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Hydraulische Anlage für den Antrieb von durch Flüssigkeitsdruck betätigten-Vorrichtungen,
wie z. B. Flüssigkeitsmotoren Die Erfindung betrifft eine hydraulische Anlage für
den Antrieb von durch Flüssigkeitsdruck betätigten Vorrichtungen, wie z. B. Flüssigkeitsmotoren,
mit einer Druckflüssigkeitsquelle und einer den Abfluß der Druckflüssigkeit steuernden
Ventilvorrichtung, die ein einen raschen Abfluß steuerndes Hauptventil sowie ein.
mittels einer Verengung einen langsamen Abfluß steuerndes Hilfsventil aufweist,
wobei ein druckbeaufschlagter und vermittels eines von außen betätigten Ventils
gesteuerter Kolben zuerst das Hilfsventil und dann das Hauptventil öffnet.
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Durch eine einstellbare Drossel veränderbare Abflußmengen von Druckmittel
hat man bereits im Zusammenhang mit der Betätigung von Ventilen durch einen Differentialdruckkolben
verwendet, um jeweils die erforderlichen Betätigungsdrücke einstellen zu können.
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Der Zweck der Erfindung besteht darin, eine hydraulische Anlage, die
aus einer über Rohrleitungen mit einem Verbraucher beliebiger Bauart verbundenen
Druckmittelquelle und einer den Abfluß des Druckmittels steuernden Ventilvorrichtung
besteht, so zu gestalten, daß eine genaue zeitliche Abstimmung der Betätigung des
Ventilsystems dieser Anlage gewährleistet wird, mit anderen Worten sollen durch
die Erfindung die Zeitabstände zwischen den Betätigungen des Ventilsystems in Abhängigkeit
von einem Funktionsvorgang in der Anlage gebracht werden.
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Durch die Anordnung der den Abfluß der Druckflüssigkeit steuernden
Ventilvorrichtung in der Anlage nach der Erfindung ist es möglich, den Abfluß der
Druckflüssigkeit so zu beeinflussen, daß z. B. ein mit einer durch einen Flüssigkeitsmotor
anzutreibenden Welle verbundenes Zahnrad in eine langsame Umdrehung versetzt wird
und daß durch die Steuerung des Flüssigkeitsdurchflusses auch eine schnellere Drehung
des Zahnrades mit der Welle erzwungen werden kann. Dabei kann man die Welle eine
in ganz bestimmten Grenzen erfolgende Drehbewegung ausführen lassen bzw: einen in
der Anlage vorhandenen hydrostatischen Motor langsam anlaufen lassen und ihn erst
nach einer gewissen Zeitspanne auf die volle Arbeitsdrehzahl beschleunigen. Diese
Möglichkeiten sind besonders im Zusammenhang mit druckmitteibetätigten Anlaßvorrichtungen
für Brennkraftmaschinen und für andere ähnliche Zwecke von Vorteil.
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Erfindungsgemäß werden sie dadurch verwirklicht, daß eine hydraulische
Anlage für den Antrieb von durch Flüssigkeitsdruck betätigten Vorrichtungen, wie
z. B. Flüssigkeitsmotoren, mit einer Druckflüssigkeitsquelle und einer den Abfluß
der Druckflüssigkeit steuernden Ventilvorrichtung, die ein einen raschen Abfluß
-steuernden Hauptventil, sowie ein mittels einer Verengung einen langsamen Abfluß
steuerndes Hilfsventil aufweist, wobei ein druckbeaufschlagter und vermittels eines
von außen betätigten Ventils gesteuerten Kolben zuerst das Hilfsventil und dann
das Hauptventil öffnet, in der Weise ausgebildet ist, da:ß in der Verbindungsleitung
zwischen dem Kolben und der Druckflüssigkeitsquelle eine Verengung vorgesehen ist,
die die zum Kolben zwecks öffnens des Hilfsventils geführte Druckflüssigkeit auf
eine im voraus bestimmte Menge begrenzt, derart, däß das Hilfsventil unabhängig
von Druckschwankungen in der Druckflüssigkeitsquelle stets eine gleichfalls im voraus
bestimmte Druckflüssigkeitsmenge ausläßt.
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Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform der hydraulischen Anlage
wird erfindungsgemäß dann erzielt, wenn. die den langsamen Abfluß bewirkende Verengung
sowie die zwischen dem Kolben und der Druckflüssigkeitsquelle vorgesehene Verengung
derart bemessen sind, daß sowohl die das Öffnen des Hilfsventils bewirkende als
auch die durch das Hilfsventil ausgelassene Flüssigkeitsmenge etwa proportional
der Quadratzahl des Flüssigkeitsdruckes in der Druckflüssigkeitsquelle ist.
Die
beiden Flüssigkeitsvolumen sind beide proportional der Quadratwurzel des Druckes
in. der Druckflüssigkeitsquelle und stehen somit zueinander in einem konstanten
Verhältnis.
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Wenn p der Druck in der Druckflüssigkeitsquelle, t die Zeitdauer des
Hubes des hydrostatischen Motors ist, während welcher das zweitgesteuerte Ventil
geöffnet ist, und vo die Menge Druckflüssigkeit ist, die in den hydrostatischen
Motor hinein- oder aus ihm herausfließt, während der Flüssigkeitsmotor während der
Zeit t die erwähnte Strecke des Hubes ausführt, so läßt sich diese Druckflüssigkeitsmenge
auf Grund der in der Leitung vorgesehenen kalibrierten scharfkantigen Öffnung folgendermaßen
ausdrücken:
In dieser Formel ist K1 eine Konstante.
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Wenn in ähnlicher Weise Uo das Volumen der Druckflüssigkeit ist, daß
während der Öffnungszeit t des zeitgesteuerten Ventiles in. den Nutzkreis fließt,
so läßt sich Uo ebenfalls wegen der Anwesenheit einer kalibrierten scharfkantigen
Öffnung in. dem Nutzkreis ausdrücken durch
wo K2 eine andere Konstante ist.
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Das Verhältnis zwischen diesen beiden Flüssigkeitsvolumina ist dann
Wenn nun Uo = 1 - S gesetzt wird, wo 1 die Länge der erwähnten Strecke des
Hubes des Flüssigkeitsmotors und S der Querschnitt des Flüssigkeitsmotors ist. so
ergibt sich schließlich
Diese Formel enthält ausschließlich feste Werte oder Konstanten, so daß Uo einen
genau definierten Wert hat, der weder von dem Druck in der Druckflüssigkeitsquelle
noch von der Dauer der betreffenden Strecke des Hubes des Flüssigkeitsmotors während
der Öffnungszeit des zeitgesteuerten Ventils abhängig ist.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung der hydraulischen Anlage gewährleistet
somit, daß durch den Nutzkreis eine vorgegebene Menge Druckflüssigkeit fließt, auch
wenn sich der Druck in. der Druckflüssigkeitsquelle ändern sollte. Auf diese Weise
ergibt sich stets eine genau definierte und begrenzte Strömung der Druckflüssigkeit
in. den Nutzkreis, wenn das Primärventil der Anlage betätigt wird. Beispielsweise
kann man so einem hydraulischen Motor einen Hub genau definierter Amplitude und
geregelter Hubgeschwindigkeit verleihen, indem man lediglich ein Primärventil mit
einem Druckknopf betätigt.
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Den Erfindungsvorschlag kann man noch so ausgestalten, daß das die
Bewegung des Kolbens steuernde Ventil in der Zuführungsleitung zum Kolben, und zwar
zwischen deren Verengung und der Druckflüssigkeitsquelle eingeschaltet ist, und
daß ein zweiter Auslaß an diese Zuführungsleitung zwischen dieser Verengung und
dem Steuerventil angeschlossen ist, so daß beim Öffnen des Steuerventils Druckflüssigkeit
gleichzeitig der Verengung und dem zweiten Auslaß zugeführt wird.
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In manchen Fällen kann es auch zweckmäßig sein, noch einen zweiten
Nutzkreis vorzusehen, den man mittels des erwähnten Primärventils steuert, wobei
die Steuerung aber nicht dem Einfluß des hydraulischen Motors unterliegt. Auf diese
Weise kann man auf eine zweite Steuereinrichtung verzichten, die betätigt wird,
bevor die durch das zeitgesteuerte System während des Arbeitshubes und des Rückweges
des Motors bewirkten Arbeitsgänge beginnen.
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Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sieht man ein Auslaßventil
für den hydraulischen Motor vor, das geschlossen wird, bevor das zeitgesteuerte
Ventilsystem in der eben geschilderten Weise in zwei Stufen betätigt wird. Das Auslaßventil
ist geöffnet, solange der Flüssigkeitsmotor nicht mit Druckflüssigkeit gespeist
wird. Diese Ausführungsform der Erfindung arbeitet in drei Stufen. Die erste Stufe
ist der Beginn des Hubes des Hydromotors, wo das Auslaßventil geschlossen wird.
Die zweite Stufe ist die vorbestimmte Strecke des Hubes des Flüssigkeitsmotors.
Während dieser Hubstrecke ist nur das eine zeitgesteuerte Ventil des Ventilsystenvs
geöffnet. In der dritten Stufe beendet der Hydromotor seinen Hub. Während dieser
Zeit ist das zweite zeitgesteuerte Ventil geöffnet, während das erste zeitgesteuerte
Ventil geöffnet bleiben kann oder geschlossen ist.
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In manchen Fällen, kann es auch zweckmäßig sein, noch einen Zweiten
Nutzkreis vorzusehen, den man mittels des erwähnten Primärventils steuert, wobei
die Steuerung aber nicht dem Einfluß des hydraulischen Motors unterliegt. Auf diese
Weise kann man auf eine zweite Steuereinrichtung verzichten, die betätigt wird,
bevor die durch das zeitgesteuerte System während des Arbeitshubes und des Rückweges
des hydraulischen Motors bewirkten Arbeitsgänge beginnen.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dient die Zeichnung, in der
zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, und die nachstehend beschrieben werden
soll. Es zeigt Fig.1 einen axialen Schnitt eines in der erfindungsgemäßen Weise
von einem hydrostatischen Motor gesteuerten Ventilsystems, mit dem sich zwei unterschiedliche
Speisegeschwindigkeiten eines Nutzkreises erzielen lassen, und Fig. 2 einen ähnlichen
Schnitt einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der das zeitgesteuerte
Ventilsystem vor der Speisung des Nutzkreises die Unterbrechung eines Abflußkreises
bewirkt.
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In beiden Ausführungsbeispielen besteht der zur Steuerung des Ventilsystems
dienende hydraulische Motor aus einem Kolben 1, der in einem in einem Gehäuse 2
gebildeten Zylinder verschiebbar ist. Das Ventilsystem steuert die Speisung eines
Nutzkreises 3 aus einer Druckflüssigkeitsquelle, die im dargestellten Beispiel ein.
Luft-Öl-Akkumulator 4 ist.
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5 ist das Abflußrohr des Akkumulators 4, während der Nutzkreis 3 über
das zeitgesteuerte Ventilsystem aus der Leitung 6 gespeist wird.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen wird der hydrostatische
Motor selbst aus dem Akkumulator 4 durch die Abflußleitung 5 und eine weitere Leitung
7 gespeist. In. der Leitung 7 sind geeignete Mittel zur Steuerung der Speisung des
Flüssigkeitsmotors und/ oder des Abflusses aus ihm vorgesehen. Diese Mittel bestehen
aus einem Primärventil 8, welches eine
Kugel 9 enthält, die
von einer Feder 10 ständig gegen ihren Sitz gedrückt wird. Die Kugel 9- kann mittels
eines von Hand betätigten Druckknopfes 11 von ihrem Sitz abgehoben werden. Eine
Rückholfeder 13 drückt den Druckknopf 11 in seine Anfangslage zurück.
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Ein den Abfluß aus dem Hydromotor steuerndes Schieberventil 39 ist
zwischen den Druckknopf 11 und die Kugel 9 eingeschaltet. Wenn der Druckknopf 11
eingedrückt wird, schließt das Schieberventil 39
zuerst eine Abflußöffnung
42. Darauf hebt sich die Kugel 9 von ihrem Sitz und stellt eine Verbindung zwischen
der Speiseleitung 7 und einem Längskanal 13 her, der unmittelbar in den Zylinder
des Flüssigkeitsmotors führt. In der Ruhestellung auf ihrem Sitz unterbricht dagegen
die Kugel 9 die Verbindung zum Kanal 13, während das Schieberventil 39 dann die
Öffnung 42 freigibt und eine Verbindung zwischen dem Längskanal 13 und einem Behälter
38 über eine Abflußleitung 40 herstellt.
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Der Kolben 1 des hydraulischen Motors wird durch eine Feder 14 ständig
in seine Ruhelage gedrückt. An dem Kolben 1 ist eine Stange 15 befestigt, die dichtend
in einem hohlen axialen Einsatz 16 des Gehäuses 2 gleiten kann. Die zylindrische
Bohrung 18 des Einsatzes 16 steht an ihrem unteren Ende mit einer Gegenbohrung 19
in Verbindung, die einen größeren Durchmesser als die Bohrung 18 hat, so daß zwischen
den Bohrungen 18 und 19 eine ringförmige Schulter 20 entsteht.
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In der Gegenbohrung 19 ist ein hohler zylindrischer Ventilkörper
21 verschiebbar, der ein erweitertes Ende 21' hat, das außerhalb der Gegenbohrung
19 bleibt und in einer zylindrischen Kammer 22 liegt. Die Kammer 22 hat einen größeren
Durchmesser als die Gegenbohrung 19 und ist mit dieser durch eine kegelstumpfförmige
Schulter 13 verbunden, die. den Sitz des beweglichen Ventilkörpers 21 bildet. Der
Ventilkörper 21 wird ständig durch eine Feder 24 gegen seinen Sitz gepreßt. Die
Kammer 22 steht mit der Leitung 6 über einen axialen Kanal 25 in dem Kopf
26 des Gehäuses 2 in Verbindung. Der Ventilkörper 21 steuert die Verbindung zwischen
der Kammer 22 und einer radialen Auslaßöffnung 27, die den Nutzkreis 3 mit der Gegenbohrung
19 verbindet.
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Der Ventilkörper 21 hat eine axiale zylindrische Bohrung 28, die durch
die obere Seite 20 des Ventilkörpers hindurchgeht. Ferner ist in dem Ventilkörper
21 eine Gegenbohrung 29 vorgesehen, die die andere Endfläche 21' des Ventilkörpers
21 durchbricht und sich in die Kammer 22 öffnet. Die Gegenbohrung 29 ist mit der
Bohrung 28 durch eine ringförmige Schulter 30 verbunden, die als Ventilsitz für
eine Kugel 31 dient.
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Die Bewegungsmöglichkeit der Kugel 31 in der Gegenbohrung 29 wird
durch eine dünne Trennwand 50 begrenzt, in deren Mitte eine kalibrierte Öffnung
51 zweckmäßigerweise mit scharfen Kanten vorgesehen ist. Die Stange 15 des Kolbens
1 läuft nach unten in eine Nadel 32 aus; deren unteres Ende die Kugel 31 bewegen
kann. Zu diesem Zweck muß selbstverständlich die Nadel 32 länger sein als die Bohrung
28, und zwar um einen ganz bestimmten Betrag, dessen genauer Wert noch später definiert
werden wird.
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Schließlich ist in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 noch eine kalibrierte
und scharfkantige Öffnung 33 in die Leitung 7, d. h. zwischen die Druckflüssigkeitsquelle
4 und das Primärventil 8, eingeschaltet. Unter diesen Umständen kann die kalibrierte
und scharfkantige Öffnung 33 der aus dem Flüssigkeitsmotor durch die Auslaßöffnung
42 abfließenden Druckflüssigkeit keinen Widerstand entgegensetzen. Die Öffnung 33
steuert also nur die Speisung des Flüssigkeitsmotors. Diese Einrichtung arbeitet
in der folgenden Weise: Wenn der Druckknopf 11 eingedrückt wird, schließt er zunächst
die Auslaßöffnung 42 und hebt die Kugel 9 von ihrem Sitz, so daß eine Verbindung
zwischen dem hydraulischen Motor und dem Druckflüssigkeitsbehälter 4 unter Zwischenschaltung
der kalibrierten Öffnung 33 entsteht. Es fließt dann aus dem Druckflüssigkeitsbehälter
4 Öl in die Winde mit einer Geschwindigkeit, die wie eingangs erläutert, im wesentlichen
der Quadratwurzel des Druckes in der Druckflüssigkeitsquelle 4 proportional ist.
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Unmittelbar nachdem der Kolben seine Ruhelage verlassen hat oder nachdem
er einen kleinen neutralen Hub, der dem Leerlauf oder Spiel in der Einrichtung entspricht,
ausgeführt hat, hebt er die Kugel 31 mittels der Stange 15 und der Nadel 32 von
ihrem Sitz, so daß eine Verbindung zwischen dem Druck Flüssigkeitsbehälter 4 und
dem hydraulischen Nutzkreis 3 entsteht. In diese Verbindung, die aus den Leitungen
5 und 6, dem axialen Kanal 25, der Kammer 22, der Gegenbohrung 29, der Gegenbohrung
19 und der Auslaßöffnung 27 besteht, ist die kalibrierte scharfkantige Öffnung 51
eingesetzt, die die Strömungsgeschwindigkeit derDruckflüssigkeit steuert. Von dem
Augenblick an, da diese Verbindung hergestellt wird, wird daher der Nutzkreis 3
mit einer Geschwindigkeit gespeist, die annähernd proportional der Quadratwurzel
des Druckes in dem Akkumulator 4 ist. Unter diesen Verhältnissen ist die in den
Nutzkreis 3 während einer bestimmten Zeitdauer gedrückte Ölmenge proportional derjenigen
Ölmenge, die während der gleichen Zeitdauer in. den Flüssigkeitsmotor gedrückt wird.
Diese Verhältnisse dauern an, solange das Ende 15' der Stange 15 nicht
gegen den beweglichen Ventilkörper 21 stößt, worauf noch später zurückgekommen wird.
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Diese Arbeitsweise der hydraulischen Anlage hat zur Folge, daß während
der Hubstrecke des Kolbens 1, die zwischen dem Öffnen des Ventils 21 und der Betätigung
der Ventilkugel 31 liegt, eine ganz bestimmte Menge Öl unabhängig von dem Druck
in der Druckflüssigkeitsquelle 4 in den Nutzkreis 3 gesandt wird.
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Wenn der Kolben 1 seinen Hub fortsetzt, stößt schließlich die Stange
15 gegen den beweglichen Ventilkörper 21, hebt diesen von seinem Sitz und schaltet
damit eine andere, höhere Speisegeschwindigkeit ein. Die Speisung des Nutzkreises
3 erfolgt jetzt einmal unmittelbar aus dem Akkumulator 4 über die Leitung 5 und
6, die axiale Einlaßöffnung 25, die Kammer 22, die Gegenbohrung 19 und die radiale
Auslaßöffnung 27. Außerdem bleibt die Speisung des Nutzkreises 3 über den eben beschriebenen
Weg erhalten, der die kalibrierte scharfkantige Öffnung 51 enthält. Dies ist darauf
zurückzuführen, daß in beiden dargestellten Ausführungsbeispielen während der zweiten
Stufe der Speisung die beiden Ventile 31 und 21 gleichzeitig geöffnet sind.
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In der in. Fig. 2 dargestellten Ausführungsform bewirkt das zeitgesteuerte
Ventilsystem außer den beiden bereits beschriebenen Stufen zur Speisung des Nutzkreises
3 das vorherige Schließen eines Abflußventils
44, das mit der Nadel
32 eine bauliche Einheit bildet und mit dem Sitz 54 zusammenarbeitet, der an der
Stange 15 ausgearbeitet ist. Das Ventil 44 ist geöffnet, wenn der Flüssigkeitsmotor
nicht gespeist wird, und stellt eine Verbindung zwischen dem Nutzkreis 3 und einer
Abflußleitung 37 her, die zu dem Behälter 38 führt. Die Verbindung geht durch die
Gegenbohrung 19, einen Längskanal 34, der längs der Erzeugenden des Ventilkörpers
21 verläuft, eine axiale Bohrung 35 der Stange 15, durch eine radiale Öffnung 36
in der Wandung der Stange 15 und durch die Hauptbohrung des Gehäuses 2.
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Das Schließen des Ventils 44 erfolgt zu Beginn des Hubes des Kolbens
1 durch den Sitz 45, der gegen den Ventilkörper 44 gepreßt wird. Durch diesen Druck
auf den Ventilkörper 44 wird die Kugel 31 von der Nadel 32 gegen die Wirkung einer
Feder 55 von ihrem Sitz abgehoben. Die Feder 55 führt den Ventilkörper 44 mit der
Nadel 32 in seine Ausgangslage zurück und gewährleistet das dichte Schließen des
Ausflußventils 44.
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Die in. Fig. 2 dargestellte Anlage wird noch durch eine Abzweigleitung
41 vervollständigt, die zur Speisung eines zweiten Nutzkreises parallel zu dem Nutzkreis
3 dient. Die Speisung des zweiten Nutzkreises über die Abzweigleitung 41 unterliegt
aber nicht der Steuerung durch den hydraulischen Motor. Andererseits ist aber bei
dieser Ausführungsform die kalibrierte und scharfkantige Öffnung 33 zwischen dem
Fußpunkt der Abzweigleitung 41 und dem Motor eingeschaltet. Dank dieser Anordnung
werden sowohl der Zufluß der Druckflüssigkeit zum Flüssigkeitsmotor als auch ihr
Abfluß aus dem Motor durch die kalibrierte scharfkantige Öffnung 33 gesteuert. Dagegen
hat die Öffnung 33 keine Wirkung auf den zweiten, an die Abzweigleitung 41 angeschlossenen
Nutzkreis. Speisung und Entleerung dieses zweiten Nutzkreises werden jedoch durch
das Primärventil B gesteuert.
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Abschließend soll noch darauf hingewiesen werden, daß bei den obigen
Erläuterungen der Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit von dem Druck der Druckflüssigkeitsquelle
bei Zwischenschaltung einer kalibrierten scharfkantigen Öffnung nicht der absolute
Druck in der Druckflüssigkeitsquelle, sondern deren Relativdruck in bezug auf den
Druck in dem zu speisenden System gemeint ist. Diese Vereinfachung ist durchaus
zulässig, vor allem in den be@ schriebenen Ausführungsbeispielen, da während der
ersten Arbeitsphasen des zeitgesteuerten Ventilsystems der Druck im Flüssigkeitsmotor
und in dem Nutzkreis im Vergleich zu dem absoluten Druck in der Druckflüssigkeitsquelle
vernachlässigbar ist.