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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein kombiniertes Linearbewegungs- und Drehstellglied,
welches in der Lage ist, eine zusammengesetzte Bewegung in linearer
und Drehrichtung auszugeben.
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Linear-
und Drehstellglieder sind bekannt. Ein herkömmliches derartiges Stellglied
ist so aufgebaut, dass ein Stellglied für eine lineare Bewegung und
ein Stellglied für
eine Drehbewegung so kombiniert werden, dass eine Abtriebswelle
gleichzeitig in einer linearen Richtung und einer Drehrichtung angetrieben
wird. Bei dem herkömmlichen
Stellglied wird der Linearantrieb der Abtriebswelle mit Hilfe eines Fluiddruckzylinders
durchgeführt,
während
der Drehantrieb von einem Rotationsantriebsmechanismus über eine
Keilmutter auf einen Keilwellenabschnitt übertragen wird, der an einem
Teil der Abtriebswelle ausgebildet ist (vgl. bspw.
JP 8-8322 Y2 ).
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Bei
einem solchen zusammengesetzten Linearbewegungs- und Drehstellglied
rotiert jedoch ein Kolben, wenn eine Rotationskraft auf die Abtriebswelle übertragen
wird. Auch in dem Fall, in dem die Abtriebswelle gedreht wird, ist
daher ein Drehantrieb zum Drehen des Rotationsantriebsmechanismus entgegen
dem Reibungswiderstand, der durch einen Dichtabschnitt des Kolbens
bewirkt wird, erforderlich. Die Dichtelemente zum Abdichten eines
Abschnitts zur linearen Bewegung und eines Abschnitts zur Drehbewegung
sind jeweils so aufgebaut, dass sie sowohl eine Linearbewegung als
auch eine Drehbewegung aufnehmen können. Dies beeinträchtigt jedoch
die Dichteigenschaften und die Lebensdauer der Dichtelemente. Dies
liegt daran, dass der Dichtabschnitt des Kolbens sowohl bei der
Linearbewegung als auch bei der Drehbewegung eine Dichtfunktion übernehmen
muss. Dieses Problem tritt nicht nur bei dem Dichtabschnitt des Kolbens
sondern auch bei einem ähnlichen
Dichtelement auf, das an der Abtriebswelle vorgesehen wird.
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Da
bei dem zusammengesetzten Stellglied gemäß der
JP 8-8322 Y2 eine Keilwelle
und der Kolben integral ausgebildet sind, ist es mühsam, die Welle
in zwei Teile zu unterteilen und den Kolben zwischen den Wellenelementen
aufzunehmen, wenn das Stellglied hergestellt wird. Da die Welle
mit dem Keilabschnitt durch eine Zylinderkammer hindurchtritt, ist
zudem ein Dichtelement erforderlich, das sich dem Querschnitt des
Keilprofils anpasst, um die Zylinderkammer gegenüber der Umgebungsluft abzudichten.
Es besteht die Gefahr, dass Fluid nach außen austritt. Aufgrund des
Druckfluides, das sich während
des Zylinders in und aus der Zylinderkammer bewegt, kann es zudem
zu einer unzureichenden Schmierung eines Gleitlagerabschnitt kommen.
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Die
DE 199 04 942 A1 beschreibt
eine Antriebsvorrichtung für
eine Sonar-Sende-
und Empfangseinrichtung auf einem Schiff. Die Antriebsvorrichtung
weist einen doppelt wirkenden, hydraulisch betätigbaren Zylinder auf, der
einen Kolben und eine aus einem Zylindergehäuse linear aus- und einfahrbare
und um eine Antriebsachse drehbare Kolbenstange umfasst. Der Kolben
und die Kolbenstange sind hohl und nehmen eine ebenfalls hohle Drehantriebswelle
auf, gegenüber
der sie linear verfahrbar sind. Die Kolbenstange wird in dem Gehäuse über eine
Kolbenstangenführung
geführt,
gegenüber
der sie sowohl linear verfahrbar als auch mit Hilfe der Drehantriebswelle
drehbar ist. Die Abdichtung gegenüber der Kolbenstangenführung erfolgt über eine Dichtanordnung,
die somit sowohl gegenüber
der Linearbewegung als auch der Drehbewegung der Kolbenstange abdichten
muss.
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Beschreibung der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zusammengesetztes Linearbewegungs-
und Drehstellglied vorzuschlagen, bei dem ein Dichtabschnitt eines
Kolbens oder dgl. die Dichtfunktion nicht sowohl bei der Linearbewegung
als auch der Drehbewegung übernehmen
muss, so dass die Dichtfunktion verbessert und die Lebensdauer der
Dichtung erhöht
werden.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
zusammengesetzten Linearbewegungs- und Drehstellgliedes, bei dem
eine Rotationseinheit mit einem Halter zum Drehen der Abtriebswelle
in einem Bereich mit Umgebungsdruck angeordnet ist, und bei dem
auch ein Keilabschnitt zum Übertragen
der Drehung des Halters auf die Abtriebswelle in dem Bereich mit
Umgebungsdruck angeordnet ist, so dass die Schmierung des Gleitlagers lange
stabil aufrecht erhalten werden kann.
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Schließlich ist
es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zusammengesetztes Linearbewegungs-
und Drehstellglied vorzuschlagen, bei dem der Keilabschnitt nicht
an einer Stange des Kolbens ausgebildet ist, die sich in einer Zylinderkammer
hin und her bewegt, so dass die Notwendigkeit eines Dichtelementes,
das an den Querschnitt des Keilabschnitts angepasst ist, entfällt.
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Diese
Aufgaben werden mit der Erfindung im Wesentlichen durch die Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist bei einem zusammengesetzten Linearbewegungs- und Drehstellglied
in inneres Zylinderrohr konzentrisch in einem äußeren Zylinderrohr vorgesehen,
und ein Kolben, der mittels Druckfluid angetrieben wird, ist in
eine ringförmige
Zylinderkammer zwischen dem inneren Zylinderrohr und dem äußeren Zylinderrohr
derart eingesetzt, dass er in axialer Richtung gleiten kann. Ein
Halter, der mit Hilfe eines Lagers drehbar in dem inneren Zylinderrohr
gehalten wird, kann mittels eines Rotationsantriebsmechanismus gedreht
werden. Eine Abtriebswelle ist in den Halter eingesetzt, in welchem
die Abtriebswelle in axialer Richtung gleitet, wobei sich die Abtriebswelle
nicht relativ zu dem Halter dreht. Die Abtriebswelle ist mit einer
Stange des Kolbens derart verbunden, dass sich die Abtriebswelle
einstückig
mit der Kolbenstange in axialer Richtung bewegt, wobei die Abtriebswelle
relativ zu der Kolbenstange drehbar gelagert ist.
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Erfindungsgemäß sind der
Halter und die Abtriebswelle miteinander durch eine Keilnut verbunden,
die an dem Halter befestigt ist, und durch einen Keilwellenabschnitt,
der an einem Teil der Abtriebswelle ausgebildet ist.
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Vorzugsweise
wird der gesamte Halter drehbar durch das Lager in dem inneren Zylinderrohr
gehalten, und die Abtriebswelle, die in den Halter eingesetzt ist,
ist in einem Bereich mit Umgebungsdruck angeordnet.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Rotationsantriebsmechanismus zum
Drehen des Halters in dem äußeren Zylinderrohr oder
dem inneren Zylinderrohr vorgesehen, und der Rotationsantriebsmechanismus
weist einen Transmissionsmechanismus zur Übertragung einer Drehung des
Rotationsantriebsmechanismus auf den Halter auf. Außerdem ist
der Rotationsantriebsmechanismus zum Drehen des Halters auf der
Achse der Abtriebswelle vorgesehen, so dass er den Halter direkt
dreht.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Linear-
und Drehstellglied ist das innere Zylinderrohr konzentrisch in einem äußeren Zylinderrohr
vorgesehen, und eine Linearbewegungseinheit wird dadurch gebildet, dass
ein Kolben, der mittels Druckluft angetrieben wird, in eine ringförmige Zylinderkammer
zwischen dem inneren Zylinderrohr und dem äußeren Zylinderrohr eingesetzt
ist. Andererseits wird eine Dreheinheit dadurch gebildet, dass der
Halter mittels des Lagers in dem inneren Zylinderrohr gehalten wird,
dass eine Keilmutter an dem Halter befestigt ist und dass die Abtriebswelle
einen Keilwellenabschnitt aufweist, auf welchen die Drehkraft von
der Keilmutter übertragen
wird. Außerdem
wird der Halter der Dreheinheit mittels des Lagers drehbar in dem
inneren Zylinderrohr der Linear bewegungseinheit gehalten, und die Abtriebswelle
mit dem Keilwellenabschnitt ist mittels des Lagers drehbar mit der
Kolbenstange verbunden. Dadurch wird die Rotationskraft der Abtriebswelle
nicht auf den Kolben übertragen,
und der Kolben vollzieht lediglich eine hin und her gehende Bewegung.
Die durch den Dichtabschnitt des Kolbens hervorgerufene Reibung
steht der Abtriebswelle nicht als Widerstand entgegen.
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Die
Dreheinheit mit dem Halter und die Abtriebswelle sind so gestaltet,
dass sie immer in einer Umgebung mit Umgebungsdruck angeordnet sind, so
dass die Schmierung oder dgl. des Gleitlagers der Abtriebswelle
nicht durch den Umgebungsdruck beeinträchtigt wird.
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Wenn
bei dem Linearbewegungs- und Drehstellglied gemäß der vorliegenden Erfindung
die Abtriebswelle gedreht wird, ist es, wie oben im Detail beschrieben,
nicht erforderlich, einen Rotationsantriebsmechanismus entgegen
dem Reibungswiderstand, der durch einen Dichtabschnitt des Kolbens hervorgerufen
wird, zu drehen. Auch wenn die Abtriebswelle gedreht wird, wird
die Drehkraft nicht auf den Kolben übertragen. Dadurch muss der
Dichtabschnitt des Kolbens nicht sowohl Linearbewegungen als auch
Drehbewegungen abdichten. Dementsprechend wird die Dichteigenschaft
verbessert und die Lebensdauer des Linearbewegungs- und Drehstellgliedes
kann verlängert
werden. Da die Rotationseinheit mit einem Halter zum Drehen der
Abtriebswelle in einem Bereich mit Umgebungsluftdruck angeordnet
ist, kann der Aufbau des Linearbewegungs- und Drehstellgliedes insgesamt vereinfacht
werden.
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Weiterbildungen,
Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich
dargestellten Merkmale für
sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfin dung,
unabhängig
von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines Linearbewegungs-
und Drehstellgliedes gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
ein Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Linearbewegungs-
und Drehstellgliedes gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
des zusammengesetzten Linearbewegungs- und Drehstellgliedes gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das Linearbewegungs- und Drehstellglied dieser Ausführungsform
wird durch Kombination einer Linerbewegungseinheit 10 und
einer Dreheinheit 20 gebildet. Im Wesentlichen ist die
Linearbewegungseinheit 10 so aufgebaut, dass ein inneres
Zylinderrohr 12 konzentrisch in einem äußeren Zylinderrohr 11 angeordnet und
ein Kolben 14, der durch Druckfluid angetrieben wird, in
eine ringförmige
Zylinderkammer 13 eingesetzt wird, die zwischen dem äußeren Zylinderrohr 11 und
dem inneren Zylinderrohr 12 ausgebildet ist. Die Dreheinheit 20 weist
einen Halter 21 auf, der durch ein Lager 22 in
dem inneren Zylinderrohr 12 gehalten wird, eine Keilmutter 23,
die an dem Halter 21 befestigt ist, und eine Abtriebswelle 24 mit
einem Keilwellenabschnitt 25, auf welchen die Drehkraft
von der Keilmutter 23 übertragen
wird. Mit dem Halter 21 ist ein Rotationsantriebsmechanismus 30 verbunden, um
den Halter 21 zu drehen.
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Im
Einzelnen verbindet die Linearbewegungseinheit 10 das äußere Zylinderrohr 11 und
das innere Zylinderrohr 12 miteinander an deren Basisende
und bildet eine hohlzylindrisch geformte Zylinderkammer 13 zwischen
den Zylinderrohren 11 und 12 in welche der Kolben 14 mit
einem Kolbendichtungsabschnitt 14a eingesetzt ist. Eine
Stange 15 des Kolbens 14 hat eine zylindrische
Form ähnlich der
des Kolbens 14. Eine Außenfläche eines vorderen Endes der
Stange 15 wird über
ein Dichtelement 17 an einer Stangenabdeckung 16,
die das äußere Zylinderrohr 11 verschließt, abgedichtet.
Gleichzeitig wird eine Gleitbewegung der Stange 15 durch
die Stangenabdeckung 16 geführt. Eine Innenfläche der Kolbenstange 15 wird
mit Hilfe eines Dichtelementes 18, das zwischen dem inneren
Zylinderrohr 12 und der Kolbenstange 15 angeordnet
ist, abgedichtet. Somit wird die Kolbenstange 15 zwischen
den äußeren und
inneren Zylinderrohren 11 und 12 nach außen geführt.
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Da
der Kolben 14 mit Hilfe von Druckfluid angetrieben wird,
ist eine Anschlussöffnung 19 für die Zufuhr
und Abfuhr von Druckfluid, bspw. Druckluft oder dgl., in eine der
Druckkammern, die durch Unterteilung der Zylinderkammer 13 durch
den Kolben 14 gebildet werden, in dem Basisendabschnitt
des inneren Zylinderrohres 12 ausgebildet. Zwar ist der
Anschluss für
die Zufuhr und Abfuhr des Druckfluides in die andere Druckkammer,
die durch den Kolben 14 abgeteilt wird, nicht dargestellt,
doch kann der Anschluss bei Bedarf in der Stangenabdeckung 16 oder dgl.
vorgesehen werden. Auch kann eine Rückführfeder in der Druckkammer
auf der Seite der Stangenabdeckung 16 aufgenommen sein.
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Die
Dreheinheit 20 weist den Halter 21 auf, der mittels
eines Paares von Lagern 22, 22 in dem inneren
Zylinderrohr 12 derart gehalten wird, dass eine Drehbewegung
des Halters 21 zugelassen wird, während seine Bewegung in axialer
Richtung verhindert wird. Außerdem
ist die Keilmutter 23 in dem Halter 21 befestigt.
In dem Halter ist außerdem
die Abtriebswelle 24 mit dem Keilwellenabschnitt 25,
auf welchen die Drehkraft von der Keilmutter 23 übertragen
wird, vorgesehen. Die Abtriebswelle 24 wird mittels einer
Buchse 26 gehalten und ist in den Halter 21 derart
eingesetzt, dass die Abtriebswelle 24 sich nicht relativ
zu dem Halter 21 dreht, während eine Gleitbewegung in
axialer Richtung durch die Keilmutter 23 und den Keilwellenabschnitt 25 zugelassen wird.
Außerdem
ist die Abtriebswelle 24 derart an der Stange 15 des
Kolbens 14 befestigt, dass sich die Abtriebswelle 24 integral
mit der Kolbenstange 15 in axialer Richtung bewegt, während die
Abtriebswelle 24 mittels eines Lagers 27 relativ
zu der Kolbenstange 15 drehbar gehalten wird.
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Der
Rotationsantriebsmechanismus 30 weist einen Motor 31 zum
drehenden Antreiben des Halters 21 auf und wird über einen
Befestigungsarm 28, der an dem inneren Zylinderrohr 12 befestigt
ist, getragen. Als Transmissionsmechanismus zur Übertragung der Drehung des
Halters 21 ist ein Riemen 35 um eine Riemenscheibe 33 geführt, die
an einer Drehwelle 32 des Motors 31 befestigt
ist, und um eine Riemenscheibe 34, die an einem Abschnitt
des Halters 21, der von dem inneren Zylinderrohr 12 vorsteht,
befestigt ist. Anstelle des oben beschriebenen Elektromotors 31 kann
für den
Rotationsantriebsmechanismus 30 auch jede beliebige andere
geeignete Vorrichtung, die einen Rotationsantrieb durchführt, eingesetzt
werden. Als Transmissionsmechanismus kann anstelle der oben beschriebenen
Riemenanordnung auch ein Zahnradgetriebe oder dgl. eingesetzt werden.
Auch wenn bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform
der Rotationsantriebsmechanismus 30 mit Hilfe des inneren
Rohres 12 getragen wird, kann er mittels geeigneter Befestigungsabschnitte
auch an dem äußeren Zylinderrohr 11 befestigt
werden.
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Wenn
bei dem Linearbewegungs- und Drehstellglied gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform
der Kolben 14 in axialer Richtung angetrieben wird, indem
das Druckfluid in die Zylinderkammer 13 zwischen den äußeren und
inneren Zylinderrohren 11, 12 zugeführt bzw.
abgeführt
wird, und der Halter 21 durch den Antrieb des Elektromotors 31 gedreht
wird, so wird die Rotationskraft von der Keilmutter 23,
die an dem Halter 21 befestigt ist, auf den Keilwellenabschnitt 25 der
Abtriebswelle 24 übertragen. Außerdem wird
die Abtriebswelle 24, die über das Lager 27 mit
einem Endabschnitt der Kolbenstange 15 verbunden ist, durch
den Antrieb des Kolbens 14 in direkter Weise vorwärts bewegt.
Hierdurch werden die Kräfte
der Linearbewegung und der Drehbewegung unabhängig voneinander als Antriebskraft
auf die Abtriebswelle 24 übertragen. Mit anderen Worten wird
die Rotationskraft der Abtriebswelle 24 nicht auf den Kolben 14 übertragen,
so dass der Kolben 14 lediglich eine hin und her gehende
Bewegung vollzieht. Die Reibungskraft des Dichtabschnitts des Kolbens 14 beeinträchtigt die
Bewegung der Abtriebswelle 24 nicht. Dementsprechend ist
der Dichtabschnitt 14a des Kolbens 14 nicht so
ausgestaltet, dass er sowohl eine Dichtfunktion in linearer als
auch in Drehrichtung durchführen
kann. Dadurch kann seine Dichtwirkung verbessert und die Lebensdauer
des Dichtabschnitts 14a verlängert werden.
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Die
Dreheinheit mit dem Halter 21, der in dem inneren Zylinderrohr 12 aufgenommen
ist, und der Abtriebswelle 24 ist immer der Umgebungsluft ausgesetzt.
Dadurch wird die Schmierung eines Gleitlagerabschnitts der Abtriebswelle
nicht durch den Luftdruck beeinträchtigt, wie es bei einer Keilwelle
der Fall ist, die die Zylinderkammer durchtritt.
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Bei
der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform ist die Riemenscheibe 34 an
einem Abschnitt des Halters 21 befestigt, der aus dem inneren Zylinderrohr 12 vorsteht,
und die Rotationskraft wird von dem Motor 31 über den
Transmissionsmechanismus mit der Riemenscheibe 34 übertragen.
Das Linearbewegungs- und
Drehstellglied kann aber auch so aufgebaut sein, dass der Halter 21 selbst
als Drehwelle für
verschiedene Arten von Drehstellgliedern dient, ohne dass der oben
beschriebene Transmissionsmechanismus zwischengeschaltet ist.
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Bei
der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform der Erfindung ist
anstelle des Rotationsantriebsmechanismus 30 zum Drehen
des Halters 21 ein Gewindedrehstellglied 42 zum
direkten Drehen eines Halters 41, der sich entlang der
Abtriebswelle 24 erstreckt, vorgesehen. Der Aufbau der Linearbewegungseinheit 10 und
der Dreheinheit 20 und ihre Funktion unterscheiden sich
nicht wesentlich von der ersten Ausführungsform, bis auf die Tatsache,
dass bei der zweiten Ausführungsform
das Drehstellglied 42 vorgesehen ist. Daher werden die gleichen
Bezugszeichen zur Bezeichnung gleicher Elemente wie bei der ersten
Ausführungsform
verwendet und lediglich diejenigen Teile nachfolgend erläutert, die
sich von der ersten Ausführungsform
unterscheiden. Ansonsten wird auf die obige Beschreibung verwiesen.
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Der
Halter 41 der Dreheinheit 20 durchtritt bei der
zweiten Ausführungsform
eine Endkappe 43, die einen unteren Abschnitt des inneren
Zylinderrohrs 12 verschließt. Der Halter 41 durchtritt
außerdem
ein Gehäuse 44 des
Drehstellgliedes 42, das an einer Außenfläche der Endkappe 43 angebracht
ist und ist nach außen
herausgeführt.
Das Drehstellglied 42, das an einem äußeren Umfangsabschnitt des Halters 41 vorgesehen
ist, bildet eine zweite Zylinderkammer 45 zwischen dem
Gehäuse 44 und
dem Halter 41. Ein Kolben 46 für den Rotationsantrieb ist
in einen inneren Abschnitt der Zylinderkammer 45 eingesetzt.
Der Kolben 46 gleitet in axialer Richtung, indem das Druckfluid
von einem Zufuhr- und
Ablassanschluss (nicht dargestellt) in eine Druckkammer an beiden
Seiten des Kolbens 46 eingeführt wird. Da eine Vielzahl
von geraden Nuten 47 an einer Außenfläche des Kolbens 46 vorgesehen
ist und eine Vielzahl von Stiften 48 von einer Innenfläche des
Gehäuses 44 vorsteht
und in die Nuten 47 eingreift, wird bei der Gleitbewegung
des Kolbens mit Hilfe der Stifte 48 eine Drehung des Kolbens 46 verhindert.
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Außerdem ist
an einer Oberfläche
des Halters 41, der in dem Gehäuse 44 angeordnet
ist, eine schraubenförmige
Nut 49 ausgebildet. Ein Stift 50, der von einer
Innenfläche
des Kolbens 46 vorsteht, greift in die Nut 49 ein.
Dementsprechend wird der Halter 41 mittels des von der
Innenfläche
des Kolbens 46 vor stehenden Stiftes 50 gedreht,
während
er sich in axialer Richtung des Kolbens 46 bewegt.
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Der
Rotationsantriebsabschnitt ist nicht auf die Antriebmechanismen,
die bei den ersten und zweiten Ausführungsformen dargestellt sind,
beschränkt.
Vielmehr können
auch andere Mechanismen, bspw. Zahnstangen-Drehstellglieder, bei
denen eine Verzahnung um einen äußeren Umfangsabschnitt
des Halters ausgebildet ist und eine Zahnstange mit dieser in Eingriff
tritt, oder dgl. eingesetzt werden.