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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Stellantrieb zum Durchführen der
Schwingbewegung eines Schwingarms mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 genannten Merkmalen wobei der Schwingarm insbesondere eine Last
trägt und
z. B. eine Vorwärtsbewegung
eines sogenannten Schreitfahrzeugs, wie z. B. einer Waldmaschine,
durch seine Dreh- bzw. Schwenkbewegung durchführt. Somit ist der Schwingarm
Teil eines Beins, das mit einer anderen Struktur gelenkartig verbunden
ist, wie z. B. mit einem Körper
eines Fahrzeugs, um relativ zu diesem um seine Drehachse gedreht
bzw. geschwenkt zu werden. Ein Stellantrieb, Stellglied bzw. Betätigungsvorrichtung
ist derartig angeordnet, daß sie
an beiden Seiten der Drehachse wirksam ist, um ein Drehmoment um
die Drehachse zu bewirken. Der Schwingarm stellt somit das Bein
oder dergleichen des Fahrzeugs, oder ein Teil des Beins dar. Das
Fahrzeug bewegt sieh, wenn es durch die Beine abwechselnd bzw. nacheinander
getragen wird. Der Zustand, wenn das Bein oder dergleichen das Fahrzeug
trägt, wenn
es in Kontakt mit dem Untergrund ist und das Fahrzeug relativ zu
dem Untergrund bewegt, wird im folgenden als Tragezustand bezeichnet,
und der Zustand des Überführens des
Beins in der Luft von einem Tragezustand zu einem anderen wird als Überführungszustand
bezeichnet. Im Allgemeinen werden zumindest vier Beine, vorteilhafterweise
sechs Beine verwendet; wobei jedes Bein im allgemeinen wenigstens
zwei Schwingarme aufweist, die miteinander dreh- bzw. schwenkbar
verbunden sind, wobei der obere Schwingarm drehbar bzw. schwenkbar
an dem Körper
des Fahrzeugs angebracht ist, z. B. an einem Teil angebracht ist,
das wiederum drehbar an dem Körper
angebracht ist.
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Die
US 4,109,742 offenbart ein
Hydrauliksystem zur Steuerung der Lenkung und Länge einer gelenkigen und dehnbaren
Tandemwalze, das die beiden Walzen gleichzeitig in entgegengesetzte
Richtungen schwenkt, wenn die Maschine gelenkt wird, oder in die
gleiche Richtung schwenkt, wenn die Maschine gestreckt oder gestaucht
wird. Hierfür
sind zwei Paare von jeweils zwei Zylindern vorgesehen, und bei den
Zylinderpaaren ist jeweils die Kolbenstangenkammer eines Zylinders
mit der Kolbenkammer des paarweise zugeordneten Zylinders über eine Druckleitung
in herkömmlicher
Weise verbunden.
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In
der
DE 32 45 191 A1 wird
eine hydraulische Antriebseinrichtung für eine Ruderanlage von Schiffen
mit zwischengeschaltetem Regelventil zum langsamen Aufbau des Druckes in
den Arbeitszylindern am Ruder beschrieben. Auch bei dieser Hydraulik
mit zwei Zylindern ist stets die Kolbenstangenkammer eines Zylinders
mit der Kolbenkammer des anderen Zylinders in herkömmlicher
Weise verbunden.
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Ein ähnliches
hydraulisches Steuersystem mit entsprechendem Ventil ist in der
EP 0 188 112 A1 offenbart.
Auch hier sind jeweils die Kolbenstangenkammern von zwei vorgesehenen
Zylindern mit den Kolbenkammern des jeweils anderen Zylinders über eine
Druckleitung in üblicher
Weise verbunden.
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Herkömmlicherweise
wird die Schwingbewegung des Schwingarms vorteilhafterweise mit
zwei hydraulischen Zylindern durchgeführt, die an einem Ende mit
dem Schwingarm und an dem anderen Ende mit einer Struktur verbunden
sind, in Relation zu der der Schwingarm dreh- bzw. schwenkbar angeordnet
ist. Das Paar von Zylindern hebt und senkt alternierend den Schwingarm
in Relation zu der Drehachse an seinem Ende. In Abhängigkeit
von den Stellungen des Beins werden z.B. alternierend ein Tragezustand
und Überführungszustand
des Beins mit den Bewegungen durchgeführt. Ein gutes Beispiel eines derartigen
Beins, das zwei Schwingarme haben kann, ist das finnische dokument
FI 87171 B des Anmelders.
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Es
ist offensichtlich, daß eine
relativ große Kraft
in dem Tragezustand erforderlich ist, die hohe Zylindervolumen und
insbesondere große
Kolbenwirkflächen
erfordert.
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Dementsprechend
liegt das größte Problem der
Effizienz bzw. des Wirkungsgrads des Stellantriebs darin, daß aufgrund
der großen
Wirkflächen eine
große
Volumenflußrate
des Druckmediums in dem Überführungszustand
verwendet werden muß, um
in dem Überführungszustand
hinreichend hohe Bewegungsgeschwindigkeiten aufrechtzuerhalten. Insbesondere
bei hydraulischen Systemen, bei denen die Pumpe mehrere Stellantriebe
versorgt, die unterschiedlichen Belastungszustände annehmen können bzw.
unterschiedliche Belastungssituationen ausgesetzt sein können, ist
der Zuführdruck
der Pumpe immer hinreichend hoch für die maximale Last. Das bedeutet,
daß der
Zuführdruck
der Pumpe in dem Überführungszustand
nicht genau dem für
die Last erforderlichen Druck entspricht, die Druckdifferenz in
den Steuerventilen oder dergleichen und in dem Leitungssystem verloren
geht, und die Pumpe somit mit einer unnötig hohen Eingangsleistung
verwendet werden muß.
Bei den oben genannten Fahrzeugen, die sich mittels der Schwingbewegung
des Schwingarms fortbewegen und mehrere Stelhantriebe besitzen,
die ein Druckmedium für
die Vorwärtsbewegung
erfordern, ist ein Problem weiterhin die hinreichende Größe der Pumpkapazität aufgrund
von großen
momentanen Erfordernissen des Volumenflusses. Das hydraulische System,
z.B. ein hydraulischer Fluidtank, muß gemäß diesen Spitzen des Volumenflusses
dimensioniert werden. Darüberhinaus kann
die Pumpkapazität
nicht beliebig erhöht
werden, ohne die Leistungsfähigkeit
des Antriebsmotors zu überschreiten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, gegenüber dem
Stand der Technik Verbesserungen zu schaffen und insbesondere die
oben beschriebenen Nachteile zumindest weitgehend zu vermeiden.
Für diesen Zweck
weist der erfindungsgemäße Stellantrieb
ein System auf, das das Druckmedium, das für den Betrieb der Zylinder
erforderlich ist, nicht nur parallel geschalteten Zylindern in einer
bekannten Weise zuführt,
sondern alternativ hierzu nur einem der beiden Zylinder des Stellantriebs,
insbesondere in dem Überführungszustand,
zuführt.
Somit ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung die Möglichkeit,
den Volumenfluß des
Druckmediums von der Pumpe zu begrenzen und gleichzeitig die Pumpkapazität zu schonen,
was insbesondere für
den Fall eines Schreitfahzeuges mit mehreren Stellantrieben wichtig
ist. Als natürliches
Ergebnis hiervon müssen
die Pumpen und ihr Antriebsmotor nicht unnötigerweise während des Überführungszustandes
belastet werden, wodurch die Betriebskosten bei einer langen Fahrt
beträchtlich
reduziert werden. Weiterhin leidet die Geschwindigkeit der Fortbewegung
des Fahrzeugs nicht an einer Begrenzung des Volumenflusses in dem Überführungszustand.
Auch wird die Leistungsfähigkeit
des Betriebs im Überführungszustand
wesentlich verbessert, wie im folgenden beschrieben wird.
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Die
anderen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Stellantriebs werden in
den beiliegenden abhängigen
Ansprüchen
beschrieben.
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Im
folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
näher beschrieben,
in denen
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1 den
Stellantrieb in Seitenansicht zeigt und
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2 eine
vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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In
diesem Zusammenhang bezieht sich ein Stellantrieb bzw. Aktuator
auf ein Paar von hydraulischen Zylindern und ein Ventil zum Steuern
bzw. Regeln des Flusses von Druckmedium zu ihnen.
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Der
erfindungsgemäße Stellantrieb
besitzt zwei Zylinder S, S',
die an Befestigungspunkten 11, 11' in einem Schwingarm befestigt
sind. Die Zylinder weisen in bekannter Weise jeweils eine Kammer 6, 6' auf, in dem
ein beweglicher, doppelt wirkender Kolben 7, 7' die Kammer
in zwei Arbeitskammern, eine Kolbenkammer 9, 9' und eine Kolbenstangenkammer 10, 10', unterteilt.
Die Kolbenstangen 8, 8' der Zylinder sind mit Enden eines
Drehstücks
bzw. Drehbalkens K verbunden, wobei das Drehstück torsionssteif bzw. biegesteif
mit einem Element verbunden ist, in Relation zu dem der Stellarm
gemäß den Bewegungen
der Kolben 7, 7' drehbar
um eine Drehachse A angeordnet ist, die durch das Drehstück K verläuft. Ein
erstes Steuerventil 1 (4/3 Wegeventil) ist an der Verbindung
der Anschlußleitungen 5, 5', die zu den Zylindern
führen,
und einer Zuführleitung 3 sowie
einer Rückführleitung 4 angeordnet.
Druckmedium wird zu den Zylindern von dem Druckmediumtank durch
eine (nicht gezeigte) Pumpe durch die Zuführleitung 3 zugeführt. Die
Führung
des Druckmediums in der gewünschten
Weise zu den Kammern 6, 6' wird mit dem ersten Steuerventil 1 durch
eine Änderung
der Stellung der Teile 1a, 1b zwischen dem aus der
Zuführleitung 3 und
der Rückführleitung 4 gebildeten
Leitungspaar und dem aus den zu den Kammern 6, 6' führendert
Anschlußleitungen 5, 5' gebildeten
Leitungspaar erreicht. Die Zuführleitung 3 ist
in Abhängigkeit
von der Stellung des Steuerventils 1 mit einer der zwei
Anschlußleitungen 5, 5' verbunden, und
das Steuerventil hat auch eine Stellung, die den Stellantrieb ganz
von der Pumpe trennt.
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Die
Anschlußleitungen 5, 5' sind weiterhin
in erste Zweigleitungen 5a, 5a', die zu den Kolbenkammern 9, 9' führen, und
in zweite Zweigleitungen 5b, 5b', die zu den Kolbenstangenkammern 10, 10'führen, unterteilt.
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Ein
zweites Steuerventil 2, daß ein als solches bekanntes
4/2 Wegeventil ist, ist unterhalb bzw. stromabwärts des Verzwei gungspunkts
der ersten Zweigleitungen 5a, 5a' angeordnet, und führt den Fluss
von den Anschlußleitungen 5, 5' jeweils in
das von den zweiten Zweigleitungen 5b, 5b' gebildete Paar
derartig,
- – daß in einer
normalen parallelen Verbindung das Druckmedium gleichzeitig durch
die erste Zweigleitung zu der Kolbenkammer des ersten Zylinders
und durch die zweite Zweigleitung durch die Steuerung der ersten
Position 2a des zweiten Steuerventils 2 zu der
Kolbenstangenkammer des zweiten Zylinders geführt wird, d. h., das Druckmedium
beiden Zylindern zugeführt
wird, oder
- – Druckmedium
nur einem der Zylinder zugeführt wird,
wobei die erste Zweigleitung zu der Kolbenkammer des Zylinders und
die zweite Zweigleitung zu dessen Kolbenstangenkammer durch eine
Steuerung durch die zweite Stellung 2b des zweiten Steuerventils 2 miteinander
verbunden sind, d. h., daß die
unter Druck stehende Anschlußleitung
der beiden Anschlußleitungen 5, 5' gleichzeitig
mit sowohl der Kolbenkammer als auch der Kolbenstangenkammer des
gleichen Zylinders verbunden ist.
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Der
Anschluß wird
durch eine normale Ventiltechnik zur Richtungssteuerung durchgeführt, wobei
ein Ventil in dem Paar von Leitungen (zweite Zweigleitungen 5b, 5b') die Anschlüsse an seinen einander
gegenüberliegenden
Seiten entweder direkt oder kreuzweise miteinander verbindet.
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Wenn
das Druckmedium durch die erste Stellung 2a des Ventils
zu den beiden Kammern 6, 6' gelangt, fließt das Druckmedium von den
anderen Seiten der Kolben über
die Zweigleitungen der Rückführseiten
bzw. anderen Seiten zu der gleichen Anschlußleitung 5 oder 5' und weiter
entlang der Rückführleitung 4 zu
dem Druckmediumtank zurück.
Dies ist eine normale Parallelschaltung, die ein großes Drehmoment
an der Verbindung aufgrund der großen Wirkfläche (der Wirkfläche der
Kolbenkammer eines Zylinders und der Wirkfläche der Kolbenstangenkammer
des anderen Zylinders) bereitstellt.
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Wenn
das zweite Steuerventil 2 in einer Stellung ist, wo das
Druckmedium durch die zweite Stellung 2b zugeführt wird,
wird eine sogenannte innere Zirkulation in beiden Zylindern bewirkt.
Wenn das erste Steuerventil 1 in einer Stellung ist, in
der die Anschlußleitung 5,
mit der Zuführleitung 3 verbunden ist,
wird Druckmedium nur zu dem in 1 rechts
gezeigten Zylinder S zugeführt,
wobei das Druckmedium in der Kolbenkammer 9, der Kolbenstangenkammer 10,
der zweiten Verzweigungsleitung 5b und der ersten Verzweigungsleitung 5a verbleibt
und in ihnen wirkt, ohne von diesem Zylinder S zu dem Druckmediumtank
letztendig zurückzugelangen.
Um dieses zu erreichen, hält
die Druckmediumpumpe den erforderlichen Druck in dem Zylinder S
aufrecht und bewirkt eine Bewegung durch Zuführung von Druckmedium in einem
solchen Maße,
wie es von der Differenz zwischen den Wirkflächen an verschiedenen Seiten
des Kolbens 7 erforderlich ist, um dadurch den Volumenfluss,
der für
die Bewegung des Kolbens erforderlich ist, zu reduzieren bzw. gering
zu halten. In der Kolbenkammer und der Kolbenstangenkammer ist der
Druck im wesentlichen gleich und wirkt auf den Kolben an dessen
beiden Seiten; diese Wirkung findet aber in einer Weise statt, daß an der
Seite der Kolbenkammer 9 der Druck auf den Kolben auf eine größere Wirkfläche gerichtet
ist und an der Seite der Kolbenstangenkammer 10 nur auf
eine Fläche
gerichtet ist bzw. wirkt, die der Gesamtfläche des Kolbens abzüglich der
Querschnittsfläche
der Kolbenstange entspricht. Als Konsequenz hiervon bewegt sich
der Kolben 7 in der Zeichnung nach oben, wodurch die innere
Zirkulation des Druckmediums bewirkt wird, d.h. das Druckmedium
wird von der Kolbenstangenkammer 10 zu der Kolbenkammer 9 geführt. Die
Anschlußleitung 5 fördert nur
das Volumen V entsprechend der Formel V = S × (A9 – A10), wobei s der Hub des
Kolbens, d.h. die Änderung
in der Zylinderlänge,
A9 die Wirkfläche
der Kolbenkammer 9 und A10 die Wirkfläche der Kolbenstangenkammer 10 ist.
Somit reduziert für
höhere
Bewegungsgeschwindigkeiten, die direkt proportional der Linerarverschiebung
bzw. dem Hub s pro Zeiteinheit sind, der Faktor (A9 – A10)das
Produkt V, und das die Leistungsverluste wiedergebende Produkt (pp – p2) × Q, bei
dem pp den Zuführdruck
der Pumpe und p2 den durch die Last in dem
Stellantrieb bewirkten Druck bezeichnet, wird durch eine Minimierung
des Faktors Q (=V/t) reduziert, der die Volumenflußrate angibt. Auf
entsprechende Weise wird p2 aufgrund der
reduzierten effektiven Wirkfläche
im gleichen Umfang bzw. Ausmaß erhöht, und
dementsprechend wird auch der Ausdruck pp – p2 reduziert.
Eine Bewegung des Beins in dem Überführungszustand
benötigt
die gleiche Leistung wie vorher, aber der Leistungsgrad bzw. die
Effizienz des Betriebs ist verbessert.
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So
werden z. B. in Fällen,
in denen die Differenz zwischen den Wirkflächen 1/6 der Wirkfläche der
Parallelschaltung ist, die gleichen Bewegungsgeschwindigkeiten,
wie in dem Überführungszustand erreicht,
mit 1/6 des Volumenflusses. Wenn der durch die Last in dem Stellantrieb
bewirkte Druck in dem Tragezustand 280 bar beträgt und der Druck in dem Überführungszustand
bei gleicher Wirkfläche
40 bar betragen würde,
wird er mit der neuen Schaltung bzw. Verbindung auf entsprechende
Werte, d. h. 240 bar, ansteigen.
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Wenn
ein Zylinder S aktiv ist, bewegt sich der andere Zylinder S' des Stellantriebs
passiv, d. h. er wird kürzer.
Das Volumen der Kolbenkammer 9' wird somit stärker reduziert als das Volumen
der Kolbenstangenkammer 10 erhöht wird. Da auch diese Kammer über die
Zweigleitungen 5a', 5b' miteinander
verbunden sind, wird der Volumenfluss bzw. die Volumenmenge, die
für die
Erhöhung
des Volumens der Kolbenstangenkammer 10' erforderlich ist, durch das von
der Kolbenkammer 9' verdrängte Volumen
zugeführt
und das überschüssige Volumen
wird entlang der Anschlußleitungen 5' und der Rückführleitungen 4 zurückgeführt. Somit
ist die innere Zirkulation auch für die Rückführung des Druckmediums nach
dem gleichen Prinzip wirksam: Das Volumen des hydraulischen Mediums,
das von einer Seite des Kolbens verdrängt wird, wird verwendet, um
den gleichen Volumenbedarf an der gegenüberliegenden Seite zur Verfügung zu
stellen. Diese Verbindung kann als „regenerative Verbindung" bezeichnet werden.
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Um
den Schwingarm in die andere Richtung zu schwingen, wird das erste
Steuerventil 1 in eine Stellung geschoben, in der die Zuführleitung 3 mit
der zweiten Anschlußleitung 5' verbunden ist.
Somit haben die Steuerventile 1 und 2 klar getrennte
Funktionen: Das erste wird verwendet, um die Bewegungsrichtung zu ändern, und
das zweite wird verwendet, um die Zylinder S, S' mit den Anschlußleitungen 5, 5' zu verbinden.
Das erste Steuerventil 1 und das zweite Steuerventil 2 werden
in die geforderten Stellungen durch eine als solche bekannte Steuer-
bzw. Regelanordnung bewegt. Sie sind elektrisch angesteuerte Mehrwegeventile.
Das zweite Steuerventil 2 ist in einer Stellung 2a einer
Parallelschaltung unter Federlast, und es wird elektrisch zu der
zweiten Stellung 2b bewegt. Somit kann der Stellantrieb
voll in beide Richtungen betrieben werden, und beide Arten der Verbindung
sind möglich,
unabhängig
von der Richtung der Bewegung des Schwingarms.
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Wenn
die Erfindung z. B. zum Bewegen der oben genannten Schreitmaschine
verwendet wird, wird der Schwingarm unter Verwendung einer Anordnung
gedreht bzw. geschwenkt, in der das Druckmedium in dem Überführungszustand
durch eine Parallelschaltung zugeführt wird, wenn das zweite Steuerventil
in der ersten Stellung
2a ist, und in dem Überführungszustand
wird das Druckmedium mit einem kleineren Leistungsbedarf durch die
regenerative Verbindung in der zweiten Stellung
2b des
Ventils
2 zugeführt.
2 zeigt
ein typisches Fahrzeug, das durch die Bewegung von Beinen vorwärts schreitet. Die
Stellantriebe können
wirksam sein z. B. in dem Gelenk zwischen dem unteren Schwingarm
V2 und dem oberen Schwingarm V1, d. h. dem „Kniegelenk", und in dem Gelenk
zwischen dem oberen Schwingarm V1 und den Körper R, d. h. dem „Hüftgelenk" L. Unterbrochene
Linien zeigen die Anordnung der Stellantriebe, die durch die Zylinder
S, S' in dem oberen Schwingarm
V1 gebildet werden. Der Stellantrieb, der die Dreh- bzw. Schwenkbewegung
zwischen dem Körper
R und dem oberen Schwingarm V1 in dem Hüftgelenk L be wirkt, und der
Stellantrieb, der die Dreh- bzw. Schwenkbewegung zwischen dem oberen
Schwingarm V1 und dem unteren Schwingarm V2 an dem Kniegelenk P
bewirkt, sind beide in dem oberen Schwingarm V1 angeordnet, in dem
der Stellantrieb des Hüftgelenks
L an einem Ende mit einem Stück
verbunden ist, das in torsionssteifer Weise in dem Körper R aufgenommen
ist (oder mit einem Stück,
das in Relation zu diesem Dreh- bzw. Schwenkarm angeordnet ist),
und der Stellantrieb des Kniegelenks P ist an einem Ende mit einem,
Stück verbunden,
das in torsionssteifer Weise in dem unteren Schwingarm V2 aufgenommen
ist. Der Mechanismus und die Struktur des Beins werden detaillierter
in dem früheren
finnischen Dokument
FI
87171 B des Anmelders erläutert. Die elektrische Steuerung
des Ventils
2 kann auf geeignete Weise an eine Steuer- bzw.
Regelungseinrichtung bzw. – Automatik
der Maschine angeschlossen werden.
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Die
Struktur des Stellantriebs ist nicht auf die in den Figuren gezeigte
Ausführungsform
begrenzt, sondern kann entsprechend modifiziert werden. Z.B. kann
das zweite Steuerventil 2 zum Umschalten der Parallelschaltung
bzw. Parallelverbindung auf eine regenerative Verbindung auch auf ändere Weise durchgeführt werden.
Zum Beispiel kann es in zwei getrennte Ventile unterteilt werden,
z.B. durch Verwendung von zwei 3/2-Wegeventilen, die jeweils in einer Zweigleitung 5b, 5b' angeordnet
sind, mit zwei Anschlüssen
an der anderen Seite des Ventils, einem für jeden Zylinder. Zusätzlich ist
es möglich,
die Anschlußleitungen 5, 5' in anderer
Weise an die Kolbenkammer und Kolbenstangenkammern der Zylinder anzuschließen. Die
Ausführungsform
der 1 mit den ersten Zweigleitungen 5a, 5a', die direkt
zu den Kolbenkammerns 9, 9' führen, ist vorteilhaft, da in diesem
Fall ein kleinerer Volumenfluß,
der von der Kolbenstangenkammer benötigt bzw. erzeugt wird; durch
das Ventil 2 gelangen muß.
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Die
Erfindung kann nicht nur in Schwingarmen von Beinen eines Fahrzeugs
verwendet werden, sondern auch für
eine Schwingbewegung von anderen Schwingarmen, die einen Belastungszustand einnehmen
können,
der eine Leistungsabgabe und ein großes Drehmoment an dem Gelenk
erfordert, und die weiterhin einen derartigen Überführungszustand einnehmen können, der
eine große
Geschwindigkeit erfordert, wobei eine kleinere externe Last auf dem
Schwingarm lastet, und die Erfindung kann insbesondere in hydraulischen
Systemen verwendet werden, die mehrere Stellantriebe aufweisen,
die eine Zuführung
von einem hydraulischen Fluid erfordern. Bei all diesen Schwingarmen
ist es möglich, das
oben beschriebene Paar von Zylindern zu verwenden, daß in beide
Richtungen entweder durch eine Parallelverbindung bzw. Parallelschaltung
oder durch eine regenerative Verbindung angetrieben werden kann.