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Die
Erfindung betrifft ein System zur Endlagendämpfung von
Stellantrieben sowie einen Stellantrieb.
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Stellantriebe
werden zum Automatisieren prozesstechnischer Abläufe, insbesondere
bei Industriearmaturen, eingesetzt. Häufig ist es gewünscht, die
Bewegung eines Stellantriebes im Bereich der Endlagen sanft abzustoppen,
um ein hartes Anschlagen an Armaturen und/oder Antrieben und dadurch verursachte
Materialschäden sowie Rohrleitungsstöße
zu vermeiden.
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Aus
der Praxis sind pneumatische und hydraulische Dämpfungssyteme
für Stellantriebe bekannt.
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Aus
EP 1 416 165 B1 beispielsweise
ist ein pneumatischer Stellantrieb mit einem pneumatischen Dämpfungssystem
bekannt. Der Stellantrieb umfasst zwei Antriebskolben und einen
Dämpfungskolben. Der Dämpfungskolben steht über
eine Hülse mit einem der Antriebskolben in Verbindung.
An der Hülse ausgebildete Anschläge dienen dazu,
den Dämpfungskolben über einen Teilbereich des
Hubes des Antriebskolbens mitzubewegen und dadurch den gesamten
Vorgang zu dämpfen. Nachteilig an dem Dämpfungssystem
ist, dass jeder Dämpfungsvorgang ein mechanisches Anschlagen
des Antriebskolbens an der Hülse bzw. der Hülse
an dem Dämpfungskolben verursacht. Dies führt
zu unerwünschten mechanischen Belastungen und zu unerwünschten Nebengeräusche
im Betrieb.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Dämpfungssystem
sowie einen Stellantrieb mit einem solchen Dämpfungssystem
zur Verfügung zu stellen, welches die vorstehend genannten
Nachteile überwindet. Als Dämpfungssysteme werden
alle Systeme verstanden, welche dazu geeignet sind, die Geschwindigkeit
eines in einem Zylinder bewegten Kolbens zu verringern.
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Die
Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit
den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 15.
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Ein
erfindungsgemäßes System zur Endlagendämpfung
von Stellantrieben umfasst:
- a) einen Dämpfungskolben,
welcher mindestens teilweise in einem Dämpfungszylinder
geführt ist und welcher dazu ausgebildet ist, Hubbewegungen
entlang der Achse des Dämpfungszylinders auszuführen,
- b) wobei der Dämpfungskolben eine Dichtvorrichtung
aufweist,
- c) welche dazu ausgebildet ist, in einer ersten Bewegungsrichtung
des Dämpfungskolbens durch Verschiebung eines in dem Dämpfungskolben
befindlichen Mediums mit dem Dämpfungszylinder zusammen
einen Druckraum zu bilden, wobei
- d) das System ferner mindestens ein Reibelement aufweist, welches
derart angeordnet ist, dass es die auf den Dämpfungskolben
wirkende, der ersten Bewegungsrichtung entgegengerichtete Reibkraft
bei Bewegung des Dämpfungskolbens in die erste Bewegungsrichtung
erhöht, wobei der Betrag der Reibkraft variabel und gesteuert
ist.
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Mit
dem erfindungsgemäßen System erfolgt eine Dämpfung
durch ein Reibelement, dessen auf den Dämpfungskolben wirkende
Reibkraft veränderbar und gesteuert ist. Ein solches Dämpfungssystem kann
insbesondere ergänzend zu einer hydraulischen und/oder
pneumatischen Dämpfung in einen Stellantrieb eingesetzt
werden, um die Dämpfung gezielt zu steuern. Durch die Möglichkeit,
den Antrieb im Bereich seiner Endlagen beim Schließen und Öffnen
der angebauten Armatur gezielt zu dämpfen, können
die bekannten Rohrleitungsstöße aufgrund der abgebremsten
oder beschleunigten Masse des Fördermedi ums ganz vermieden
oder zumindest gemindert werden. Die Erfindung kann vorteilhaft
bei Stellantrieben eingesetzt werden, ist jedoch nicht auf dieses
technische Gebiet beschränkt. Es ist möglich, ein
erfindungsgemäßes Systeme in allen technischen
Gebieten einzusetzen, in welchen eine Dämpfung erforderlich
ist.
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Vorzugsweise
wird das erfindungsgemäße System mit einer pneumatischen
Dämpfung kombiniert. In diesem Fall kann der von dem Dämpfungszylinder
und dem Dämpfungskolben umschlossene Raum als Druckraum
einer pneumatischen Feder verwendet werden. Der jeweils im Druckraum
vorherrschende Druck kann dann zur Steuerung der durch das Reibelement
ausgeübten Reibkraft eingesetzt werden.
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In
einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
sind Mittel vorgesehen, welche bewirken, dass der Druck im Druckraum
bei Bewegung des Dämpfungskolbens in die erste Bewegungsrichtung
zunimmt. Üblicherweise wird dazu der Dämpfungskolben
mit einer radialen Dichtung gegenüber dem Dämpfungszylinder
abgedichtet, so dass eine Bewegung des Dämpfungskolbens
in die erste Bewegungsrichtung eine Kompression des eingeschlossenen
Mediums zur Folge hat (Prinzip einer Gasfeder). Es entsteht ein Überdruck,
welcher zusätzlich zu der Reibkraft der Bewegung des Dämpfungskolbens
entgegenwirkt. Je weiter der Kolben in die erste Bewegungsrichtung
bewegtwird, desto größer wird der Überdruck
und somit auch die Dämpfung.
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In
einer praktischen Ausführungsform der Erfindung wird als
Dichtvorrichtung des Dämpfungskolbens eine Topfmanschette
eingesetzt, welche bei Bewegung in die erste Bewegungsrichtung abdichtet und
in der entgegengesetzten Bewegungsrichtung das Medium an ihr vorbeiströmen
lässt. Topfmanschetten sind im Handel in vielen Größen
verfügbar, wodurch das erfindungsgemäße
System in vielen Dimensionen schnell und kostengünstig,
insbesondere ohne teuere Einzel- oder Sonderanfertigungen, realisierbar
ist. Als Medium kann bei dieser Ausführungsform jedes beliebige
Gas, insbesondere auch Luft, verwendet werden.
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Das
erfindungsgemäße System kann in zwei verschiedene
Varianten ausgelegt werden.
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Gemäß einer
ersten Auslegungsvariante wird das System so ausgelegt, dass das
Dichtelement den Druckraum nur dann abdichtet, wenn der Dämpfungskolben
in die erste Bewegungsrichtung bewegt wird. Kommt der Dämpfungskolben
zum Stillstand, wird unmittelbar ein Druckausgleich zwischen Druckraum
und Umgebung eingeleitet. Nach einer gewissen Zeit, welche durch
entsprechende Ausgestaltung des Systems variierbar ist, ist die
sich während der Bewegung einstellende Druckdifferenz nicht mehr
vorhanden. Die erste Auslegungsvariante ist insbesondere dann in
Betracht zu ziehen, wenn bei Bewegung des Dämpfungskolbens
in die erste Bewegungsrichtung ein hoher Druck aufgebaut wird und
ein hoher Aufwand erforderlich ist, um den Dämpfungskolben
gegen den Überdruck in der Endposition zu halten. Auch
wenn nicht sichergestellt ist, dass der Druck im Druckraum zu dem
Zeitpunkt, wenn der Dämpfungskolben in die zweite Bewegungsrichtung
verfahren werden soll, tatsächlich noch höher
ist als der Umgebungsdruck, ist die erste Auslegungsvariante in
Betracht zu ziehen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das
System in ein zweites Drucksystem, insbesondere in einem Antriebskolben
eines Stellantriebes integriert ist.
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Gemäß einer
zweiten Auslegungsvariante wird das System so ausgelegt, dass das
Dichtelement den Druckraum auch dann noch mindestens teilweise abdichtet,
wenn die Bewegung in die erste Bewegungsrichtung abgeschlossen ist.
Dies kann dann vorteilhaft sein, wenn sichergestellt ist, dass zu dem
Zeitpunkt, wenn der Dämpfungskolben in die zweite Bewegungsrichtung
verfahren werden soll, der Druck im Druckraum noch immer erhöht
gegenüber dem Umgebungsdruck ist. In diesem Fall wird nämlich
durch den im Druckraum vorhandenen Überdruck das Anfahren
des Dämpfungskolbens in die zweite Bewegungsrichtung unterstützt.
Wird das System gemäß der zweiten Auslegungsvariante
ausgelegt, ist es empfehlenswert, die Dichtvorrichtung so auszulegen,
dass diese bei Bewegung in die zweite Bewegungsrichtung einen Druckausgleich
zwischen der Umgebung und dem Druckraum ermöglicht. Dies
kann z. B. durch die geometrische Gestaltung der Dichtvorrichtung
und/oder durch in der Dichtvorrichtung und/oder dem Dämpfungskolben vorgesehene
Ventile erfolgen. Durch solche Maßnahmen wird eine Rückentlüftung
bei Bewegung des Dämpfungskolbens in die zweite Bewegungsrichtung gewährleistet
und die Bildung eines ungewünschten Unterdrucks im Druckraum
verhindert.
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Durch
eine Manipulationsvorrichtung, mittels welcher der Druck im Druckraum
des Dämpfungszylinders unabhängig von der Position
des Dämpfungskolbens beeinflussbar ist, kann die Dämpfung
ebenfalls justiert werden. So kann beispielsweise durch eine manipulierte
Erhöhung des anfänglichen Drucks im Druckraum
eine höhere Dämpfung erzielt werden.
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Der
Dämpfungskolben kann einen ersten, unmittelbar angetriebenen
Kolbenteil und einen zweiten, mittelbar angetrieben Kolbenteil umfassen,
wobei der erste Kolbenteil und der zweite Kolbenteil zueinander
axial beweglich sind und wobei das Reibelement in der ersten Bewegungsrichtung
die Antriebsbewegung des ersten Kolbenteils mindestens teilweise
auf den zweiten Kolbenteil überträgt. In diesem
Fall kann das System so konstruiert werden, dass eine Bewegung des
Dämpfungskolbens in die erste Bewegungsrichtung eine gesteuerte
Reibkraft zur Folge hat.
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Die
Sicherheit des erfindungsgemäßen Systems kann
weiter erhöht werden, wenn der erste Kolbenteil und der
zweite Kolbenteil einen Käfig für das Reibelement
bilden, wobei das Käfigvolumen durch eine axiale Relativbewegung
zwischen dem ersten Kolbenteil und dem zweiten Kolbenteil variierbar
ist. Die Bildung eines Käfigs gewährleistet, dass
das Reibelement stets korrekt positioniert bleibt, insbesondere
relativ zu dem ersten Kolbenteil und dem zweiten Kolbenteil. Alternativ
kann auch einen Fixierung des Reibelements an einem oder beiden
Kolbenteilen erfolgen. Die relative axiale Verschiebbarkeit des ersten
und des zweiten Kolbenteils zueinander ermöglicht die Ausübung
unterschiedlich hoher Kräfte von dem ersten auf den zweiten
Kolbenteil.
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Dies
macht sich insbesondere dann bemerkbar, wenn das Reibelement aus
einem elastischen Werkstoffhergestellt ist und sich durch Druck
gut verformen lässt. In diesem Fall wird mit zunehmendem Druck
vom ersten Kolbenteil auf das Reibelement die Reibfläche
zwischen Reibelement und Innenwand des Dämpfungszylinders
sukzessive vergrößert. Dadurch nimmt die Flächenpressung
ab, wodurch die Belastung und die Abnutzung des Reibelements reduziert
wird.
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In
einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Systems weist das Reibelement im unbelasteten Zustand einen im wesentlichen kreisförmigen
Querschnitt auf, ist ringförmig ausgebildet und weist im
unbelasteten Zustand einen Außendurchmesser auf, welcher
im wesentlichen dem Innendurchmesser des Dämpfungszylinders
entspricht. Die ringförmige Ausbildung hat den Vorteil, dass
die Reibkraft gleichmäßig entlang des Umfangs eingeleitet
wird. Ein reibungsbedingtes Verkanten des Dämpfungskolbens
im Dämpfungszylinder wird so sicher vermieden.
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Das
Reibelement kann auch – zusätzlich oder ausschließlich – durch
einen sich bei der Bewegung des Dämpfungskolbens ausbildenden
Druck an die Innenwand des Dämpfungszylinders gepresst werden.
Dazu können beispielsweise im Dämpfungszylinder
Verbindungskanäle zwischen dem Druckraum und dem mindestens
einen Reibelement ausgebildet werden. Dann wirkt der sich im Druckraum ausbildende Überdruck
nicht nur in Form der Druckkraft, sondern auch indirekt über
das Anpressen des Reibelementes als Dämpfung.
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Die
Steuerung der Reibung kann auch durch die geometrische Gestaltung
der Innenfläche des Dämpfungszylinders erfolgen.
Wird der Innendurchmesser des Dämpfungszylinders beispielsweise
in der ersten Bewegungsrichtung mindestens teilweise verjüngend
ausgebildet, führt die Bewegung des Dämpfungszylinders
in diesem Bereich zwangsläufig zu einer Erhöhung
der Normalkraft und somit auch zu einer entsprechenden Erhöhung
der Reibkraft. Durch die Wahl eines geeigneten Winkels für
die Verjüngung kann bestimmt werden, in welchem Maße
die Reibkraft in der ersten Bewegungsrichtung ansteigen soll.
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Die
Bewegung des Dämpfungskolbens kann ferner dadurch gedämpft
werden, dass Dämpfungszylinder und Dämpfungskolben
derart ausgebildet sind, dass eine translatorische Bewegung in die
erste Bewegungsrichtung auf mindestens einem Teilabschnitt (zusätzlich)
eine rotatorische Bewegung des Dämpfungskolbens erfordert.
Dazu kann, insbesondere im Bereich der Endlage des Dämpfungszylinders,
ein Innengewinde im Dämpfungszylinder vorgesehen sein.
Durch die Wahl einer besonders großen Steigung kann ein
sanfter Übergang zwischen einer rein translatorischen Bewegung
zu einer translatorischen und rotatorischen Bewegung gewährleistet
werden. Die Steigung kann ggf. auch mit zunehmender Annäherung
an die Endposition verringert werden, um die translatorische Geschwindigkeit
zu verringern und die Dämpfung somit weiter zu erhöhen.
Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass ein oder
mehrere Führungsstifte mit einer oder mehreren Führungsnuten zusammenwirken. Durch
eine Variation der Steigung der Führungsnut(en) kann dann
eingestellt werden, in welchem Maße die translatorische
Bewegung auch in eine rotatorische Bewegung transformiert werden
soll. Die Reibung kann in dieser Ausführungsform auch durch die
Wahl der Werkstoffe für das Innengewinde des Dämpfungszylinders
bzw. für den in das Innengewinde des Dämpfungsgewindes
eingreifenden Bereiche des Dämpfungskolbens variiert werden.
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Unabhängig
davon, ob die Bewegung des Dämpfungskolbens rein translatorisch
oder translatorisch und rotatorisch erfolgt, kann die Reibung auch dadurch
gesteuert werden, dass an der Innenwand des Dämpfungszylinders
Bereiche mit unterschiedlichen Reibwerten, insbesondere mit in der
ersten Bewegungsrichtung zunehmenden Reibwerten, vorgesehen sind.
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Wenn
an der Innenseite des Dämpfungszylinders mindestens ein
Absatz vorgesehen ist, kann ein Teilhub des Dämpfungszylinders
so gestaltet werden, dass der Dämpfungskolben im Bereich
dieses Teilhubes nicht im Eingriff mit dem Dämpfungszylinder
steht. So kann bei dem erfindungsgemäße System
eine Dämpfung gezielt im Bereich der Endlagen eingestellt
werden.
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Das
System kann besonders vorteilhaft bei Stellantrieben, insbesondere
bei Schwenkantrieben, eingesetzt werden.
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Weitere
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Systems sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben.
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Es
zeigen:
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1–4 eine
erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Systems in einer Schnittdarstellung in vier unterschiedlichen Zuständen,
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5–8 eine
zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Systems in einer Schnittdarstellung in vier unterschiedlichen Zuständen,
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9–12 eine
dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Systems in einer Schnittdarstellung in vier unterschiedlichen Zuständen,
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13–16 eine
vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Systems in einer Schnittdarstellung in vier unterschiedlichen Zuständen,
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17–20 eine
fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Systems in einer Schnittdarstellung in vier unterschiedlichen Zuständen,
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21–24 eine
sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Systems in einer Schnittdarstellung in vier unterschiedlichen Zuständen,
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25 eine
auf der sechsten Ausführungsform basierende siebte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Systems in einer Schnittdarstellung
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26 eine
achte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Systems in einer Schnittdarstellung,
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27 eine
neunte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Systems in einer Schnittdarstellung,
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28 ein
Ausführungsbeispiel für eine System mit bidirektionaler
Dämpfung in einer Schnittdarstellung,
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29 ein
erstes Ausführungsbeispiel für einen Stellantrieb
mit einem erfindungsgemäßen System,
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30 ein
zweites Ausführungsbeispiel für einen Stellantrieb
mit einem erfindungsgemäßen System sowie
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31 ein
drittes Ausführungsbeispiel für einen Stellantrieb
mit einem erfindungsgemäßen System.
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In
den 1 bis 24 sind sechs Ausführungsbeispiele
für erfindungsgemäße Systeme 100, 200, 300, 400, 500, 600 in
jeweils vier unterschiedlichen Zuständen gezeigt.
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Die
jeweils erste Figur (1, 5, 9, 13 etc.)
zeigt das jeweilige System in Ruhe, wobei sich der Antriebskolben
im oberen Totpunkt befindet. Die jeweils zweite Figur (2, 6, 10, 14 etc.)
zeigt das jeweilige System, während der Dämpfungskolben
in der ersten Bewegungsrichtung, d. h. nach unten, bewegt wird.
Die jeweils dritte Figur (3, 7, 11, 15 etc.)
zeigt das jeweilige System nach längerer Zeit in Ruhe,
wobei sich der Dämpfungskolben im unteren Totpunkt befindet.
Die jeweils vierte Figur (4, 8, 12, 16 etc.)
zeigt das jeweilige System, während der Dämpfungskolben
nach oben bewegt wird.
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Im
folgenden wird der Aufbau des erfindungsgemäßen
Systems exemplarisch und detailliert am Beispiel der ersten Ausführungsform
beschrieben. Elemente der zweiten, dritten etc. Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Systems, welche mit denen
der ersten Ausführungsform identisch sind, werden mit um 100, 200 etc.
erhöhten Bezugszeichen versehen.
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Das
System 100 umfasst einen Dämpfungskolben 102,
welcher in einem Dämpfungszylinder 104 derart
geführt ist, dass er Hubbewegungen entlang der Mittelachse 106 des
Dämpfungszylinders 104 ausführen kann.
Der in den 1 bis 4 gezeigte
Dämpfungskolben ist topfförmig gestaltet und weist
einen Bodenbereich 108 sowie einen Wandbereich 110 auf.
Entlang der Außenfläche des Wandbereiches 110 sind
eine untere Ringnut 112 und eine obere Ringnut 114 ausgebildet.
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In
die untere Ringnut 112 ist eine Dichtvorrichtung 116 mit
im wesentlichen ovalem Querschnitt eingesetzt, welche den Dämpfungskolben 102 in
den in 1 bis 3 gezeigten Zuständen
gegenüber dem Dämpfungszylinder 104 abdichtet.
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In
die obere Ringnut 114 sind mehrere Segmente von Reibelementen 118 eingesetzt.
Wie in 2 gezeigt, werden diese Reibelemente werden bei
Bewegung des Dämpfungskolbens vom oberen Totpunkt zum unteren
Totpunkt an die Innenwand des Dämpfungszylinders gedrückt.
Der Dämpfungs zylinder 104 ist im unteren Bereich
geschlossen. Im oberen Bereich ist er durch eine kreisförmige
Platte 120 abgeschlossen, welche Durchgangsöffnungen 122 zur
Be- und Entlüftung aufweist.
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Wird
der Dämpfungskolben 102 in der ersten Bewegungsrichtung
gemäß dem Pfeil 124 in 2 bewegt,
wird der Wandbereich 110 des Dämpfungskolbens 102 – wie
in 2 zu sehen – derart nach außen
gedrückt, dass die Reibelemente 118 mit der Zylinderwand 126 des
Dämpfungszylinders in Kontakt treten. Dies wird dadurch
erreicht, dass der Wandbereich 110 des Dämpfungskolbens
so ausgelegt ist, dass bei einem bestimmten Innendruck eine elastische
Verformung auftritt, welche zu einer seitlichen Ausdehnung des Dämpfungskolbens
im Wandbereich 110 führt.
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Aufgrund
der Dichtvorrichtung 116 nimmt der Druck in dem von Dämpfungskolben
und Zylinder eingeschlossenen Raum zu, wenn der Dämpfungskolben
in Richtung des Pfeiles 124 bewegt wird und die Dichtvorrichtung 116 das
eingeschlossene Medium, insbesondere Luft, gegenüber dem
Außenraum abdichtet. Jede Fortsetzung der Bewegung des Dämpfungskolbens 102 in
die erste Bewegungsrichtung gemäß Pfeil 124 hat
zur Folge, dass die in dem Druckraum 136 eingeschlossene
Luft komprimiert wird und sich der Druck im Druckraum 136 erhöht. Dieser
Druck wirkt dampfend auf die Bewegung des Dämpfungskolbens
in Richtung des Bodens des Dämpfungszylinders 104.
Die Erhöhung des Drucks hat jedoch ferner zur Folge, dass
der Wandbereich 110 des Dämpfungskolbens 102 nach
außen gedrückt wird. Dadurch nimmt Anpressung
des Dichtelements 116 sowie der Reibelemente 118 an
die Zylinderwand 126 zu. Die der ersten Bewegungsrichtung 124 entgegengerichtete,
von den Reibelementen verursachte Reibkraft nimmt daher ebenfalls
zu, wenn der Druck im Druckraum 136 zunimmt.
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Wenn
das Dichtelement 116 so gestaltet ist, dass eine Abdichtung
nur während der Bewegung des Dämpfungskolbens 102 erfolgt,
erfolgt ein Druckausgleich, sobald der Dämpfungskolben 102 im
unteren Totpunkt zum Stillstand kommt. Dies führt dazu, dass
die elastische Verformung des Dämpfungskolbens 102 sich
mit abnehmendem Druck zurückbildet und der Dämpfungskolben 102 nach
Abschluss des Druckausgleichs in der in 3 gezeigten
Position befindet.
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Wird
der Dämpfungskolben, wie in 4 gezeigt,
in Richtung des Pfeils 128 zum oberen Totpunkt hin zurückbewegt,
entsteht im unteren Bereich ein Unterdruck, welcher dazu führt,
dass Luft in den unteren Raum zwischen Dämpfungskolben 102 und Dämpfungszylinder 102 strömt.
Die Luft kann nur an dem Wandbereich 110 des Dämpfungskolbens 102 vorbeiströmen,
und dadurch, dass der Wandbereich 110 elastisch ausgebildet
ist, wird dieser elastisch nach innen in Richtung Symmetrieachse
verformt und gibt einen Bereich zwischen dem Dichtelement 116 und
der Zylinderwand 126 frei, damit Luft hindurchströmen
kann.
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Die
in den 5 bis 8 gezeigte zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Systems 200 entspricht
im wesentlichen der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform.
Bei dieser Ausführungsform ist jedoch die Zylinderwand 226 gegenüber
der Vertikalen um den in den Figuren eingetragenen Winkel a geneigt.
Der Innendurchmesser des Dämpfungszylinders 204 ist
also in der ersten Bewegungsrichtung 224 verjüngend
ausgebildet. Dadurch werden das Dichtelement 216 und die
Reibelemente 218 bei Bewegung in die erste Bewegungsrichtung
(siehe Pfeil 224 in 6) mit zunehmender Kraft
an die Zylinderwand 226 des Dämpfungszylinders 204 gepresst.
Die der ersten Bewegungsrichtung entgegengerichtete Reibkraft ist
in dieser Ausführungsform also durch die Geometrie der
Zylinderwand und somit weggesteuert.
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In
der in den 5 bis 8 gezeigten
Ausführungsform sind Dichtelement 216 und Reibelemente 218 so
angeordnet, dass zunächst eine Abdichtung durch das Dichtelement 216 erfolgt
und anschließend zusätzlich eine Dämpfung
durch Reibung des Reibelementes 218 an der Zylinderwand 226 des Dämpfungszylinders 204 erfolgt.
Selbstverständlich können das Reibelement und
das Dichtelement auch in den anderen Ausführungsformen
anders als gezeigt positioniert werden, um einen andere Auslegung
des Systems zu erreichen.
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Wie
in den 6 bis 8 dargestellt, ist der obere
Wandbereich 210 des Dämpfungskolbens 202 im
Vergleich zum unteren Wandbereich 210 steif ausgelegt.
Durch die von dem Medium (insbesondere Luft) verursachten Druckdifferenzen
wird lediglich der untere Wandbereich 210 des Dämpfungskolbens 202 verformt
(siehe Rückbewegung in 8).
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Die 9 bis 12 zeigen
eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Systems 300. In dieser Ausführungsform ist der
Dämpfungskolben 302 ebenfalls topfförmig
ausgebildet, weist jedoch (anstelle von ringförmigen Nuten)
einen unteren, ringförmigen Käfig 327 sowie
einen oberen, ringförmigen Käfig 329 mit
jeweils vorgegebenem und nicht veränderbarem Volumen auf.
In dem unteren Käfig 327 ist ein ringförmiges
Dichtelement 316 mit kreisförmigem Querschnitt
eingesetzt. In dem oberen Käfig 329 sind mehrere
Reibelemente sowie ein ringförmiges Anpresselement 330 angeordnet.
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In
dem Dämpfungskolben 302 sind ferner untere Verbindungskanäle 332 und
obere Verbindungskanäle 334 vorgesehen, welche
einen im folgenden als Druckraum 336 bezeichneten Raum
im unteren Bereich des Dämpfungszylindders 304 mit
der zur Symmetrieachse 306 hinweisenden Seite der Käfige 326, 328 verbinden.
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Wird
der Dämpfungskolben, wie in 9 gezeigt,
in der ersten Bewegungsrichtung gemäß Pfeil 324 bewegt,
wird das Dichtelement 316 durch eine in dem unteren Käfig 326 ausgebildete
Fläche 338 an die Zylinderwand 326 des
Dämpfungszylinders 304 gepresst. Dadurch erfolgt
eine Abdichtung des Druckraumes 336 und mit der Weiterbewegung
des Dämpfungskolbens 302 in die erste Bewegungsrichtung 324 eine
Komprimierung der in dem Druckraum 336 befindlichen Luft.
Der Druck im Druckraum 336 nimmt also umso mehr zu, je
weiter der Dämpfungskolben 302 in die erste Bewegungsrichtung 324 bewegt
wird. Der im Druckraum jeweils vorherrschende Druck wird über
die unteren Verbindungskanäle 332 unmittelbar
auf das Dichtelement 316 übertragen und verstärkt
somit die Dichtwirkung. Der im Druckraum jeweils vorherrschende
Druck wird ferner über die oberen Verbindungskanäle 334 unmittelbar
auf das Anpresselement 330 und von dem Anpresselement 330 auf
das Reibelement 318 übertragen. Somit ist die
von dem Reibelement 318 ausgeübte Reibkraft abhängig
von dem Druck im Druckraum 336 gesteuert.
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Wie
in den 9 bis 12 gezeigt, ist der Dämpfungskolben 302 in
der dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Systems 300 im wesentlichen steif ausgelegt. Bei Über-
oder Unterdruck des verwendeten Mediums bleibt der Dämpfungskolben 302 in
dieser Ausführungsform im wesentlichen unverformt.
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Die
in den 13 bis 16 gezeigte
vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Systems 400 unterscheidet sich insbesondere dadurch von den
vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, dass der Dämpfungskolben 402 einen
ersten Kolbenteil 440 und einen zweiten Kolbenteil 442 aufweist. Der
erste Kolbenteil 440 und der zweite Kolbenteil 442 sind
so gestaltet, dass diese in Richtung der Symmetrieachse 406 axial
verschiebbar sind. Zwischen dem ersten Kolbenteil 440 und
dem zweiten Kolbenteil 442 sind Reibelemente 418 aus
einem elastischen Material angeordnet.
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Die
Reibelemente 418 sind – wie in den zuvor beschriebenen
Ausführungsformen Ringsegmente. Sie sind vorzugsweise fest
mit mindestens einem der Kolbenteile 440, 442 verbunden.
Dadurch ist gewährleistet, dass die Reibelemente zwischen
dem ersten Kolbenteil 440 und dem zweiten Kolbenteil 442 verbleiben.
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Der
Antrieb des Dämpfungskolbens 302 erfolgt bei der
in den 13 bis 16 gezeigten
vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Systems 400 über den ersten Kolbenteil 440.
Wie in 14 gezeigt, werden bei Bewegung
des ersten Kolbenteils in die erste Bewegungsrichtung 426 die elastischen
Reibelemente 418 gestaucht. Dabei wird über die
Reibelemente 418 zum einen die Antriebsbewegung auf den
zweiten Kolbenteil 442 übertragen. Ferner wird
das Reibelement 418 durch die Stauchung an die Zylinderwand 426 des
Dämpfungszylinders 404 gepresst und erzeugt so
eine der ersten Bewegungsrichtung 426 entgegengerichtete Reibkraft.
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Da
der zweite Kolbenteil 442 in Bezug auf das Dichtelement 416 analog
zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen gestaltet
ist, wird hieraus nicht im Detail Bezug genommen.
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Bei
Bewegung des Dämpfungskolbens 402 in die erste
Bewegungsrichtung bildet sich – analog zur ersten Ausführungsform – ein
Druckraum 436 (siehe 14).
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Sobald
der Dämpfungskolben 402 den unteren Totpunkt erreicht
hat, beginnen sich die komprimierten Reibelemente wieder auszudehnen
und schieben den zweiten Kolbenteil 442 weiter in die erste
Bewegungsrichtung, so dass sich der in den 1 und 3 gezeigte
Abstand zwischen dem ersten Kolbenteil 440 und dem zweiten
Kolbenteil 442 einstellt. Sofern die Bewegung des ersten
Kolbenteils 440 in die zweite Bewegungsrichtung 428 beginnt,
bevor diese Dekompression abgeschlossen ist, bewegt sich zunächst
nur der ersten Kolbenteil 440 in die zweite Bewegungsrichtung 428,
bis der ursprüngliche Abstand (siehe 13)
zwischen dem ersten Kolbenteil 440 und dem zweiten Kolbenteil 442 wiederhergestellt
ist. Dann zieht ein – wie der ersten Kolbenteil 440 an
der Kolbenstange ausgebildeter Mitnehmer 444 den zweiten
Kolbenteil 442 mit in die zweite Bewegungsrichtung 428.
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Vorzugsweise
werden die Reibelemente 418 so dimensioniert, dass auch
bei voller Belastung der Reibelemente 418 der ersten Kolbenteil 440 und
der zweite Kolbenteil 442 nicht aneinander anliegen. Dann
kann nämlich der Abstand zwischen den Kolbenteilen 440, 442 als
Verbindungskanal ausgebildet sein, durch den ein sich im Druckraum 436 aufbauender Überdruck
die Reibelemente 418 zusätzlich an die Zylinderwand 426 des
Dämpfungszylinders 404 presst.
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Die 17 bis 20 zeigen
eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Systems 500. Diese Ausführungsform umfasst einen
im wesentlichen starren Dämpfungskolben 502. Die
Steuerung der Reibung des Reibelementes erfolgt über die Ausbildung
der Zylinderwand 524 des Dämpfungszylinders 504.
Dazu weist die Zylinderwand 526 Reibungssteuerungsabschnitte 550, 552, 554, 556 mit unterschiedlichen
Reibwerten auf. Die Steuerung der Reibkraft erfolgt also über
den Weg und die entsprechende Materialpaarung. In den 17 bis 20 nimmt
der Reibwert der Reibungssteuerungsabschnitte in der ersten Bewegungsrichtung 524 stetig zu,
um die Dämpfung in Richtung des unteren Totpunktes zu erhöhen.
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Wie
am Beispiel der fünften Ausführungsform zu erkennen,
kann die Steuerung der Reibkraft auch unabhängig von dem
Druckraum erfolgen. Es ist sogar möglich, auf den Druckraum
zu verzichten und eine Dämpfung aus schließlich über
eine Steuerung der Reibkraft eines Reibelementes vorzunehmen.
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Die 21 bis 24 zeigen
eine sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Systems 600. Bei dieser Ausführungsform ist der
Dämpfungskolben 602 ebenfalls topfförmig
ausgestaltet, jedoch einstückig mit dem Dichtelement 616 sowie mit
zwei ringförmigen Reibelementen 618a, 618b ausgebildet.
Das Funktionsprinzip der sechsten Ausführungsform entspricht
dem Funktionsprinzip der ersten Ausführungsform. Die sechste
Ausführungsform hat jedoch den Vorteil, dass der Fertigungs-
und Montageaufwand aufgrund der einstückigen Ausbildung
des Dämpfungskolbens deutlich verringert ist. Das Dämpfungssystem
gemäß der sechsten Ausführungsform ist
daher zu deutlich geringeren Preisen herstellbar.
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Im
Einzelfall kann es vorteilhaft sein, das in den 21 bis 24 gezeigte
System 600 mit einer Schraubenfeder 760 zu kombinieren.
Eine solche Gestaltungsmöglichkeit ist in 25 gezeigt.
Diese Variante hat den Vorteil, dass nur in einer Richtung (hier:
in der ersten Bewegungsrichtung) ein aktiver Antrieb erforderlich
ist. Dabei wird die aufgewendete Energie zu wesentlichen Teilen
in Form von (potentieller) Federenergie gespeichert und kann zur
Einleitung einer Rückbewegung in die zweite Bewegungsrichtung
teilweise wieder umgewandelt werden.
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Die
Schraubenfeder 760 kann selbstverständlich auch
mit den anderen erfindungsgemäßen Systemen kombiniert
werden.
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26 zeigt
eine weitere, achte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Systems 800. Diese Ausführungsform basiert auf
der siebten Ausführungsform, ist jedoch auch auf der Grundlage
anderer Ausführungsformen umsetzbar.
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Bei
der achten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Systems 800 weist die Kolbenstange einen besonders großen
Durchmesser sowie Führungsnuten 870 auf. Die Führungsnuten
stehen in Eingriff mit oberhalb des Dämpfungskolbens angeordneten
Führungsstiften 872. Führungsnuten 870 und
Führungsstifte 872 wirken so zusammen, dass die
Kolbenstange bei Bewegung des Dämpfungskolbens entlang
der Symmetrieachse zwangsweise in eine rotatorische Bewegung versetzt
wird. Diese zwangsläufige rotatorische Bewegung erzeugt
eine zusätzliche Reibung, welche eine zusätzliche
Dämpfung bewirkt. Bevorzugt werden für Führungsnuten 870 und
Führungsstifte Materialpaarungen mit hohem Reibwert verwendet,
um eine hohe Dämpfung zu erzielen.
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Die
Führungsnuten 870 können auch so ausgebildet
werden, dass eine Rotation der Kolbenstange nur in Teilbereichen
der Bewegung zwischen den Totpunkten, insbesondere im Bereich der
Totpunkte erfolgt.
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27 zeigt
das erfindungsgemäße System aus 25,
erweitert um eine sogenannte Manipulationsvorrichtung. Die Manipulationsvorrichtung 762 umfasst
eine Verbindungsleitung 764 in die Druckkammer 736 sowie
ein Ein- und Auslassventil 766. Die Manipulationsvorrichtung
erlaubt es, den Druck im Druckraum unabhängig von der Position
und Bewegung des Dämpfungskolbens 702 zu beeinflussen.
Dadurch kann sowohl die pneumatische Dämpfung als auch
die Reibungsdämpfung zu jedem Zeitpunkt beliebig gesteuert
werden. Insbesondere ist es möglich, vorab einen Über-
oder Unterdruck im Druckraum 736 zu erzeugen, um den Dämpfungsgrad
einzustellen. Dadurch kann das erfindungsgemäße
Dämpfungssystem flexibel für unterschiedliche Dämpfungsvorgänge
eingesetzt werden, ohne dass dafür konstruktive Veränderungen
nötig sind.
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Wie
in 28 am Beispiel von Systemen gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel zu sehen, können die
erfindungsgemäßen Systeme auch paarweise in entgegengesetzter
Richtung eingesetzt werden, um eine bidirektionale Dämpfung
zu ermöglichen. 28 zeigt
ein Dämpfungssystem, welches ein erstes Dämpfungssystem 100a und
ein zweites Dämpfungssystem 100b umfasst. Die
Dämpfungssysteme 100a, 100b entsprechen
im wesentlichen dem in den 1 bis 4 gezeigten
Dämpfungssystem. Zusätzlich ist jedoch bei jedem
der Dämpfungskolben – etwa auf halber Dämpfungskolbenhöhe
-je ein Absatz 131a, 131b vorgesehen. Die Absätze
sind so dimensioniert, dass die jeweiligen Dämpfungskolben 102a, 102b über
einen Teilhub außer Eingriff sind. Dadurch können
sich die Dämpfungskolben 102a, 102b über
einen gewissen Verschiebeweg ungedämpft bewegen. Der Bereich
der Dämpfung kann also auch über die Geometrie
des Dämpfungszylinders beeinflusst werden.
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Bei
jedem der vorstehend beschriebenen Ausführungformen des
erfindungsgemäßen Dämpfungssystems können
wahlweise mehrere Reibelemente oder nur ein Reibelement verwendet
werden. Die Position von Reibelement bzw. Reibelementen und Dichtelement
kann vertauscht oder anderweitig variiert werden, sofern die Funktionalität
des Systems nicht beeinträchtigt wird. Ferner können
Reibelemente und Dichtelement je nach Bedarf so dimensioniert werden,
dass diese bei Bewegung des Dämpfungskolbens 508 in
die erste Bewegungsrichtung im wesentlichen gleichzeitig in Kontakt
mit der Zylinderwand des Dämpfungszylinders gelangen.
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Obwohl
das System vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen
für pneumatische Systeme beschrieben wurde, ist das System
ist auch bei Stellantrieben mit hydraulischer Dämpfung
anwendbar. Beispielsweise kann der Druckraum über Bypässe gezielt
mit einem zweiten Druckraum in Verbindung stehen, so dass bei Bewegung
des Dämpfungskolbens in eine Richtung eine hydraulische
Dämpfung durch Drosselung erfolgt. Es können auch
gewollte Leckagen in die Dichtungsvorrichtung eingebaut werden,
um einen Kolbenbewegung gegen ein Fluid zu ermöglichen.
Unabhängig von der gewählten Lösung muss
erfindungsgemäß eine betragsmäßig
gesteuerte Dämpfung über ein zusätzliches
Reibelement erfolgen.
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Die 29 bis 31 zeigen
einige Beispiele, wie erfindungsgemäße Dämpfungssysteme
in Stellantrieben einsetzbar sind. Dabei sind die Dämpfungssysteme
mit dem Bezugszeichen 900 versehen und nur schematisch
dargestellt. Prinzipiell eignen sich alle in den Ausführungsbeispielen
beschriebenen Dämpfungssysteme für den Einbau
an den mit 900 bezeichneten Einbauorten. Der in 29 gezeigte
Stellantrieb ist über einen Dämpfungszylinder in
einer Richtung gedämpft.
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Die
in den 30 und 31 gezeigten Stellantriebe
sind über zwei Dämpfungszylinder gedämpft,
wobei in der in 30 gezeigten Ausführungsform
eine Koppelstange verwendet wurde, um die beiden Dämpfungskolben
direkt miteinander zu koppeln.
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- 100;
200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900
- System
- 102;
202; 302; 402; 502; 602; 702: 802
- Dämpfungskolben
- 104;
204; 304; 404; 504; 604; 704; 804
- Dämpfungszylinder
- 106;
206; 306; 406; 506; 606; 706; 806
- Symmetrieachse
- 108;
208; 308; 408; 508; 608; 708; 808
- Bodenbereich
- 110;
210; 310; 410; 510; 610; 710; 710
- Wandbereich
- 112;
212; 412; 512;
- untere
Ringnut
- 114;
214; 414; 514;
- obere
Ringnut
- 116;
216; 316; 416; 516; 616; 716; 816
- Dichtelement
- 118;
218; 318; 418; 518; 618; 718; 818
- Reibelement(e)
- 120;
220; 320; 420; 520; 620; 720
- Platte
- 122;
222; 322; 422; 522; 622; 722
- Durchgangsöffnung
- 124;
224; 324; 424; 524; 624; 724; 824; 924
- erste
Bewegungsrichtung
- 126;
226; 326; 426; 526; 626; 726; 826
- Zylinderwand
- 327
- unterer
Käfig
- 128;
228; 328; 428; 528; 628; 728; 828; 928
- zweite
Bewegungsrichtung
- 329
- oberer
Käfig
- 330
- Anpresselement
- 131
- Absatz
- 332
- untere
Verbindungskanäle
- 334
- obere
Verbindungskanäle
- 336
- Verbindungskanal
- 440
- erster
Kolbenteil
- 442
- zweiter
Kolbenteil
- 444
- Mitnehmer
- 550
- Reibungssteuerungsabschnitt
1
- 552
- Reibungssteuerungsabschnitt
2
- 554
- Reibungssteuerungsabschnitt
3
- 556
- Reibungssteuerungsabschnitt
4
- 760
- Schraubenfeder
- 762
- Manipulationsvorrichtung
- 870
- Führungsnuten
- 872
- Führungsstifte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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