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Die
Erfindung betrifft einen pneumatischen Linearantrieb mit einem Antriebsgehäuse, in
dem sich mindestens ein eine Kolbenlauffläche definierender Kolbenaufnahmeraum
befindet, der von einem darin befindlichen Antriebskolben axial
in zwei Arbeitskammern unterteilt ist, wobei der Antriebskolben im
Bereich seines Außenumfanges
mindestens eine elastisch verformbare ringförmige Kolbendichtung aufweist,
die dichtend an der Kolbenlauffläche
anliegen kann, um einen Luftübertritt
zwischen den beiden Arbeitskammern zu verhindern, und wobei mindestens
eine der Arbeitskammern mit Druckluft beaufschlagbar ist, um den
Antriebskolben zu einer linearen Verfahrbewegung zu veranlassen,
bei der eine seinem Außenumfang
zugeordnete Gleitfläche
an der Kolbenlauffläche
entlanggleitet, wobei die Kolbendichtung eine radial außen liegende
Begrenzungswand einer dem Antriebskolben zugeordneten Beaufschlagungskammer
bildet und wobei Mittel vorhanden sind, durch die die Beaufschlagungskammer aus
der momentan mit Druckluft beaufschlagten Arbeitskammer mit Druckluft
speisbar ist, derart, dass die Kolbendichtung nach radial außen in eine
unter Vorspan nung an der Kolbenlauffläche anliegende Dichtstellung
verformt wird
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Ein
aus der
DE 195 04
207 C2 bekannter pneumatischer Linearantrieb ist als doppeltwirkender Pneumatikzylinder
konzipiert und enthält
einen in einem Kolbenaufnahmeraum linear verfahrbar angeordneten
Antriebskolben. Durch Beaufschlagung der einen oder anderen von
dem Antriebskolben abgetrennten Arbeitskammer mit Druckluft, lässt sich
der Antriebskolben in der einen oder anderen Richtung zwischen zwei
Endlagen verschieben. Bei der Linearbewegung gleitet der Antriebskolben
mit einer an seinem Außenumfang
angeordneten Gleitfläche
an der den Kolbenaufnahmeraum begrenzenden Kolbenlauffläche entlang.
Zwei ständig
mit der Kolbenlauffläche
in Dichtkontakt stehende Kolbendichtungen verhindern dabei einen Übertritt
von Druckluft zwischen den beiden Arbeitskammern.
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Ein
aus der
DE 94 00 843
U1 bekannter Arbeitszylinder verfügt über einen Antriebskolben mit integrierter
Klemmeinrichtung. Ein ringförmiges Klemmteil
des Antriebskolbens kann radial gegen die Kolbenlauffläche vorgespannt
werden, um den Antriebskolben in einer bestimmten Position axial
unbeweglich zu fixieren. Unabhängig
vom Betriebszustand der Klemmeinrichtung stehen zwei am Antriebskolben
angeordnete Kolbendichtungen in ständigem Dichtkontakt mit der
Kolbenlauffläche.
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Ein
aus der
JP 62-155932
U bekannter pneumatischer Linearantrieb der eingangs genannten
Art verfügt über einen
Antriebskolben, der in einem Kolbenaufnahmeraum linear verfahrbar
angeordnet ist und der im Bereich seines Außenumfanges zwei radial verformbare
Kolbendichtungen trägt.
Jede Kolbendichtung begrenzt eine Beaufschlagungskammer, die mit
einer der beiden vom Antriebskolben voneinander abgeteilten Arbeitskammern
in Fluidverbindung steht. Wird eine der Arbeitskammern zum Hervorrufen
einer Linearbewegung des Antriebskolbens mit Druckmedium beaufschlagt,
drückt
dieses Druckmedium gleichzeitig die zugeordnete Kolbendichtung gegen
die Kolbenlauffläche,
so dass die Kolbendichtung sowohl eine zur Führung des Antriebskolbens dienende
Gleitfläche
bildet als auch die beiden Arbeitskammern fluiddicht voneinander
abtrennt. Die abdichtende Wirkung setzt praktisch gleichzeitig mit
dem Beginn des Kolbenhubes ein.
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Aus
der
EP 0 158 457 A2 ist
eine Dichtungsanordnung bekannt, die derart an einem Kolben angeordnet
ist, dass sie wiederum eine Doppelfunktion ausübt, wobei sie neben der eigentlichen
Abdichtfunktion auch die Funktion einer Gleitfläche übernimmt. Die Kolbendichtung
ragt ständig
radial über die
Außenfläche des
Kobens hinaus.
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Die
DE 42 38 638 A1 befasst
sich mit einer Anordnung zur Abdichtung von Hydraulikzylindern, bei
der Dichtungsringe von Anbeginn der Fluidbeaufschlagung einer Arbeitskammer
an gegen die Kolbenlauffläche
gedrückt
werden, so dass sie als Gleitfläche
fungieren und während
der gesamten Kolbenbewegung an der Kolbenlauffläche entlanggleiten.
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Bei
allen bekannten Linearantrieben muss eine nicht unbeträchtliche
Gleitreibung zwischen den Kolbendichtungen und der Kolbenlauffläche toleriert werden.
Diese beeinträchtigt
die Verfahrgeschwindigkeit des Antriebskolbens und ist eine Verschleißquelle.
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Mit
der vorliegenden Erfindung soll der beim bisherigen Einsatz von
Kolbendichtungen bestehenden Reibungsproblematik entgegengewirkt
werden.
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Die
vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
die Gleitfläche
am Außenumfang
des Antriebskolbens axial neben der mindestens einen Kolbendichtung
angeordnet ist, wobei die mindestens eine Kolbendichtung im drucklosen
Zustand der Beaufschlagungskammer eine Grundstellung einnimmt, in
der sie auf Grund eines bezüglich der
Gleitfläche
geringeren Außenumfanges
gegenüber
der Gleitfläche
radial zurückversetzt
ist und wobei die für
die Druckluftspeisung der Beaufschlagungskammer verantwortlichen
Mittel so ausgebildet sind, dass die Kolbendichtung erst dann in
die Dichtstellung verformt wird, wenn der in der Beaufschlagungskammer
herrschende Druck aufgrund eines auf den Antriebskolben einwirkenden
Widerstandes auf einen bezüglich
dem zum Verfahren des Antriebskolbens notwendigen Verfahrdruck höheren Aktivierungsdruck
ansteigt.
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Auf
diese Weise lässt
sich der Antriebskolben linear verfahren, ohne dass ein Dichtkontakt
zwischen der Kolbendichtung und der Kolbenlauffläche besteht. Die Abdichtung
zwischen dem Antriebskolben und dem Antriebsgehäuse wird bei der Verfahr bewegung
allein durch den zwischen der Gleitfläche und der Kolbenlauffläche vorhandenen
minimalen Laufspalt gewährleistet.
Eine geringfügige
Leckage, d. h. ein gewisser Luftübertritt
zwischen den beiden Arbeitskammern wird toleriert. Bedingt durch
den fehlenden Kontakt zwischen der in der Regel relativ weichen
Kolbendichtung und der Kolbenlauffläche kann der Antriebskolben
extrem leichtgängig
verfahren werden, in Verbindung mit geringem Verschleiß und bei
Bedarf mit relativ hoher Geschwindigkeit.
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Erst
wenn der Antriebskolben eine Endlage erreicht hat oder in einer
anderen Axialposition durch einen Widerstand an einem leichten Weiterbewegen gehindert
wird, kommt die Dichtwirkung der Kolbendichtung zum Tragen. Diese
wird dann aufgrund des Druckaufbaus aus der bis dahin eingenommenen, gegenüber der
Gleitfläche
radial zurückversetzten Grundstellung
nach radial außen
verformt und über die
Gleitfläche
hinaus verlagert, wobei sie an die Kolbenlauffläche angedrückt wird. Hierbei wird sie
in der Regel in ihrer Umfangsrichtung gedehnt. In der dabei eingenommenen
Dichtstellung gewährleistet
sie eine zuverlässige
luftdichte Abdichtung zwischen den beiden Arbeitskammern, sodass
praktisch keine Leckage mehr auftritt. Somit kann der Antriebskolben
in derjenigen Stellung, in der er anwendungsbedingt mit einer hohen
Stellkraft zu beaufschlagen ist, sicher festgehalten werden, ohne
ständig Druckluft
in die für die
Stellkraft verantwortliche Arbeitskammer nachzuspeisen.
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Da
die Dichtfunktion der Kolbendichtung druckabhängig ist, liegt ein dynamisches
System vor, das sich selbsttätig
an die jeweiligen Gegebenheiten anpasst. Die Kolbendichtung wird
immer dann in die Dichtstellung verlagert, wenn auf Grund eines
erhöhten
mechanischen Widerstandes der in der Beaufschlagungskammer herrschende
Druck einen vorbestimmten Aktivierungsdruck erreicht. Die Höhe des Aktivierungsdruckes
kann insbesondere durch die Struktur und/oder die Materialwahl der
Kolbendichtung beeinflusst werden.
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Obgleich
nicht im Vordergrund stehend, erreicht man durch die Anpressung
der in Dichtstellung befindlichen Kolbendichtung an die Kolbenlauffläche auch
einen Klemmeffekt, durch den der Antriebskolben zusätzlich mechanisch
bezüglich
dem Antriebsgehäuse
fixiert wird, und nicht allein durch die auf ihn axial einwirkende
fluidische Stellkraft.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Bei
der Kolbendichtung handelt es sich vorzugsweise um einen elastischen
Kunststoffkörper. Eine
Weichelastizität
ist nicht Bedingung, ist allerdings vorteilhaft. Vorzugweise kommt
ein Elastomermaterial zum Einsatz. Es ist von Vorteil, wenn die
Kolbendichtung in einem spaltartigen Zwischenraum des Antriebskolbens
aufgenommen ist. Dadurch kann die Kolbendichtung durch den von radial
innen her auf sie einwirkenden Aktivierungsdruck zusätzlich axial
zwischen den Flanken des Zwischenraumes verspannt werden. Dies verhindert
in besonders zuverlässiger
Weise ein Umströmen
der sich in Dichtstellung befindlichen Kolbendichtung.
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Die
die Fluidbeaufschlagung der Beaufschlagungskammer bewirkenden Mittel
sind bei einer besonders einfachen Bauform des Antriebskolbens so ausgeführt, dass
die Beaufschlagungskammer über eine
ständig
offene Verbindung der zugeordneten Arbeitskammer verbunden ist.
Der in der Arbeitskammer herrschende Druck herrscht hier jeweils
gleitzeitig auch in der Beaufschlagungskammer. Hierbei kann die
Beaufschlagungskammer beispielsweise eine im Wesentlichen geschlossene
Kammer im Innern des Antriebskolbens sein, die über einen oder mehrere den
Antriebskolben durchsetzende Verbindungskanäle mit der benachbarten Arbeitskammer verbunden
ist. Bei einer anderen alternativen Ausführungsform ist eine zur Stirnfläche des
Antriebskolbens offene axiale Vertiefung des Antriebskolbens vorgesehen,
die die Beaufschlagungskammer unmittelbar selbst bildet oder mit
dieser in Verbindung steht.
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Bei
dieser vorgenannten Bauweise resultiert der Druckaufbau in der Beaufschlagungskammer
unmittelbar aus dem Druckaufbau in der damit verbundenen Arbeitskammer,
der auftritt, wenn der Antriebskolben an einer Weiterbewegung gehindert
ist, sei es durch Erreichen einer vom Linearantrieb vorgegebenen
Endlage oder eine durch externe Objekte vorgegebenen Position. Die
durch den Ringspalt zwischen der Gleitfläche und der Kolbenlauffläche hindurch
mögliche
Leckage wirkt sich auf den Druckaufbau in der mit Druckluft beaufschlagten
Arbeitskammer nur minimal aus, sodass nach kurzer Zeit der für das Verlagern
der Kolbendichtung in die Dichtstellung erforderliche Aktivierungsdruck
erreicht wird.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
ist der Antriebskolben mit einer Ventileinrichtung ausgestattet,
die zwischen die Beaufschlagungskammer und die Arbeitskammer zwischengeschaltet
ist und die eine vom momentanen Betriebszustand des Linearantriebes
abhängige
Beaufschlagung der Beaufschlagungskammer hervorruft.
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Die
Ventileinrichtung enthält
insbesondere Zuströmventilmittel,
die eine Luftzuströmung
aus der mit Druckluft beaufschlagten Arbeitskammer in die zugeordnete
Beaufschlagungskammer erst zulassen, wenn der in der Arbeitskammer
herrschende Druck den zum Verfahren des Antriebskolbens erforder lichen
Verfahrdruck übersteigt.
Insbesondere wird die Luftzuströmung
erst dann freigeschaltet, wenn der in der Arbeitskammer herrschende
Druck auf den Aktivierungsdruck angestiegen ist.
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Die
entsprechenden Zuströmventilmittel
können
insbesondere mindestens ein Rückschlagventil enthalten,
das derart in seine Schließstellung
vorgespannt ist, dass es erst bei Erreichen des geforderten Druckwertes öffnet.
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Bei
einer derart gesteuerten Druckluftzufuhr in die Beaufschlagungskammer
lässt sich
sehr zuverlässig
gewährleisten,
dass die Kolbendichtung nicht zu frühzeitig in die Dichtstellung übergeht.
Man kann insbesondere ein schlagartiges Verformen aus der Grundstellung
in die Dichtstellung bewirken.
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In
Verbindung mit den Zuströmventilmitteln ist
es von Vorteil, wenn auch parallel geschaltete Abströmventilmittel
vorhanden sind, die eine Druckentlastung der Beaufschlagungskammer
ermöglichen, wenn
die zugeordnete Arbeitskammer – insbesondere
zum Zwecke einer Bewegungsumkehr des Antriebskolbens – entlüftet wird.
Da die Verformung der Kolbendichtung reversibel ist, kehrt diese
bei Absinken des sie radial beaufschlagenden Druckes wieder in die
Grundstellung zurück.
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Auch
die Abströmventilmittel
können
durch mindestens ein Rückschlagventil
realisiert werden.
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Die
vorgenannten Maßnahmen
können zweifach,
insbesondere spiegelbildlich, vorhanden sein, um die geschilderte
Funktionalität
in Verbindung mit einem doppelt wirkenden Linearantrieb bei beiden
Bewegungsrichtungen realisieren zu können.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In
dieser zeigen:
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1 eine
bevorzugte erste Bauform des erfindungsgemäßen Linearantriebes in einer
schematischen Längsschnittdarstellung
bei in der Grundstellung befindlicher Kolbendichtung,
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2 die
Anordnung aus 1 im Querschnitt gemäß Schnittlinie
II-II, und
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3 die
Anordnung aus 1 in einer der 2 entsprechenden
Querschnittsdarstellung, allerdings bei in die Dichtstellung verlagerter
Kolbendichtung.
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Bei
dem in der Zeichnung gezeigten, insgesamt mit Bezugsziffer 1 bezeichneten
pneumatischen Linearantrieb handelt es sich um einen Pneumatikzylinder,
mit einem vom Zylindergehäu se
gebildeten länglichen
Antriebsgehäuse 2 und
einem darin in Längsrichtung
linear verschiebbar angeordneten Antriebskolben 3, der
mit einer dem Kraftabgriff dienenden, aus dem Antriebsgehäuse 2 herausragenden
Kolbenstange 4 verbunden ist.
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Abweichend
vom Ausführungsbeispiel
lässt sich
die Erfindung auch auf andere Typen pneumatischer Linearantriebe
anwenden. Hier ist insbesondere an kolbenstangenlose Linearantriebe
gedacht, beispielsweise Linearantriebe mit berührungsloser Magnetkopplung
zwischen dem Antriebskolben 3 und einem mit diesem in Antriebsverbindung
stehenden externen Abtriebsteil.
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Das
Antriebsgehäuse 2 hat
wie erwähnt Längsgestalt
mit einer Längsachse 5,
die bevorzugt gleichzeitig die Längsachse
des gesamten Linearantriebes 1 bildet. Im Innern des Antriebsgehäuses 2 befindet
sich ein sich in Richtung der Längsachse 5 erstreckender
Kolbenaufnahmeraum 6 mit bevorzugt zylindrischer Gestalt.
Exemplarisch ist ein kreisförmiger
Querschnitt vorgesehen.
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Die
den Kolbenaufnahmeraum 6 umfangsseitig begrenzende Umfangswand 7 des
Antriebsgehäuses 2 bildet
mit ihrer Innenmantelfläche
eine zylindrische Kolbenlauffläche 8 für den Antriebskolben 3.
An seinen beiden Stirnseiten ist der Kolbenaufnahmeraum 6 durch
je eine Abschlusswand 12, 13 des An triebsgehäuses 2 verschlossen.
Mindestens eine Abschlusswand ist gleitverschieblich von der Kolbenstange 4 durchsetzt,
deren innerer Endabschnitt 14 am Antriebskolben 3 befestigt
ist und deren dem Antriebsgehäuse 2 außen axial
vorgelagerter äußerer Endabschnitt 15 dem
Kraftabgriff dient. An dem äußeren Endabschnitt 15 kann
beispielsweise ein nur schematisch angedeutetes zu verlagerndes
Objekt 16 fixiert werden. An dem äußeren Endabschnitt 15 vorgesehene
Befestigungsmittel sind in der Zeichnung nicht weiter dargestellt.
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Der
Antriebskolben 3 besitzt einen starren Kolbengrundkörper 17,
an dem der innere Endabschnitt 14 der Kolbenstange 4 befestigt
ist. Der Kolbengrundkörper 17 kann
wie beim Ausführungsbeispiel
einteilig ausgeführt
sein oder sich aus mehreren in beliebiger Weise miteinander verbundenen Komponenten
zusammensetzen.
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Der
Kolbengrundkörper 17 hat
eine bezüglich
der Innenkontur des Kolbenaufnahmeraumes 6 komplementäre Außenkontur
mit geringfügig
kleinerem Durchmesser oder Querschnitt, sodass er mit minimalem
radialem Spielraum im Kolbenaufnahmeraum 6 angeordnet ist.
Dieser radiale Spielraum bildet einen mit bloßem Auge nicht sichtbaren Laufspalt 18,
der dem Antriebskolben 3 ein extrem reibungsarmes Gleiten
im Kolbenaufnahmeraum 6 in Richtung der Längsachse 5 ermöglicht.
Seine Außenmantel fläche bildet
dabei eine bevorzugt zylindrische Gleitfläche 22, mit der er
der Kolbenlauffläche 8 entlanggleiten
kann, um eine mit der Längsachse 5 gleichgerichtete
Verfahrbewegung 23 in der einen oder anderen Richtung auszuführen.
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Die
Breite des Laufspaltes 18, der nichts anderes als ein Luftspalt
ist, liegt beispielsweise in einer Größenordnung von 5 μm.
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Ein
vergleichbarer, zur besseren Unterscheidung als Bewegungsspalt 24 bezeichneter
Luftspalt ist zwischen dem Außenumfang
der Kolbenstange 4 und dem Innenumfang der von der Kolbenstange 4 durchsetzten
Durchbrechung 25 der Abschlusswand 12 vorhanden.
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Wenn
der Antriebskolben 3 eine Verfahrbewegung 23 ausführt, besteht
somit zwischen der aus Antriebskolben 3 und Kolbenstange 4 zusammengesetzten
Bewegungseinheit 26 und dem Antriebsgehäuse 2 kein Kontakt
weicher Materialien. Die Bewegungseinheit 26 ist praktisch
frei fliegend, mit durch die Luftspalte 18, 24 definiertem
Radialspiel, im Antriebsgehäuse 2 linear
verschiebbar gelagert.
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Um
die Verfahrbewegung 23 hervorzurufen, wird die eine oder
andere der beiden Arbeitskammern 27, 28, in die
der Kolbenaufnahmeraum 6 durch den Antriebskolben 3 unterteilt
ist, mit Druckluft beaufschlagt und gleichzeitig die jeweils andere
Arbeitskammer 28, 27 entlüftet. Für die hierzu erforderliche
gesteuerte Einspeisung und Abfuhr der Druckluft mündet in
jede Arbeitskammer 27, 28 ein die Wandung des
Antriebsgehäuses 2 durchsetzender eigener
Steuerkanal 32, 33. Exemplarisch ist jede der beiden
Abschlusswände 12, 13 von
einem der Steuerkanäle 32, 33 durchsetzt.
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Wird
die eine Arbeitskammer 27 oder 28 mit Druckluft
beaufschlagt und gleichzeitig die andere Arbeitskammer entlüftet, bewirkt
die daraus resultierende Druckdifferenz ein Verfahren des Antriebskolbens 3 in
Richtung der entlüfteten
Arbeitskammer. Hierbei findet auf Grund der fehlenden Abdichtung
im Bereich des Laufspaltes 18 ein als Leckage bezeichenbarer
Druckluftübertritt
zwischen den beiden Arbeitskammern 27, 28 in einem
geringen Maße
statt. Dies ist tolerierbar, zumal auf Grund der geringen Reibung
in der Regel eine relativ hohe Fahrgeschwindigkeit vorhanden ist.
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Während im
Laufe der Verfahrbewegung 23 auf Grund des vorhandenen
Laufspaltes 18 eine äußerst geringe
Reibung auftritt, ist durch besondere Maßnahmen gewährleistet, dass die beiden
Arbeitskammern 27, 28 im Bereich des Laufspaltes 18 gasdicht
voneinander abgetrennt sind, wenn der Antriebskolben 3 eine
durch einen Widerstand hervorgerufene Endlage erreicht. Bei dieser
Endlage kann es sich bei 1 strichpunktiert angedeutete
Hubendlage 34 handeln, die dadurch definiert ist, dass der
Antriebskolben 3 bei seiner Verfahrbewegung an einer gehäusefesten
Anschlagfläche 35 zur
Anlage gelangt, die beispielsweise von der ihm axial zugewandten
Innenfläche
einer Abschlusswand 12, 13 gebildet ist. Eine
Endlage in dem genannten Sinne liegt aber auch dann vor, wenn der
Antriebskolben 3 vor Erreichen der prinzipiell möglichen
Hubendlage durch einen Widerstand gestoppt wird, beispielsweise
dadurch, dass ein von ihm zu betätigendes
Objekt 16 in eine gewünschte
Stellung verbracht wurde oder er an einem externen Objekt zur Anlage
gelangt. Diese auch als Zwischen-Endlage bezeichenbare Endlage ist
eine dynamische Endlage, sie kann praktisch bei jeder Axialposition
des Antriebskolbens 3 auftreten und zwar in Abhängigkeit
vom jeweiligen Anwendungsfall.
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Für die Abdichtung
des Laufspaltes 18 verantwortlich sind beim Ausführungsbeispiel
zwei elastisch verformbare Kolbendichtungen 36, 37,
mit denen der Antriebskolben 3 ausgestattet ist. In Abhängigkeit
davon, in welcher Richtung der Antriebskolben 3 vor dem
Erreichen der Endlage bewegt wurde, ist die eine oder andere der
beiden Kolbendichtungen 36, 37 für die statische
Abdichtung des Laufspaltes 18 verantwortlich. Wäre der Linearantrieb
nicht als doppelt wirkender Arbeitszylinder konzipiert, sondern vom
sogenannten einfach wirkenden Prinzip, bei dem die Verfahrbewegung 23 des
Antriebskolbens 3 nur in einer Richtung durch eine Druckluftbeaufschlagung
hervorgerufen wird, kann auf die zweite Kolbendichtung verzichtet
werden. Es ist ferner zu erwähnen,
dass abweichend vom Ausführungsbeispiel
pro Verfahrrichtung mehrere Kolbendichtungen vorhanden sein können.
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Die
beiden beim Ausführungsbeispiel
vorhandenen Kolbendichtungen 36, 37 bilden die
radial außen
liegenden Begrenzungswände
zweier fluidisch nicht miteinander in Verbindung stehender getrennter
Beaufschlagungskammern 38, 39, die zweckmäßigerweise
im Innern des Kolbengrundkörpers 17 ausgebildet
sind. Beim Ausführungsbeispiel sind
die beiden Beaufschlagungskammern 38, 39 jeweils
scheibenförmig
flache Ringkammern, deren radial innen liegende Begrenzungswand
vom inneren Endabschnitt 14 der Kolbenstange 4 gebildet
ist. Es ist jedoch nicht notwendig, dass die Kolbenstange 4 zur
Begrenzung der Beaufschlagungskammern 38, 39 beiträgt. Diese
können
auch direkt vom Kolbengrundkörper 17 begrenzt
sein.
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Zweckmäßigerweise
sitzt jede Kolbendichtung 36, 37 in einem spaltartigen
Zwischenraum 42, 43 des Grundkörpers 17, wobei die
Ausdehnungsebene jedes Zwischenraumes 42, 43 rechtwinkelig
zu der Längsachse 5 verläuft. Die
beiden Zwischenräume 42, 43 sind
axial beabstandet zueinander angeordnet. Der ra dial innerhalb der
koaxial in den zugeordneten Zwischenraum 42, 43 eingesetzten
Kolbendichtung 36, 37 gebildete Abschnitt des
Zwischenraumes 42, 43 bildet die zugehörige Beaufschlagungskammer 38, 39.
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Bei
dem spaltartigen Zwischenraum 42, 43 handelt es
sich insbesondere um einen Ringspalt.
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Die
Kolbendichtungen 36, 37 sind im Bereich des Außenumfanges
des Antriebskolbens 3 angeordnet, d. h. sie befinden sich
im Bereich der Gleitfläche 22.
Der Außenumfang
jeder Kolbendichtung 36, 37 ist im nicht beaufschlagten
Zustand geringer als der Umfang der Gleitfläche 22. Mit ”Außenumfang” und ”Umfang” ist jeweils
die in der Umfangsrichtung gemessene Erstreckung gemeint.
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Auf
Grund dieser maßlichen
Differenz in der Umfangserstreckung nimmt die Kolbendichtung 36, 37 im
drucklosen Zustand der von ihr begrenzten Beaufschlagungskammer 38, 39 die
in 2 illustrierte Grundstellung ein, in der sie gegenüber der
Gleitfläche 22 radial
zurückversetzt
ist. Die der Kolbenlauffläche 8 zugewandte,
außen
liegende ringförmige Dichtfläche 44 ist
also bezüglich
der Gleitfläche 22 geringfügig radial
versenkt, sodass ungeachtet des vorhandenen Radialspiels zwischen
der Bewegungseinheit 26 und dem Antriebsgehäuse 2 ein
Kontakt zwischen der Kolbendichtung 36, 37 und
der Kolbenlauffläche 8 verhindert
werden kann. Die Gleitfläche 22 steht
bezüglich
der ringförmigen
Dichtfläche 44 geringfügig radial über.
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Man
kann dadurch, dass die Kolbendichtung 36, 37 in
dem Zwischenraum 42, 43 unter einer gewissen axialen
Vorspannung aufgenommen ist, die in der Grundstellung bezüglich dem
Kolbengrundkörper 17 eingenommene
Relativposition der Kolbendichtung 36, 37 vorgeben.
Zweckmäßigerweise
liegt hier eine koaxiale Anordnung vor. Allerdings wäre es prinzipiell
auch denkbar, die Kolbendichtung 36, 37 nur geringfügig radial
abzustützen,
sodass sie in gewisser Weise bezüglich
dem Kolbengrundkörper 17 radial
schwimmend gehalten ist und sich selbsttätig bezüglich der Kolbenlauffläche 8 ausrichten
kann.
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Man
hat auch die Möglichkeit,
bezüglich
dem Kolbengrundkörper 17 ortsfeste
Stabilisierungsmittel 45 vorzusehen, die die Kolbendichtung 36, 37 bei Einnahme
der Grundstellung koaxial bezüglich
der Längsachse 5 zentrieren.
Es kann sich hier beispielsweise um in 2 und 3 strichpunktiert
angedeutete Vorsprünge
handeln, die in den von der Kolbendichtung 36, 37 begrenzten
Ringraum eingreifen und an denen sich die Kolbendichtung 36, 37 mit
ihrer der ringförmigen
Dichtfläche 44 radial
entgegengesetzten Innenumfangsfläche 46 abstützen kann.
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Die
Kolbendichtung 36, 37 besteht aus einem ausreichend
elastischen Material, um eine elastische Aufweitung und damit verbundene,
radial nach außen
gerichtete Verformung zu ermöglichen,
wenn die Kolbendichtung 36, 37 von radial innen
her einem gewissen pneumatischen Druck ausgesetzt ist. Vorzugsweise
besteht die Kolbendichtung 36, 37 aus einem Elastomermaterial
oder einem anderen Kunststoffmaterial.
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Durch
die zur Gleitfläche 22 hin
offenen spaltartigen Zwischenräume 42, 43 wird
die Gleitfläche 22 in
mehrere axial aufeinanderfolgende Gleitflächenabschnitte unterteilt.
Jede Kolbendichtung 36, 37 ist dabei axial beidseits
von je einem dieser kreiszylindrischen Gleitflächenabschnitte flankiert.
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Während bei
in der Grundstellung befindlicher Kolbendichtung 36, 37 keine
Abdichtung des Laufspaltes 18 stattfindet, kann die Kolbendichtung 36, 37 durch
von radial innen her erfolgende Druckluftbeaufschlagung derart nach
radial außen
verformt werden, dass sie unter Einnahme einer Dichtstellung unter
Vorspannung an der Kolbenlauffläche 8 anliegt. Sie
tritt dabei mit dem die ringförmige
Dichtfläche 44 aufweisenden äußeren Umfangsabschnitt
radial nach außen
aus dem zugeordneten Zwischenraum 42, 43 aus und
steht geringfügig
in radialer Richtung über
die Gleitfläche 22 vor.
In der 3 ist der Zustand bei eingenommener Dichtstellung
illustriert. Dort ist gut der innige Dichtkontakt zwischen der ringförmigen Dichtfläche 44 und
der Kolbenlauffläche 8 erkennbar.
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Bei
Einnahme dieser Dichtstellung ist ein Luftübertritt zwischen den beiden
Arbeitskammern 27, 28 durch den Luftspalt 18 hindurch
verhindert.
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Ein
Umströmen
der Kolbendichtung 36, 37 durch den Zwischenraum 42, 43 hindurch
wird insbesondere dadurch verhindert, dass die nach radial außen beaufschlagte
Kolbendichtung 36, 37 aufgrund ihrer Abstützung an
der Kolbenlauffläche 8 auch
eine Verformung im Sinne einer Verbreiterung in der Richtung der
Längsachse 5 erfährt, mit
der Folge, dass sie unter verstärkter
Abdichtung an den sie flankierenden Abschnitten der Seitenflächen des
zugeordneten Zwischenraumes 42, 43 anliegt.
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Es
sind nun Mittel vorhanden, durch die eine jeweilige Beaufschlagungskammer 38, 39 aus
der bei der momentanen Betriebsphase des Linearantriebes 1 mit
Druckluft beaufschlagten Arbeitskammer 27 oder 28 mit
Druckluft speisbar ist, sodass sie aus ihrer zuvor noch eingenommenen
Grundstellung in die Dichtstellung verformt wird, wenn der in der
Beaufschlagungskammer 38, 39 herrschende Druck
auf einen vorbestimmten Aktivierungsdruck ansteigt, der höher ist,
als der zum bloßen
Verfahren des Antriebskolbens 3 erforderliche Verfahrdruck.
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Auf
Grund der Dynamik des Systems baut sich in der mit Druckluft beaufschlagten
Arbeitskammer erst dann der volle, durch die Druckluftquelle zur Verfügung gestellte
Betriebsdruck auf, wenn der Antriebskolben 3 auf einen
Widerstand stößt und sich nicht
mehr oder zumindest nicht mehr uneingeschränkt weiterbewegen kann, er
also in einer der oben erläuterten
Endlagen angekommen ist. Bis zu diesem Zeitpunkt herrscht in der
mit Druckluft beaufschlagten Arbeitskammer ein gegenüber dem
Betriebsdruck reduzierter Druck, der, weil er die Verfahrbewegung 23 hervorruft,
als Verfahrdruck bezeichnet sei.
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Beim
Ausführungsbeispiel
steht die eine, erste Beaufschlagungskammer 38 mit der
einen, ersten Arbeitskammer 27 und die andere, zweite Beaufschlagungskammer 39 mit
der zweiten Arbeitskammer 28 in Fluidverbindung. Diese
Fluidverbindung wird realisiert durch einen oder mehrere den Kolbengrundkörper 17 durchsetzende
Verbindungskanäle 38a, 38b, 39a, 39b.
In den Verlauf dieser vorgenannten Verbindungskanäle ist jeweils
eine vom Antriebskolben 3 getragene und sich folglich mit
diesem mitbewegende Ventileinrichtung 47, 48 eingeschaltet, die
den Fluiddurchgang steuert und eine vom momentanen Betriebszustand
des Linearantriebes abhängige
Beaufschlagung der jeweils zugeordneten Beaufschlagungskammer 38, 39 hervorruft.
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Die
Ventileinrichtung 47, 48 enthält in den Verlauf mindestens
eines Verbindungskanals 38a, 39a eingeschaltete
Zuströmventilmittel 52, 53,
die eine Luftzuströmung
aus der mit Druckluft beaufschlagten Arbeitskammer 27, 28 in
die zugeordnete Beaufschlagungskammer 38, 39 erst
zulassen, wenn der in der mit Druckluft beaufschlagten Arbeitskammer
herrschende Druck den Verfahrdruck um ein gewisses Maß übersteigt.
Sehr einfach und zuverlässig lässt sich
diese Ventilfunktionalität
durch den Einsatz eines Rückschlagventils 54 realisieren,
das erst bei einer bestimmten, zwischen der Arbeitskammer und Beaufschlagungskammer
herrschenden Druckdifferenz öffnet
und eine Speisung der Beaufschlagungskammer erlaubt, während es
in der Gegenrichtung komplett sperrt.
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In
mindestens einem weiteren Verbindungskanal 38b, 39b sind
zweckmäßigerweise
Abströmventilmittel 55, 56 der
betreffenden Ventileinrichtung 47, 48 eingeschaltet,
die ein Einströmen
von Druckluft in die Beaufschlagungskammer 38, 39 verhindern,
jedoch ein Abströmen
in die angeschlossene Arbeitskammer 27, 28 ermöglichen,
wenn eine ausreichend hohe Druckdifferenz vorliegt, bedingt durch einen
durch das Entlüften
der angeschlossenen Arbeitskammer 27, 28 in dieser
Arbeitskammer hervorgerufenen Druckabfall.
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Auch
die Abströmventilmittel 55, 56 sind zweckmäßigerweise
als Rückschlagventile 57 ausgebildet,
deren Sperrrichtung jedoch derjenigen der Rückschlagventile 54 der
Zuströmventilmittel 52, 53 entgegengesetzt
ist.
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Nachfolgend
sei die Funktionsweise der Erfindung anhand des Ausführungsbeispieles
näher erläutert.
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Es
sei angenommen, dass sich die Bewegungseinheit 26 im komplett
eingefahrenen Zustand befindet, wobei der Antriebskolben 3 seine
in 1 links liegende Endlage einnimmt. Die beiden
Arbeitskammern 27, 28 sowie die beiden Beaufschlagungskammern 38, 39 sind
zunächst
drucklos.
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Um
die Bewegungseinheit 26 soweit nach rechts zu bewegen,
bis der Antriebskolben 3 die in 1 angedeutete
Hubendlage 34 erreicht, wird unter dem vorgegebenen Betriebsdruck
stehende Druckluft in die erste Arbeitskammer 27 eingespeist, wobei
gleichzeitig die zweite Arbeitskammer 28 entlüftet ist.
Die diesbezügliche
Steuerung übernimmt eine
nicht näher
gezeigte Steuerventileinrichtung.
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Da
der Antriebskolben 3 keinen nennenswerten Widerstand erfährt, führt er eine
Verfahrbewegung 23 in der Ausfahrrichtung aus, wobei er
durch die in die erste Arbeitskammer 27 eingespeiste Druckluft
vorangetrieben wird. Gleichzeitig stößt er die in der zweiten Arbeitskammer 28 befindliche
Luft durch den dieser zugeordneten Steuerkanal 33 aus. Da
in den Beaufschlagungskammern 38, 39 ein gegenüber dem
Aktivierungsdruck niedrigerer Druck herrscht, insbesondere atmosphärischer
Druck, befinden sich die Kolbendichtungen 36, 37 in
ihrer Grundstellung. Die Zuströmventilmittel 52 verhindern in
dieser Phase ein Zuströmen
von Druckluft in die erste Beaufschlagungskammer 38, indem
sie eine entsprechend hohe Ansprechschwelle aufweisen oder, wenn
sie einstellbar ausgebildet sind, auf eine entsprechend hohe Ansprechschwelle
eingestellt sind.
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Da
die Abströmventilmittel 55 sowieso
bei einer zu Gunsten der ersten Arbeitskammer 27 höheren Druckdifferenz
sperren, ermöglichen
auch sie keine Druckluftzufuhr in die erste Beaufschlagungskammer 38.
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Sobald
der Antriebskolben 3 die Hubendlage 34 erreicht
hat, steigt der in der ersten Arbeitskammer 27 herrschende
Druck bis zur Höhe
des Betriebsdruckes an. Bei diesem Druckanstieg wird irgendwann
die Ansprechschwelle der Zuströmventilmittel 52 erreicht,
sodass diese den Zuströmweg
in die erste Beaufschlagungskammer 38 freigeben und Druckluft
aus der ersten Arbeitskammer 27 in die erste Beaufschlagungskammer 38 einströmt.
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Die
Ansprechschwelle kann dem Betriebsdruck entsprechen. Vorzugsweise
liegt sie allerdings zwischen dem Betriebsdruck und dem Verfahrdruck.
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Auf
Grund der geöffneten
Zuströmventilmittel 52 kann
sich in der angeschlossenen ersten Beaufschlagungskammer 38 ein Überdruck
aufbauen, der nach kurzer Zeit den Aktivierungsdruck erreicht, durch
den die zugeordnete Kolbendichtung 36 in die Dichtstellung
verformt wird. Man kann die Ansprechschwelle der Zuströmventilmittel 52 so
vorgeben, dass sie dem Aktivierungsdruck entspricht. Steigt der in
der ersten Arbeitskammer 27 anstehende Druck bis zum Betriebsdruck
an, kann Druckluft zur Aktivierung der Kolbendichtung 36 in
die erste Beaufschlagungskammer 38 einströmen, wenn
der in der ersten Arbeitskammer 27 herrschende Druckwert
dem Aktivierungsdruck entspricht.
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Durch
die gesteuerte Druckluftzufuhr ist gewährleistet, dass die Kolbendichtung 36 in
klar definierter Weise betätigt
wird und keine frühzeitige
Aktivierung stattfindet, beispielsweise bei Druckschwankungen der
zugeführten
Druckluft.
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Durch
die bei Einnahme der Hubendlage 34 in der Dichtstellung
befindliche Kolbendichtung 36 ist die erste Arbeitskammer 27 hermetisch
abgesperrt, sodass eine konstant hohe fluidische Haltekraft auf den
Antriebskolben 3 ausgeübt
werden kann, mit der der Antriebskolben 3 gegen die Anschlagfläche 35 angedrückt wird.
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Eine
vergleichbare Funktionalität
ergibt sich, wenn der Antriebskolben 3 schon vor Erreichen
seiner maximal möglichen
Hubendlage 34 durch einen widerstand in der Verfahrbewegung
gestoppt wird, beispielsweise durch das Erreichen der Endlage eines
durch ihn zu bewegenden Objektes 16.
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Somit
wird deutlich, dass es sich hier um ein dynamisch aktivierbares
System handelt, bei dem die Dichtfunktion stufenlos während des
gesamten, maximal möglichen
Hubweges des Antriebskolbens 3 aktiviert werden kann. Ein
weiterer Vorteil ist die selbsttätige
Aktivierung ohne Notwendigkeit einer speziellen Sensorik oder einer
elektrisch gesteuerten Ventilanordnung.
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Um
die Dichtfunktion der Kolbendichtung 36 aufzuheben, genügt es, die
erste Arbeitskammer 27 über
den Steuerkanal 32 zu entlüften. Der daraus resultierende
Druckabbau führt
zu einer Druckdifferenz zu Gunsten der ersten Beaufschlagungskammer 38, sodass
die auf eine entsprechend niedrige Ansprechschwelle eingestellten
Abströmventilmittel 55 den Fluiddurchgang
durch den zugeordneten Verbindungskanal 38b freigeben und
die Druckluft aus der ersten Beaufschlagungskammer 38 in
die erste Arbeitskammer 27 abströmen kann. Da der in der ersten
Beaufschlagungskammer 38 herrschende Druck folglich wieder
unter den Aktivierungsdruck fällt,
kehrt die elastische Kolbendichtung 36 auf Grund ihrer
reversiblen Verformungseigenschaften selbsttätig in die Grundstellung zurück.
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Durch
Beaufschlagung der zweiten Arbeitskammer 28 kann die Bewegungseinheit 26 nun
zu einer Einfahrbewegung bis zum Erreichen der eingefahrenen Hubendlage
des Antriebskolbens 3 ausführen. Hierbei finden bezüglich der
der zweiten Beaufschlagungskammer 39 zugeordneten Kolbendichtung 37 die
gleichen Abläufe
statt, wie eben anhand der anderen Kolbendichtung 36 beschrieben.
Die Funktionalität
der der zweiten Beaufschlagungskammer 39 zugeordneten Zuströmventilmittel 53 und
Abströmventilmittel 56 ist
mit der vorstehend beschriebenen identisch.
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Der
Antriebskolben 3 enthält
somit zwei druckabhängige
Abdichteinheiten 58, 59, die je eine Beaufschlagungskammer 38, 39 mit
zugeordneter Kolbendichtung 36 bzw. 37 enthalten.
Diese Abdichteinheiten 58, 59 kooperieren mit
unterschiedlichen Arbeitskammern 27, 28. Der Linearantrieb
kann allerdings auch so ausgebildet sein, dass nur eine Abdichteinheit
vorhanden ist, die lediglich auf die Druckbeaufschlagung einer Arbeitskammer
anspricht.
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Es
ist auch möglich,
unter Belassung einer einzigen Abdichteinheit mehrere jeweils mit
einer Kolbendichtung ausgestattete Beaufschlagungskammern vorzusehen,
die mit der gleichen Arbeitskammer kommunizieren. Auf diese Weise
lässt sich
eine Mehrfachdichtwirkung realisieren.
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Bei
einer weiteren alternativen Bauform ist eine ständig offene Verbindung zwischen
mindestens einer Beaufschlagungskammer 38 und der dieser
zugeordneten Arbeitskammer 27 vorgesehen. Eine solche Bauform
liegt beim Ausführungsbeispiel
vor, wenn den Verbindungskanälen 38a, 38b, 39a, 39b keine
Ventileinrichtung 47, 48 zugeordnet ist. Alternativ
könnte
die Beaufschlagungskammer auch eine über ihren gesamten Querschnitt
hinweg zur Stirnfläche
des Antriebskolbens 3 hin offene Kolbenausnehmung sein.
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Bei
dieser vorgenannten Ausführungsform ist
der momentan in der Beaufschlagungskammer herrschende Luftdruck
stets der gleiche wie der in der verbundenen Arbeitskammer. Daher
ist dieses System anfälliger
für Druckschwankungen.
Gleichwohl lässt
sich auch auf diese Weise die erfindungsgemäße Funktionalität zuverlässig realisieren.