel zum Steuern eines Betriebs des Hydrauliksystems 24 enthalten. Zahlreiche
kommerziell verfügbare Mikroprozessoren können
dazu ausgebildet sein, die Funktionen der Steuerung 56 auszuführen.
Es ist offensichtlich, dass die Steuerung 56 ohne Weiteres
als ein allgemeiner Mikroprozessor einer Maschine ausgeführt sein
könnte, der dazu in der Lage ist, zahlreiche Maschinenfunktionen
zu steuern. Die Steuerung 56 kann einen Speicher, eine
Sekundärspeichervorrichtung, einen Prozessor und andere
Bauteile zum Laufenlassen einer Anwendung enthalten. Verschiedene andere
Schaltungen können der Steuerung 56 zugeordnet
sein, beispielsweise eine Leistungsversorgungsschaltung, eine Signalverarbeitungsschaltung, eine
Solenoidansteuerungsschaltung und andere Arten von Schaltungen.
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Die
Steuerung 56 kann zum Empfangen einer Eingabe von der Bedienerschnittstellenvorrichtung 22 und
zum Steuern der Strömungsrate von druckbeaufschlagtem Fluid
zu den Hydraulikzylindern 36A–C ansprechend auf
die Eingabe ausgebildet sein. Genauer kann die Steuerung 56 mit
jedem Proportionalsteuerungsventil 46 der Hydraulikzylinder 36A–C über
eine Kommunikationsleitung 58 und mit der Bedienerschnittstellenvorrichtung 22 über eine
Kommunikationsleitung 60 verbunden sein. Die Steuerung 56 kann
die von der Bedienerschnittstellenvorrichtung 22 erzeugten
Proportionalsignale empfangen und zum Erzeugen der gewünschten
Arbeitswerkzeugbewegung selektiv eines oder mehrere der Proportionalsteuerungsventile 46 zum
selektiven Füllen der ersten oder der zweiten Betätigungskammern,
die den Hydraulikzylindern 36A–C zugeordnet sind,
betätigen.
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Die
Steuerung 56 kann über eine Kommunikationsleitung 62 mit
einer Pumpensteuerungsvorrichtung 32 in Verbindung stehen
und dazu ausgebildet sein, den Betrieb der Pumpe 30 ansprechend
auf eine Anforderung von druckbeaufschlagtem Fluid zu ändern.
Genauer kann die Steuerung 56 dazu ausgebildet sein, eine
Strömungsrate von druckbeaufschlagtem Fluid zu ermitteln,
die dazu erforderlich ist, Maschinenbewegungen zu erzeugen, die
von einem Maschinenbediener gewünscht werden (gesamte gewünschte Strömungsrate)
und über die Bedienerschnittstellenvorrichtung 22 angegeben
werden. Es kann auch ein (nicht gezeigtes) Strömungskennfeld in
einem Speicher der Steuerung 56 gespeichert sein und für
die Steuerung 56 Anweisungen zum Ermitteln einer erforderlichen
Pumpenströmungsrate bereitstellen. Das Strömungskennfeld
kann basierend auf Bedienereingabesignalen und verschiedenen Maschineneingabesignalen
für die Steuerung 56 eine erforderliche Pumpenströmungsrate
bereitstellen, die dazu notwendig ist, die von dem Bediener gewünschte
Maschinenbewegung zu ermöglichen. Die Bedienereingabe kann
Signale von der Bedienereingabevorrichtung 22 enthalten.
Die Maschineneingabe kann Signale von (nicht gezeigten) Positionsdetektoren
enthalten, die den Steuerventilen 46 zugeordnet sind und
eine Steuerventilposition angeben. Ferner können die Maschineneingaben
Signale von anderen Maschinensystemen enthalten, die Begrenzungen
der Pumpe 30 angeben. Beispielsweise kann ein anderes Maschinensignal
ein Signal enthalten, das die Menge an für die Pumpe 30 verfügbarem Drehmoment
angibt. Insbesondere kann ein (nicht gezeigter) Drehmomentsensor
ein Signal zu der Steuerung 56 übertragen, das
ein begrenztes Leistungsquellendrehmoment angibt, das für
die Pumpe 30 verfügbar ist. Nach dem Empfang aller
Bediener- und Maschineneingaben kann die Steuerung 56 basierend
auf den Eingabesignalen das Strömungskennfeld zum Senden
einer Anweisung der erforderlichen Pumpenströmungsrate
zu der Pumpensteuerungsvorrichtung 32 anwenden. Ferner
kann die Pumpensteuerungsvorrichtung 32 durch die Steuerung 56 elektronisch
gesteuert werden.
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Das
Steuerungssystem 26 kann zwei Drucksensoren enthalten,
einen Pumpendrucksensor 64 und einen Lastdrucksensor 66.
Der Pumpendrucksensor 64 kann sich zum Überwachen
des Drucks des Fluids, das aus der Pumpe 30 austritt, in
der Nähe der Pumpe 30 angeordnet sein. Ferner
kann der Pumpendrucksensor 64 zum Übertragen von Pumpendruckdaten
zu der Steuerung 56 über die Kommunikationsleitung 68 mit
der Steuerung 56 in Verbindung stehen. Der Lastdrucksensor 66 kann über
die Hydraulikleitung 72 mit der Lasterfassungsvorrichtung 70 in
Fluidverbindung stehen, wodurch die Lasterfassungsvorrichtung 70 den
Durchgang von Hydraulikfluid mit einem Druck erlauben kann, der
gleich dem Maximum der Hydraulikzylinder 36A–C
ist. Ferner kann der Lastdrucksensor 66 zum Übertragen
der Maximallastdruckdaten zu der Steuerung 56 über
die Kommunikationsleitung 74 mit der Steuerung 56 in
Verbindung stehen. Alternativ kann das Steuerungssystem 26 anstelle
von oder zusätzlich zu dem Pumpendrucksensor 64 und
dem Lastdrucksensor 66 einen (nicht gezeigten) Differenzdrucksensor
enthalten.
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Wie
von der Steuerung 56 bestimmt, kann eine Funktion des Unterschieds
zwischen einem gemessenen Pumpendruckwert und einem gemessenen Lastdruckwert
als ein Differenzdruckwert festgelegt werden. Daher kann der Differenzdruck
als ein Maß für den erhöhten Fluiddruck
dienen, der von der Pumpe erzeugt wird, um sicherzustellen, dass
den Aktuatoren ein ausreichender Fluiddruck zur Verfügung
steht. Es kann wünschenswert sein, einen Differenzbereichswert
einzustellen, der einen unteren Bereichsgrenzwert (z. B. 500 KPa)
und einen oberen Bereichsgrenzwert (z. B. 2000 KPa) enthält.
Wenn der Differenzdruckwert unter den unteren Bereichsgrenzwert
fällt, kann der Betrieb des Steuerungssystems 26 weniger
stabil und weniger zuverlässig werden. Wenn der Differenzdruck
den oberen Bereichsgrenzwert überschreitet, kann der Betrieb
des Steuerungssystems 26 ineffizient werden. Das Steuerungssystem 26 kann
auch eine primäre Steuerungsstrategie verwenden, die pumpenreguliert
ist, wenn sich der Grenzdruckwert zwischen dem unteren und dem oberen
Bereichsgrenzwert befindet. Ferner kann das Steuerungssystem 26 auch
eine sekundäre Steuerungsstrategie verwenden, die ventilreguliert ist,
wenn sich der Differenzdruck nicht zwischen dem unteren und dem
oberen Bereichsgrenzwert befindet. Mit anderen Worten, die primäre
Steuerungsstrategie kann unter normalen Betriebsbedingungen verwendet
werden, wenn ein Druckunterschied zwischen einem Pumpendruck und
einem maximalen Lastdruck innerhalb eines voreingestellten Differenzbereichs
liegt. Im Gegensatz dazu kann selektiv eine sekundäre Steuerungsstrategie
verwendet werden, wenn sich der Druckunterschied zwischen dem Pumpendruck
und dem maximalen Lastdruck außerhalb des voreingestellten
Differenzbereichs befindet.
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3 zeigt
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern des Hydrauliksystems 24 unter Verwendung
der primären und der sekundären Steuerungsstrategie
darstellt. 3 wird im folgenden Abschnitt
im Detail erörtert.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Das
offenbarte Steuerungssystem kann bei jeder Maschine verwendet werden,
bei der eine stabile, zuverlässige und effiziente Hydraulikdrucksteuerung
von Bedeutung ist. Das offenbarte Steuerungssystem kann ein Hydraulikfluid über
eine primäre Steuerungsstrategie, die eine Pumpensteuerung
verwendet, und eine sekundäre Steuerungsstrategie regulieren,
die eine Ventilsteuerung verwendet. Wenn ein Druckunterschied zwischen
einem Pumpendruck und einem maximalen Lastdruck außerhalb
eines voreingestellten Differenzbereichs liegt, kann die sekundäre
Steuerungsstrategie ein Aktuatorsteuerungssystem verwenden, das
die Druckdifferenz auf innerhalb des voreingestellten Differenzbereichs
verringern kann. Der Betrieb des Hydrauliksteuerungssystems 26 wird
im Folgenden beschrieben.
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Bezug
nehmend auf 3, kann das Steuerungssystem 26 bei
einem Starten der Maschine mit der Regulierung des Hydrauliksystems 24 beginnen. Bei
einem Start kann die primäre Steuerungsstrategie verwendet
werden, die eine Pumpensteuerung verwendet (Schritt 76).
Daher kann die Steuerung 56 nach einem Empfangen der Eingabesignale
zum Ermitteln der erforderlichen Pumpenströmungsrate basierend
auf der Bedienereingabevorrichtung 22 auf das gespeicherte
Strömungskennfeld zugreifen.
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Unter
bestimmten Bedingungen kann jedoch die primäre Steuerungsstrategie
nicht dazu ausreichen, Systemanforderungen zu erfüllen,
und eine sekundäre Steuerungsstrategie kann erforderlich
sein. Beispielsweise kann dann, wenn ein Differenzdruck außerhalb
des voreingestellten Differenzbereichs (engl.: preset margin range,
PMR) liegt, zum Erfüllen der Aktuatordruckanforderungen
eine sekundäre Steuerungsstrategie mit besserem Ansprechverhalten
erforderlich sein. Ansonsten ist das Hydrauliksystem 24 möglicherweise
nicht effizient, wenn der Differenzdruck oberhalb des voreingestellten
Differenzbereichs liegt, und stellt möglicherweise keine
ausreichende Strömungsverteilung zwischen den Lasten bereit,
wenn sich der Differenzdruck unterhalb des voreingestellten Differenzbereichs
befindet.
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Zur
Bestimmung, wann möglicherweise die sekundäre
Steuerungsstrategie erforderlich ist, können von der Steuerung 56 verschiedene
Systemeingaben empfangen werden. Beispielsweise kann der Pumpendruckwert
(engl.: pump pressure value, PPV) von dem Pumpendrucksensor 64 empfangen werden,
und der maximale Lastdruckwert (engl.: load pressure value, LPV)
kann von dem Lastdrucksensor 66 empfangen werden. Der Pumpendrucksensor 64 und
der Lastdrucksensor 66 können den Pumpen- und
den maximalen Lastdruckwert jeweils über die Kommunikationsleitungen 68 und 74 zu
der Steuerung 56 übertragen (Schritt 78).
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Die
Steuerung 56 kann den Differenzdruckwert (engl.: margin
pressure value, MPV) als eine Funktion der Differenz zwischen dem
maximalen Lastdruckwert und dem Pumpendruckwert berechnen und den
Differenzdruckwert mit dem voreingestellten Differenzbereich vergleichen
(Schritt 80). Der voreingestellte Differenzbereich kann
als ein Druckbereich festgelegt sein, der Grenzwerte oberhalb und unterhalb
eines voreingestellten Zieldifferenzwerts enthält. Ein
voreingestellter Differenzbereich kann einen voreingestellten Zieldifferenzwert,
eine obere Bereichsgrenze und eine untere Bereichsgrenze enthalten.
Die obere und die untere Bereichsgrenze können basierend
auf einem vorbestimmten Bereich um den voreingestellten Zieldifferenzwert
ausgewählt werden. Beispielsweise kann ein voreingestellter
Differenzbereich einen voreingestellten Zieldifferenzwert von 1250
KPa, einen oberen Grenzwert von 2000 KPa und einen unteren Grenzwert
von 500 KPa enthalten, wobei der vorbestimmte Bereich aus dem voreingestellten
Zielgrenzwert 750 KPa sein kann. Der voreingestellte Zielgrenzwert
und der vorbestimmte Bereich um den voreingestellten Zielgrenzwert
können für ein gegebenes Hydrauliksystem zum Optimieren
der Systemleistung je nach Bedarf eingestellt werden. Basierend
auf dem Vergleich kann die Steuerung 56 bestimmen, ob der
Differenzdruckwert zwischen der unteren und der oberen Bereichsgrenze
des voreingestellten Differenzbereichs liegt (Schritt 82).
Beispielsweise befindet sich dann, wenn der voreingestellte Differenzbereich
eine untere Bereichsgrenze von 500 KPa und eine obere Bereichsgrenze
von 2000 KPa enthält, ein Differenzdruckwert von 1100 KPa
innerhalb des voreingestellten Differenzbereichs. In dieser Situation,
wenn sich der Differenzdruckwert innerhalb des voreingestellten
Bereichs befindet, kann die Steuerung 56 ermitteln, ob aktuell
die sekundäre Steuerungsstrategie verwendet wird (Schritt 86).
Wenn aktuell die sekundäre Steuerungsstrategie verwendet
wird, dann kann die Steuerung 56 die sekundäre
Steuerungsstrategie stoppen (d. h. zu der primären Steuerungsstrategie zurückkehren),
da sie möglicherweise nicht mehr benötigt wird
(Schritt 88). Alternativ kann es, wenn sich der Differenzdruckwert
innerhalb des voreingestellten Differenzbereichs befindet, wünschenswert
sein, die sekundäre Steuerungsstrategie, die aktuell verwendet
wird, beizubehalten, anstatt die sekundäre Steuerungsstrategie
zu stoppen, damit sichergestellt wird, dass der Differenzdruckwert
innerhalb des voreingestellten Differenzbereichs bleibt. Nachdem
die Steuerung 56 die sekundäre Steuerungsstrategie aufgehoben
hat oder festgestellt hat, dass die sekundäre Steuerungsstrategie
aktuell nicht verwendet wird, kann dann die Steuerung 56 zum
Bestimmen, ob die sekundäre Steuerungsstrategie als Antwort auf Änderungen
von Steuerungssystemeingaben erforderlich ist, die Schritte 78–82 kontinuierlich
wiederholen.
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Wenn
jedoch der voreingestellte Differenzbereich eine untere Bereichsgrenze
von 500 KPa und eine obere Bereichsgrenze von 2000 KPa enthält, dann
kann ein Differenzdruckwert, der als 300 KPa ermittelt wird, außerhalb
des voreingestellten Differenzbereichs liegen, und die Steuerung 56 kann
die sekundäre Steuerungsstrategie implementieren (Schritt 84).
Genauer kann die Steuerung 56 bestimmen, ob der Differenzdruckwert
oberhalb oder unterhalb des voreingestellten Differenzbereichs liegt (Schritt 90).
In dieser Situation liegt ein Differenzdruckwert von 300 KPa unterhalb
der unteren Bereichsgrenze von 500 KPa, und es kann wünschenswert
sein, den Differenzdruck zu erhöhen, um sicherzustellen,
dass das System die Strömungsverteilung zwischen den Lasten
sicherstellen und aufrechterhalten kann. Zum Erhöhen des
Differenzdrucks kann die Steuerung 56 die Steuerventile 46 anweisen,
sich hin zu einer geschlossenen Position zu bewegen (Schritt 92).
Zusätzlich kann es, wenn der Differenzdruck oberhalb der
oberen Bereichsgrenze liegt, wünschenswert sein, den Differenzdruck
zu verringern, damit ein Wirkungsgrad des Systems erhöht
wird. Zum Verringern des Differenzdrucks kann die Steuerung 56 die
Steuerventile 46 anweisen, sich hin zu einer offenen Position
zu bewegen (Schritt 94). Nachdem die sekundäre
Steuerungsstrategie implementiert worden ist, kann die Steuerung 56 zum
Ermitteln, ob die sekundäre Steuerungsstrategie weiterhin
als Antwort auf Änderungen der Steuerungssystemeingaben
erforderlich ist, die Schritte 78–82 kontinuierlich
wiederholen.
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Die
Steuerung 56 kann die Steuerventile 46 anweisen,
sich proportional zu dem Maß, in dem der Differenzdruckwert
außerhalb des voreingestellten Differenzbereichs liegt,
zu öffnen oder zu schließen. Beispielsweise kann
die Steuerung dann, wenn der Differenzdruckwert lediglich 50 KPa über
dem oberen Grenzwert des voreingestellten Differenzbereichs liegt, die
Ventile 46 zum Verringern des Differenzdrucks in geringem
Maße öffnen. Im Gegensatz dazu kann die Steuerung
dann, wenn der Differenzdruckwert 600 KPa über dem oberen
Grenzwert des voreingestellten Differenzbereichs liegt, die Ventile 46 zum
rascheren Verringern des Differenzdrucks in hohem Maße öffnen.
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Während
des normalen Betriebs, wenn der Differenzdruckwert innerhalb des
voreingestellten Differenzbereichs bleibt, kann die Pumpensteuerung über
die primäre Steuerungsstrategie dazu ausreichen, eine zuverlässige,
stabile und effiziente Hydrauliksystemsteuerung aufrecht zu erhalten.
Eine Abweichung von dem normalen Betrieb kann auftreten, wenn Systemstörungen
wie Reibung oder andere Wirkungsgradverluste bewirken, dass das
Strömungskennfeld eine nicht ordnungsgemäße Übereinstimmung
zwischen der Ausgangsleistung der Pumpe und einer gegebenen Steuerventilposition feststellt.
In dieser Situation können die Steuerventile 46 unabhängig
von der Pumpe 30 zum Einstellen des Differenzdrucks gesteuert
werden. Die primäre Steuerungsstrategie kann auch kontinuierlich
während des Betriebs des Systems verwendet werden. Daher kann
es bevorzugt sein, dass die sekundäre Steuerungsstrategie
parallel zu der primären Steuerungsstrategie verwendet
wird. Daher können die primäre Steuerungsstrategie
und die sekundäre Steuerungsstrategie unabhängig
voneinander implementiert werden. Beispielsweise kann, selbst wenn
der Differenzdruckwert außerhalb des voreingestellten Differenzbereichs
liegt, zur gleichen Zeit die Pumpensteuerung gemäß dem
Strömungskennfeld basierend auf Bediener- und Systemeingaben
verwendet werden.
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Die
Verwendung unabhängig voneinander gesteuerter Pumpen- und
Aktuatorsteuerungsstrategien kann eine zuverlässige, stabile
und wirksame Hydrauliksystemsteuerung bereitstellen. Insbesondere
kann die Aktuataorsteuerung die Wirksamkeit der Hydrauliksystemsteuerung
durch Verringern des Differenzdrucks, der zum Sicherstellen eines
ausreichenden Betriebs einer Mehrzahl von Aktuatoren notwendig ist,
verbessern. Somit kann zusätzlich zu einem Bereitstellen
einer zusätzlichen Zuverlässigkeit und Stabilität,
die bei dualen Steuerungsstrategien verfügbar ist, auch
bei einer Aktuatorsteuerung, die eine höhere Ansprechempfindlichkeit
als eine normale Pumpensteuerung aufweist, ein verbesserter Wirkungsgrad
zur Verfügung gestellt werden.
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Für
Fachleute ist offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und
Variationen an dem offenbarten Steuerungssystem vorgenommen werden können,
ohne den Schutzbereich der Offenbarung zu verlassen. Weitere Ausführungsformen
des Steuerungssystems werden für Fachleute bei einer Betrachtung
der Beschreibung und einer Ausübung des hierin offenbarten
Steuerungssystems offensichtlich werden. Die Beschreibung und die
Beispiele sollen lediglich als exemplarisch betrachtet werden, wobei der
wahre Schutzbereich der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche
und deren Äquivalente festgelegt wird.
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Zusammenfassung
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AKTUATORSTEUERUNGSSYSTEM MIT
ADAPTIVER STRÖMUNGSSTEUERUNG
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Es
ist ein Aktuatorsteuerungssystem (26) offenbart. Das Aktuatorsteuerungssystem
kann eine Pumpe (30) und mindestens einen Aktuator (36A) aufweisen.
Das Aktuatorsteuerungssystem kann ferner ein Aktuatorventil (46)
aufweisen, das zum Steuern des mindestens einen Aktuators ausgebildet
ist. Das Aktuatorsteuerungssystem kann ferner einen Pumpendrucksensor
(64), der zum Ermitteln eines Pumpendruckwerts ausgebildet
ist, und einen Lastdrucksensor (66) aufweisen, der zum
Ermitteln eines Lastdruckwerts ausgebildet ist. Das Aktuatorsteuerungssystem
kann zusätzlich eine Steuerung (56) aufweisen,
die zum Empfangen des Pumpendruckwerts und des Lastdruckwerts ausgebildet
ist. Die Steuerung kann ferner zum Vergleichen des Pumpendruckwerts
und des Lastdruckwerts und zum selektiven Implementieren einer primären
Steuerungsstrategie und einer sekundären Steuerungsstrategie basierend
auf dem Vergleich ausgebildet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5129230 [0003, 0003, 0003, 0003, 0003]