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Die
Erfindung betrifft einen Differenzkolben innerhalb einer Zylindereinheit
für eine
hydraulische Presse mit hohen Drücken,
dessen Kolbenkopf und dessen Kolbenschaft wechselweise beaufschlagt sind,
wobei im Übergangsbereich
zwischen Kolbenkopf und Kolbenschaft eine umlaufende, radial- und axialsymmetrische
Ausformung angeordnet ist.
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Derartige
Pressen werden beispielsweise zum Karosserieblechpressen, zum Münzpressen und
zum Spanplattenpressen verwendet. Die Drücke belaufen sich bis zu mehreren
hundert bar.
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Die
DE 101 54 439 A1 offenbart
einen Hydraulikzylinder mit einem darin geführten Kolben, wobei an dem
Kolben eine Kolbenstange befestigbar ist. Durch Druckbeaufschlagung
der zwischen Hydraulikzylinder und Kolben gebildeten Kammer wird
eine Bewegung des Kolbens hervorgerufen. Um die Bewegung des Kolbens
in einer bestimmten Position zu fixieren, sind Klemmmittel vorgesehen,
die zwischen der Innenwand des Zylinders und dem Mantel des Kolbens
angeordnet sind. Mit den Klemmmitteln kann zwischen der Innenwand
des Zylinders und den Klemmmitteln eine Klemmkraft hervorgerufen
werden. Der Übergang
zwischen dem geringeren Durchmesser des Kolbenschafts auf den größeren Durchmesser
des Kolbenkopfes erfolgt bei dem bekannten Hydraulikzylinder mittels
eines Absatzes bzw. einer Stufe.
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Die
DE 24 31 654 A1 offenbart
einen Arbeitszylinder für
pneumatische und hydraulische Medien, mit einem Zylinder und einem
Kolben. Der Kolben ist einstückig
mit der Kolbenstange ausgebildet, wobei der Übergang vom geringeren Durchmesser
der Kolbenstange auf den größeren Durchmesser
des Kolbens mit einem Absatz realisiert ist. Die Übergangsbereiche
in den Ecken sind dabei jeweils mit einem Radius versehen, so dass
die Kerbwirkung des Absatzes reduziert wird.
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Die
DE 2 010 062 A1 offenbart
eine Lagerhülse
für eine
Kolbenstange eines Arbeitszylinders mit darin angeordnetem Arbeitskolben.
Der Arbeitskolben ist einstückig
mit der Kolbenstange ausgeführt.
Die Kolbenstange wird in der Hülse
geführt
und weist einen geringeren Durchmesser als der Kolben auf. Der Übergangsbereich
vom Durchmesser der Kolbenstange auf den größeren Durchmesser des Kolbens
ist zunächst über eine
Schräge
und daran anschließend über einen
Absatz – bis
zum Durchmesser des Kolbens – realisiert.
Die Eckbereiche des Absatzes sind jeweils mit einem Radius versehen,
so dass die Kerbwirkung reduziert ist.
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Die
US 6,267,050 B1 offenbart
ein System aus einem Zylinder und darin angeordneten Kolben, wobei
der Kolben über
einen Kolbenkopf verfügt, dessen
Durchmesser im Wesentlichen dem Innendurchmesser des Zylinders entspricht.
An den Kolbenkopf schließt
sich ein Schaftbereich mit geringerem Durchmesser an. Der Übergang
zwischen dem Schaftbereich und dem Kopf des Kolbens ist mit einem
Absatz realisiert, wobei im Übergangsbereich des
Schaftes mit dem Kolbenkopf eine Ausnehmung vorgesehen ist, die
die Kerbwirkung reduzieren soll.
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Die
US 4,196,655 offenbart ein
System aus Kolben und Zylinder für
ein Arbeitsgerät
mit einem pneumatischen Antrieb, z. B. einen Presslufthammer. Der
Kolben ist innerhalb des Zylinders angeordnet und einstückig mit
einer Kolbenstange gefertigt. Der Übergang zwischen der Kolbenstange
und dem Zylinderkopf erfolgt kontinuierlich, mit einem großen Radius.
Aufgrund der Verwendung dieses Systems in einem Arbeitsgerät mit pneumatischem
Antrieb, beispielsweise in einem Presslufthammer, bei dem eine hochfrequente
Bewegung des Kolbens innerhalb des Zylinders notwendig ist, ist
der Kolben entsprechend gewichtsoptimiert ausgestaltet, so dass
sich dieses System nicht für
hohe Drücke
oder hohe statische Beanspruchung eignet. Der Arbeitsdruck liegt
dabei nur zwischen etwa 5,1 bar und 8,6 bar.
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Bei
den durch offenkundige Benutzung bekannt gewordenen und daher zum
Stand der Technik zu zählenden
Differenzkolben besteht die radial- und axialsymmetrische Ausformung
aus einer Auskehlung zwischen Kopfende und Schaftanfang, die als umlaufende
Nut ausgebildet ist.
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In
diesem Ausformungsbereich treten im Betrieb unterschiedliche radiale
und axiale Spannungskomponenten auf, je nachdem ob auf den Kolbenschaft
eine Druckspannung während
des Arbeitshubes oder eine Zugspannung während des Rückhubes wirkt. Aufgrund mehrerer
Abrisse von Kolbenschäften
von Kolben aufmerksam geworden, untersuchte die Anmelderin solche
Differenzkolben anhand von Berechnungsmodellen und gelangte zu dem überraschenden
Ergebnis, dass der Rückhub ähnlich hohe
Spannungen im Kerbbereich der Auskehlung erzeugt, wie der Arbeitshub,
obwohl seine Nettorückzugkraft
um mehr als das zehnfache geringer war als die Druckkraft beim Arbeitshub.
Die Ursache liegt wahrscheinlich in der Angriffsfläche des Öldruckes,
welcher im Zuglastfall direkt in der Auskehlung liegt. Dabei liegt
der errechnete Auslastungsgrad gegen Ermüdung bei zweihunderttausend
Lastzyklen bei 96%.
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Im
Nachweisverfahren wurde weiterhin ein Sicherheitsfaktor von 2,4
berücksichtigt.
Ein besonders hoher Wert, wie er für nichtduktile Eisengusswerkstoffe
empfohlen wird. Die durchgeführte
Spannungsbewertung geht von einer fehlerfreien Gussqualität aus, wobei
Lunker, Porositäten
und Einschlüsse
die ertragbaren Spannungen reduzieren und damit die Bauteil-Lebensdauer
erheblich beeinträchtigen.
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Bei
einwandfreier Gussqualität
wurde der untersuchte Kernbereich bei der angenommenen Belastung
für zweihunderttausend
Lastzyklen ausreichend dimensioniert, umso überraschender war das vorgenannte
Ergebnis.
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Von
diesem Problem ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen Differenzkolben der eingangs genannten Art zu schaffen, der
bei beiden Lastfällen
(Arbeitshub und Rückhub)
bei den hier zu berücksichtigenden
Drücken
eine erheblich längere
Lebensdauer bei einwandfreier Funktion gewährleistet.
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Das
Denken des Fachmannes auf dem hier in Rede stehenden Gebiet ist
bis zum Auffinden der Lösung
geprägt
von der notorischen Auffassung, daß ein Differenzkolben abgestuft
ausgebildet sein muß, um
parallel zueinander verlaufende Flächen und Gegendruckflächen zu
erstellen und in die Berechnungen miteinbeziehen zu können.
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In
Abkehr von diesem notorischen Denken wird die vorstehend zitierte
Aufgabe in Verbindung mit dem eingangs genannten Gattungsbegriff
nunmehr dadurch gelöst,
daß die
Ausformung aus einer stufenlosen, kontinuierlichen Übergangszone
von der Außenumfangskonfiguration
des Kolbenkopfes bis zur Außenumfangskonfiguration
des Schaftes besteht, deren größter Durchmesser
vom Durchmesser des Kolbenkopfes und dessen kleinster Durchmesser
vom Durchmesser des Schaftes gebildet ist.
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Eine
derartige Ausgestaltung führte
zu folgendem überraschenden
Ergebnis:
Die ermittelten Auslastungen bei zweihunderttausend
Lastzyklen sowie auch bei der Dauerfestigkeit von einer Million
Lastzyklen liegen für
alle Lastfälle, bezüglich der
Axialspannung, der Radialspannung und der Umfangsspannung im zulässigen Bereich. Bei
den angegebenen Auslastungsgraden ist im Nachweisverfahren ein Sicherheitsfaktor
von 2,4 berücksichtigt.
Dies ist ein besonders hoher Wert, wie er für nichtduktile Eisengußwerkstoffe
empfohlen wird. Für
den im realen Bereich eingesetzten Schalenhartguß ist keine ausreichend breite
Datenbasis verfügbar.
Für den
Nachweis wurden deshalb die Werkstoffdaten für EN-GJL-250 verwendet, welche
in der FKM-Richtlinie angegeben sind. Die Berücksichtigung zusätzlicher
Einflüsse,
wie bereichsweise unterschiedliche Werkstoffeigenschaften sowie
eine erhöhte
Temperatur erhöhen
die Auslastung, aber nur in geringem Maße. Die durchgeführte Spannungsbewertung
geht von einer fehlerfreien Gußqualität aus, weil
Lunker, Porositäten
und Einschlüsse
die ertragbaren Spannungen reduzieren. Eine als beispielhafte Ausführungsvariante
untersuchte konusförmige Übergangszone
führte
im Vergleich zur ursprünglichen
Auskehlungsvariante zu einer Reduktion der vorhandenen axialen Ausschlagspannungen
um rund den Faktor 3,0.
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Damit
ist bei einwandfreier Gußqualität ein derartiger
konusförmiger Übergang
bei der angenommenen Belastung ausreichend dauerfest dimensioniert.
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In
Weiterbildung der Erfindung stellen die Außenumfangslinien in Längsrichtung
im Bereich der Übergangszone
stets das Bild einer gleichen, stetigen Funktion in einem kartesischen
Koordinatensystem dar. Hierbei ist „stetig” mathematisch zu verstehen
im Gegensatz zu Unstetigkeitsstellen. Mit „Außenumfangslinien” sind solche
Linien zu bezeichnen, deren Ebene durch die Symmetrielängsachse
des Differenzkolbens verläuft
und die sich radial von dieser Längssymmetrieachse
aus nach außen
erstreckt.
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Im
Gegensatz zu der umlaufenden Auskehlung beim Stand der Technik,
die einen stufenförmigen
Absatz zwischen der Unterseite des Kolbenkopfes und dem Schaftanfang
schuf und an dieser Stelle dem Schaft in dieser Übergangszone einen kleineren Durchmesser
verlieh, als in seinen nachfolgenden Bereichen, wird nunmehr diese Übergangszone
dadurch „verdickt”, daß diese
vorgenannten Außenumfangslinien
eine gleiche, stetige Funktion aufweisen. Dabei sind etliche Formen
möglich,
von denen nachfolgend nur einige, und deshalb nur beispielhaft erläutert werden:
Nach
einer ersten Ausführungsform
bilden die Außenumfangslinien
des Differenzkolbens in Längsrichtung
im Bereich der Ausformung eine gleiche Parabelform.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform
weisen seine Außenumfangslinien
in Längsrichtung
im Bereich der Ausformung eine gleiche Hyperbelform auf.
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Nach
einer dritten Ausführungsform
sind seine Außenumfangslinien
in Längsrichtung
im Bereich der Ausformung von einer gleichen Geraden gebildet. Auf
diese beziehen sich die vorgenannten qualitativen Angaben.
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Es
ist jedoch nach der erfinderischen Lehre auch möglich, die Außenumfangslinien
in Längsrichtung
im Bereich dieser Ausformung aus mehreren Geraden mit unterschiedlichen
Steigungen zu bilden.
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Zur
Vermeidung von Spannungsspitzen in Eckenbereichen ist nach einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung der Grenzbereich von der
Außenwandung
des Kolbenkopfes zu der Übergangszone durch
eine Parabel-, Radien- oder Hyperbelform abgerundet. Ebenso ist
der Grenzbereich von der Übergangszone
zum Schaft durch eine Parabel-, Radien- oder Hyperbelform abgerundet.
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Aus
Herstellungsgründen
besteht der Kopf des Differenzkolbens aus reinem Grauguß. Dieses Material
darf man als „weich” bezeichnen.
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Dem
gegenüber
ist der Schaft vorteilhaft mit einer harten Oberfläche versehen
und besteht aus einem gegen Kokille vergossenen Schalenhartguß.
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Es
kann der gesamte Differenzkolben auch aus Stahl hergestellt werden.
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Mehrere
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Dabei zeigen:
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1 die
schematische Querschnittsansicht der ersten Ausführungsform des Differenzkolbens
innerhalb des Zylinders mit einer Übergangszone, deren Umfangslinien
entweder eine Hyperbel- oder
Parabelform aufweisen,
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2 die Ausschnittvergrößerung II von 1,
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3 die
axiale Spannungsverteilung in der Übergangszone bei Druckbelastung
des Kolbenkopfes während
des Arbeitshubes,
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4 die
axiale Spannungsverteilung in der Übergangszone bei Druckbelastung
des Raumes zwischen Schaft und Zylinder beim Rückhub des Differenzkolbens
und damit bei dessen Zugbelastung,
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5 die
Teilquerschnittsansicht eines Differenzkolbens in der Übergangszone
mit den Außenumfangslinien,
in Parabel- oder Hyperbelform,
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6 die
Ausschnittsvergrößerung VI
von 5,
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7 die
Teilquerschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines Differenzkolbens
mit den Außenumfangslinien
in der Übergangszone
in Form einer Geraden,
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8 die
Ausschnittsvergrößerung VIII
von 7,
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9 die
Teilquerschnittsansicht einer dritten Ausführungsform eines Differenzkolbens
mit Abrundungen in beiden Grenzbereichen, vom Kolbenkopf zur Übergangszone
und von der Übergangszone
zum Schaft in Form von Parabeln, Hyperbeln oder Radien,
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10 die Ausschnittvergrößerung X von 9,
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11 die
schematische Querschnittsansicht eines Differenzkolbens innerhalb
eines Zylinders nach dem Stand der Technik,
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12 die
Ausschnittsvergrößerung XII
von 11,
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13 die
Spannungsverteilung in der Auskehlung bei Druckbelastung des Kolbenkopfes
während
eines Arbeitshubes und
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14 die
Spannungsverteilung in der Auskehlung bei Druckbelastung im Raum
zwischen Schaft und Zylinder während
des Rückhubes.
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Der
Differenzkolben 1 ist in den 1 und 11 dargestellt.
Dieser besteht aus einem Kopf 2 mit Öl-Abstreifringen 2a sowie
aus einem Schaft 3. Dieser Differenzkolben 1 ist
innerhalb eines Zylinders 4 begrenzt beweglich. Für den Arbeitshub
wird in einen Arbeitsraum 5 über Ölzuführungsleitungen 6 Hydrauliköl unter
hohem Druck von beispielsweise 280 bar zugeführt.
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Zum
Anheben des Differenzkolbens 1 für einen Rückhub wird der Arbeitsraum 5 ganz
oder teilweise druckentlastet und die Druckbelastung auf den Raum 7 geleitet,
d. h. auf den Raum 7, der sich zwischen dem Schaft 3 und
dem Zylinder 4 befindet. Dadurch wird der Differenzkolben 1 wieder
in seine Ausgangsposition zurückgefahren,
d. h. angehoben.
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Zur
Minimierung von Kerbspannungen weist der Differenzkolben 1 gemäß dem Stand
der Technik, so wie er in 11 und 12 dargestellt
ist, in der Übergangszone
vom Schaft 3 zum Kolbenkopf 2 einen Freistich 8 in
Form einer umlaufenden Entlastungsnut mit einem Durchmesser beispielsweise
von 5 mm auf. Trotz dieser Entlastungsnut kam es gerade in diesem Übergangsbereich
zu Rissen, mit der Folge, daß die
gesamte Presse stillgesetzt und der Differenzkolben 1 mit
dem Kolbenkopf 2 und seinem defekten Schaft 3 durch
einen neuen ersetzt werden mußte.
Demzufolge konnte in dieser Zeit auch nicht mit dem Werkzeug 9 weiter
produziert werden, was den Schaden noch erhöhte. Eine eingehende Untersuchung
ergab, daß für den zum
Riß führenden Schaden
nicht die Spannungsverteilung 10 bei der Druckbelastung
gemäß 13 im
Arbeitsraum 5, sondern vielmehr die Spannungsverteilung 11 gemäß 14 der
Druckbelastung im Raum 7 verantwortlich ist. Die wahrscheinliche
Ursache dafür
dürfte an
der Eingriffsfläche 12 des Öldruckes
hegen, der in diesem Drucklastfall an der Kerbe 8 ansteht,
infolge der Druckbelastung des Raumes 7.
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Hier
setzt nunmehr die Erfindung ein. Ein Ausführungsbeispiel dieser Erfindung
ist in 1 und 2 dargestellt.
Nunmehr besteht die Ausformung 13 nicht mehr aus einer
umlaufenden Ringnut 8 gemäß 8 als Auskerbung,
sondern aus einer stufenlosen, kontinuierlichen Übergangszone 14 von der
Außenumfangskonfiguration 15 des
Kolbenkopfes 2 bis zur Außenumfangskonfiguration 16 des Schaftes 3 (siehe 2), deren größter Durchmesser D1 gemäß 1 vom
Durchmesser D1 des Kolbenkopfes 2,
dessen kleinster Durchmesser D2 vom Durchmesser
D2 des Schaftes 3 gebildet ist.
Dabei hat sich an ersten theoretischen Versuchsmodellen als besonders
vorteilhaft herausgestellt, wenn die Außenumfangslinien 17 im
Bereich der Übergangszone 14 stets
das Bild einer gleichen, stetigen Funktion in einem kartesischen
Koordinatensystem darstellen. Diese Konfiguration der Übergangszone 14 der
Außenumfangslinie 17 ist
in den 5 und 6 noch einmal vergrößert dargestellt.
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Wie
sich nunmehr überraschend
herausgestellt hat, ergibt sich beim Arbeitshub gemäß 3 bei
einer Druckbelastung des Arbeitsraumes 5 und damit des
Werkzeuges 9 eine äußerst günstige Spannungsverteilung 18 und
eine ebenso günstige Spannungsverteilung 19 beim
Rückhub
gemäß 4,
d. h. bei Beaufschlagung des Raumes 7 zwischen dem Schaft 3 und
dem Zylinder 4. Beide Spannungsverteilungen zeigen, daß die Spannungsspitzen,
die zu einem Auseinanderreißen
in der ausgekehlten Übergangszone 14/17 bei
nach dem Stand der Technik hergestellten Kolben geführt haben,
nun nicht mehr auftreten. Dazu muß man wissen, daß diese Übergangszone 14 bei
Schalenhartguß auch unter
einem Gefüge-Gesichtspunkt
insoweit kritisch ist, weil in diesem Bereich zwei unterschiedliche
Gefügebestandteile
aufeinandertreffen. In einem nicht genau definierbaren Bereich der 11,
der mit einer Wellenlinie 20 bezeichnet ist, trifft das
weiche, gegen Sand vergossene, aus Grauguß bestehende Gefüge 21 des
Kolbenkopfes 2 auf das Gefüge 22 des Schaftes 3,
der mit seiner harten Oberfläche
gegen eine Kokille vergossen ist und aus einem Schalenhartguß besteht.
Gleichwohl haben Versuche an unterschiedlichen Modellen überraschend
ergeben, daß bei
gleichen Belastungen eine um vielfach höhere Lebensdauer des Kolbenkopfes 2 mit
seinem Schaft 3 gewährleistet
ist.
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Offenkundig
war das Denken des Durchschnittsfachmannes bis zum Anmeldetag durch
die Vorstellung geprägt,
daß ein
Differenzkolben auch eine Stufe aufweisen muß, um eine klare Flächendifferenz
des Schaftbereiches zum Kopfbereich zu definieren. Demgegenüber weist
die Übergangszone 14 gemäß der Erfindung
eine schlanke vom Kolben 2 ausgehende sowie sich dem Schaft 3 anschmiegende
Form auf. Diese Form vermittelt das Bild von Umfangslinien mit einer
gleichen, stetigen Funktion in einem kartesischen Koordinatensystem.
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In
den 7 und 8 ist eine zweite Ausführungsform
dargestellt. Dabei bestehen die Außenumfangslinien 23 in
der Übergangszone 14 aus
einer Geraden 23, wodurch der Übergangszone 14 die Form
eines Konus verliehen wird. Diese Gerade 23 kann auch von
mehreren Geraden unterschiedlicher Steigung gebildet werden.
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Im
vierten Ausführungsbeispiel
der 9 und 10 ist die
Außenumfangslinie 24 im
Bereich der Ausformung 14 entweder von einer Parabel oder
Hyperbel ähnlich,
wie beim Ausführungsbeispiel
der 5 und 6 gebildet. Der Grenzbereich 25 ist
an der Außenwandung
des Kolbens 2 zur Übergangszone 14 durch
eine Parabel, Radien- oder Hyperbelform abgerundet. Diese abgerundete
Form 26 ist selbstverständlich
auch auf die Ausführungsformen der 5 und 6 einerseits
und der 7 und 8 andererseits übertragbar.
Ebenso kann der Grenzbereich 27 gemäß dem Ausführungsbeispiel 7 in
den 7 und 8 zwischen der Übergangszone 14 und
dem Schaft 3 durch eine Parabel-, Radial- oder eine Hyperbelform 28 abgerundet
sein.
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- 1
- Differenzkolben
- 2
- Kolbenkopf
- 2a
- Öl-Abstreifringe
von 2
- 3
- Schaft
- 4
- Zylinder
- 5
- beaufschlagter
Raum für
den Arbeitshub
- 6
- Öl-Zuführungsleitungen
- 7
- beaufschlagter
Raum für
den Rückhub
- 8
- Freistich
- 9
- Press-Werkzeug
- 10,
11, 18, 19
- Spannungsverteilung
- 12
- Eingriffsfläche
- 13
- Ausformung
- 14
- Übergangszone
- 15
- Außenumfangskonfiguration
des Kolbenkopfes
- 16
- Außenumfangskonfiguration
des Schaftes
- 17,
23, 24
- Außenumfangslinien
- 20
- Wellenlinie
- 21
- Material
des Kolbenkopfes 2
- 22
- Material
des Schaftes 3
- 25,
27
- Grenzbereiche
- 26
- abgerundete
Form
- 28
- Parabel-,
Radial- und Hyperbelform
- D1, D2
- Durchmesser
von Kolbenkopf 2 und Schaft 3