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Die Erfindung betrifft einen fluidbetätigbaren Linearantrieb, mit einem Zylindergehäuse, das eine Zylinderausnehmung aufweist, die sich längs einer Mittelachse erstreckt, und mit einem in der Zylinderausnehmung linear längs der Mittelachse verschiebbar aufgenommenen Arbeitskolben, der abdichtend an einer Innenoberfläche der Zylinderausnehmung anliegt, sowie mit einem Abtriebsteil, das mit dem Arbeitskolben bewegungsgekoppelt ist, wobei in der Zylinderausnehmung ein längs der Mittelachse linearversdhieblicher Stellkolben zur Einstellung eines variablen Arbeitshubs des Arbeitskolbens angeordnet ist.
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Aus dem
deutschen Gebrauchsmuster 93 15 211.6 ist ein pneumatisch betätigbarer Linearantrieb für Punktschweiß-Automaten bekannt, bei dem ein Zylindertrieb mit fest vorgegebenem Arbeitshub des Arbeitskolbens von einem Vorhubantrieb von einer ersten in eine zweite Funktionsstellung verschoben werden kann. In der ersten Funktionsstellung ist die mit dem Linearantrieb gekoppelte Punktschweißzange vollständig geöffnet und ermöglicht somit ein Übergreifen eines hohen Werkstückrandes. In der zweiten, in axialer Richtung fest vorgegebenen Funktionsstellung, in der die Elektroden der Punktschweißzange nur noch einen kurzen Weg bis zur Oberfläche des Werkstücks zurücklegen müssen, kann der Vorhubantrieb ortsfest verriegelt werden. Hierdurch wird ein Arbeiten mit geringen Hubbewegungen des Zylinderantriebs und somit auch mit einem verringertem Druckluftbedarf gegenüber einem konventionellen Pneumatikzylinder, der stets den gesamten Arbeitshub zurücklegen müsste, gewährleistet.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen fluidbetätigbaren Linearantrieb bereitzustellen, der eine flexible Anpassung des Arbeitshubs an unterschiedliche Gegebenheiten ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird für einen fluidbetätigbaren Linearantrieb der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass der Stellkolben zusammen mit dem Arbeitskolben und der Innenoberfläche der Zylinderausnehmung ein Arbeitsvolumen eines mit einem druckbeaufschlagten Fluid beaufschlagbaren Arbeitsraums variabel begrenzt, wobei der Stellkolben mit einer Blockiereinrichtung gekoppelt ist, die für eine lösbare Festlegung des Stellkolbens an einer Blockierposition längs der Mittelachse ausgebildet ist, um das Arbeitsvolumen des Arbeitsraums einzustellen.
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Durch die erfindungsgemäße Aufbauweise kann eine erhebliche konstruktive Vereinfachung für den fluidbetätigbaren Linearantrieb erzielt werden, da der Stellkolben, der auch als Nachlaufkolben bezeichnet wird, zusammen mit dem Arbeitskolben und der Innenoberfläche der Zylinderausnehmung den druckbeaufschlagbaren Arbeitsraum begrenzt, der für die Krafteinleitung auf den Arbeitskolben dient und dessen Größe den Arbeitshub bestimmt.
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Die Blockiereinrichtung dient dazu, den Stellkolben an einer Blockierposition in der Zylinderausnehmung festzulegen und somit die Größe des Arbeitsraums und des Arbeitshubs, also die Linearbeweglichkeit des Arbeitskolbens längs der Mittelachse, einzustellen. Hierdurch wird bei konstruktiv einfachem Aufbau des fluidbetätigbaren Linearantriebs eine vorteilhafte Anpassung des verfügbaren Arbeitshubs an die Einsatzerfordernisse für den Linearantrieb ermöglicht. Vorzugsweise wird der Arbeitshub stets minimal eingestellt, um nur eine möglichst geringe Menge an druckbeaufschlagtem Fluid für die Bewegung des Arbeitskolbens einsetzen zu müssen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stellkolben abdichtend an der Innenoberfläche der Zylinderausnehmung anliegt. Die Zylinderausnehmung dient somit in einer Doppelfunktion sowohl dem Arbeitskolben als auch dem Stellkolben als Dichtfläche, insbesondere für radial außenliegende, umlaufende Dichtmittel des Arbeitskolbens und/oder des Stellkolbens. Separate Kolbenbohrungen für den Arbeitskolben und den Stellkolben, die unterschiedliche Querschnitte aufweisen, sind somit nicht erforderlich, wodurch eine vereinfachte Herstellweise für den fluidbetätigbaren Linearantrieb erreicht wird.
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Vorzugsweise ist die Blockiereinrichtung für eine frei wählbare Blockierposition des Stellkolbens längs der Mittelachse ausgebildet. Hierdurch können die Länge des Arbeitshubs und die Größe des Arbeitsraums individuell an die Einsatzerfordernisse angepasst werden. Dies erlaubt die Optimierung von Taktzeiten und/oder die Minimierung des Bedarfs an druckbeaufschlagtem Fluid für die Arbeitsvorgänge, die mit der Zylindereinrichtung durchgeführt werden. Vorzugsweise wird für jeden Arbeitsvorgang stets der kleinste erforderliche Arbeitshub des Arbeitskolbens eingestellt. Mit einem kleinen Arbeitshub geht einerseits eine schnelle Taktzeit einher, andererseits ist dadurch ein geringer Bedarf an druckbeaufschlagtem Fluid, insbesondere Druckluft oder Hydraulikflüssigkeit, zu erreichen.
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Besonders vorteilhaft ist es, dass eine Verlagerung des Stellkolbens bis zur Blockierposition mit geringem Druck erfolgen kann, so dass zur Durchführung des gewünsdhten Arbeitshubs des Arbeitskolbens lediglich das reduzierte Arbeitsvolumen mit hohem Druck beaufschlagt werden muss.
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Zweckmäßig ist es, wenn ein Bewegungsbereich des Arbeitskolbens in der Zylinderausnehmung und ein Bewegungsbereich des Stellkolbens in der Zylinderausnehmung derart ausgebildet sind, dass sich die Bewegungsbereiche zumindest teilweise überschneiden. Dies ermöglicht eine Einstellbarkeit des Arbeitshubs für den Arbeitskolben über nahezu die gesamte Länge der Zylinderausnehmung, so dass stets ein vorteilhafter Arbeitshub gewählt werden kann.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Blockiereinrichtung als fluidisches Linearstellmittel ausgebildet ist und einen linearbeweglich in einer, insbesondere mit kleinerer Querschnittsfläche als die Zylinderausnehmung ausgeführten, Blockierausnehmung eines Blockierzylinders aufgenommenen Blockierkolben umfasst. Das Linearstellmittel kann beispielsweise aktiv oder passiv ausgebildet sein. Bei einem aktiven Linearstellmittel wird wenigstens ein Blockierraum mit druckbeaufschlagtem Fluid, beispielsweise mit Druckluft oder Hydraulikflüssigkeit, beaufschlagt, um eine Festlegung des Stellkolbens an der frei wählbaren Blockierposition zu gewährleisten. Bei dem druckbeaufschlagten Fluid kann es sich im Fall eines aktiven Linearstellmittels um ein kompressibles oder auch um ein inkompressibles Fluid handeln. Bei einem passiven Linearstellmittel wird ein Blockierraum zumindest im Wesentlichen drucklos mit einem inkompressiblen Fluid, beispielsweise einer Flüssigkeit, gefüllt. Zur Festlegung des Stellkolbens kann das Fluid, insbesondere mittels einer Ventileinrichtung, die auf einen kommunizierend mit dem Blockierraum verbundenen Fluidkanal einwirkt, im Blockierraum eingeschlossen werden. Aufgrund der Inkompressibilität des Fluids kann der Stellkolben nun nicht mehr bewegt werden und begrenzt somit zuverlässig den Arbeitsraum für den Arbeitskolben.
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Vorteilhaft ist es, wenn. die Blockierausnehmung jeweils endseitig verschlossen ist und der Blockierkolben die Blockierausnehmung in zwei voneinander getrennte Blockierräume auftrennt. Hierdurch kann, insbesondere bei einem aktiven Linearsteller, eine eigenständige und von der Position des Arbeitskolbens nahezu unabhängige Beeinflussung der Position des Blockierkolbens, beispielsweise auch während einer Bewegung des Arbeitskolbens, vorgenommen werden.
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Insbesondere für einen passiven Linearsteller kann vorgesehen sein, dass der erste Blockierraum und der zweite Blockierraum über eine Verbindungsleitung kommunizierend miteinander verbunden sind, wobei die Verbindungsleitung eine Ventileinrichtung zur Blockierung oder Freigabe eines Fluidstroms zwischen den Blockierräumen umfasst. Bei freigegebener Verbindungsleitung kann das Fluid, insbesondere ein inkompressibles Fluid, zwischen dem ersten und dem zweiten Blockierraum strömen, wodurch eine Positionierung des Blockierkolbens und des damit gekoppelten Stellkolbens ermöglicht wird. Bei gesperrter Verbindungsleitung sind der Blockierkolben und der damit gekoppelte Stellkolben ortsfest in der Blockierausnehmung bzw. in der Zylinderausnehmung festgelegt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung bilden der erste Blockierraum und der zweite Blockierraum mit der Verbindungsleitung einen geschlossenen Kreislauf. Hierdurch ist es möglich, ein konstantes Fluidvolumen in den beiden Blockierräumen und der die Blockierräume verbindenden Verbihdungsleitung einzuschließen und eine Festlegung des Blockierkolbens in einfacher Weise durch Schalten der Ventileinrichtung in die Blockierstellung zu ermöglichen, in der kein Fluidaustausch zwischen den beiden Blockierräumen stattfindet. Vorzugsweise wird hierzu ein inkompressibles Fluid, beispielsweise eine Flüssigkeit, eingesetzt.
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Bevorzugt umfasst die Blockiereinrichtung wenigstens ein in radialer Richtung relativ zum Stellkolben bewegbares Bremselement, das für eine, insbesondere reibschlüssige, Festlegung des Stellkolbens am Zylindergehäuse ausgebildet ist. Das Bremselement ist vorzugsweise für eine Kraftübertragung vom Stellkolben auf die Innenoberfläche der Zylinderausnehmung ausgebildet. Eine Bremswirkung tritt ein, wenn eine beispielsweise in radialer Richtung nach außen wirkende Bremskraft auf das Bremselement einwirkt. Hierdurch wird das Bremselement gegen die Innenoberfläche gepresst und die hierbei auftretende Reibkraft dient zur Festlegung des Stellkolbens, insbesondere in Richtung der Mittelachse des Zylindergehäuses.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Blockiereinrichtung einen fluidisch ansteuerbaren Bremskolben, der am Stellkolben relativbeweglich zwischen einer Ruhestellung zur Freigabe des wenigstens einen Bremselements und einer Funktionsstellung zur Bremskraftbeaufschlagung des wenigstens einen Bremselements angeordnet ist. Dies ermöglicht eine fremdkraftgesteuerte Ansteuerung der Bremselemente, um an einer frei wählbaren Blockierposition die Festlegung des Stellkolbens zu ermöglichen. Vorzugsweise wird der Bremskolben mit dem gleichen druckbeaufschlagten Fluid angesteuert, das auch für die Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Bremskolben linearbeweglich ausgebildet ist und zumindest eine Bewegungskomponente bereitstellt, die in radialer Richtung nach außen gerichtet ist. Ergänzend oder alternativ kann der Bremskolben mit einer Getriebeeinrichtung gekoppelt sein, die eine Umsetzung einer, vorzugsweise in Richtung der Mittelachse der Zylinderausnehmung gerichteten, Bewegung des Bremskolbens in eine Radialrichtung bewirkt.
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Zweckmäßig ist es, wenn der Bremskolben linearbeweglich in einer Bremskolbenausnehmung im Stellkolben aufgenommen ist, die vorzugsweise kommunizierend mit dem Arbeitsraum verbunden ist. Der Stellkolben weist somit eine Doppelfunktion sowohl zur Begrenzung des Arbeitsraums für den Arbeitskolben als auch zur Begrenzung der Bremskolbenausnehmung und zur Führung des Bremskolbens auf. Bevorzugt ist der Bremskolben linearbeweglich längs der Mittelachse der Zylinderausnehmung gegenüber dem Stellkolben gelagert. Besonders bevorzugt ist die im Stellkolben ausgebildete Bremskolbenausnehmung kommunizierend mit dem Arbeitsraum verbunden. Somit führt eine Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums auch zu einer Druckbeaufschlagung der Bremskolbenausnehmung und damit zur Festlegung des Stellkolbens mittels der Bremselemente.
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Vorzugsweise weist der Bremskolben wenigstens eine mit dem Bremselement in Wirkverbindung stehende Steuerfläche auf, die bei einer Bewegung des Bremskolbens relativ zum Stellkolben eine Auslenkung des Bremselements in oder gegen die Radialrichtung bewirkt. Die Steuerfläche und mit der Steuerfläche in Wirkverbindung stehende Bremselemente sind derart eingerichtet, dass eine Bewegung, insbesondere eine Linearbewegung, des Bremskolbens zumindest zu einer Kraftwirkung in radialer Richtung nach außen führt. Beispielsweise ist die Steuerfläche konusmantelabschnittsförmig ausgebildet, wobei eine Symmetrieachse des Konusmantelabschnitts konzentrisch zur Mittelachse der Zylinderausnehmung ausgebildet ist. Bei einer Relativbewegung zwischen Bremskolben und Stellkolben werden die, vorzugsweise am Stellkolben in radialer Richtung beweglich geführten, Bremselemente aufgrund der schräg zur Mittelachse der Zylinderausnehmung ausgerichteten Steuerflächen in radialer Richtung nach außen aus der einer Ruhestellung in eine Bremsstellung ausgelenkt. Die Bremselemente können somit in Abhängigkeit von der relativen Stellung des Bremskolbens gegenüber dem Stellkolben wahlweise für eine Übertragung von Bremskräften auf die Zylinderausnehmung eingesetzt werden oder eine freie Beweglichkeit des Stellkolbens ermöglichen.
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Zweckmäßig ist es, wenn das wenigstens eine Bremselement radial außenliegend an einer Spreizfeder angeordnet ist, die mit einem radial innenliegenden Bereich an dem Bremskolben anliegt und die eine konusmantelförmige Hüllgeometrie aufweist, um bei einer Bewegung des Bremskolbens relativ zum Stellkolben eine Auslenkung des Bremselements in radialer Richtung zu bewirken. Die Aufgabe der Spreizfeder besteht somit in einer Umlenkung der Linearbewegung des Bremskolbens, die beispielsweise parallel zur Mittelachse der Zylinderausnehmung erfolgt, in eine in radialer Richtung ausgerichtete Linearbewegung des oder der Bremselemente. Hierzu ist die Spreizfeder derart ausgebildet, dass sie von einer konusmantelabschnittsförmigen Hüllgeometrie umgeben werden kann. Eine Mittelachse der Spreizfeder, die ggf. auch eine Rotations- oder Spiegelsymmetrieachse der Spreizfeder sein kann, ist vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Mittelachse der Zylinderausnehmung ausgerichtet. Besonders bevorzugt wird die Spreizfeder durch eine lineare Bewegung des vorzugsweise an einem Innenumfangsbereich der Spreizfeder angreifenden Bremskolbens in der Art einer Tellerfeder deformiert. Im Zuge dieser Deformation findet ausgehend von einer entspannten Neutrallage der Spreizfeder mit gegebenem Außendurchmesser eine Vergrößerung des Außendurchmessers der Hüllkurve der Spreizfeder in radialer Richtung nach außen statt. Hierdurch wird die gewünschte Umlenkung der axialen Bewegungs- und Kraftrichtung des Bremskolbens in eine Radialrichtung bewirkt.
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Zudem kann bei einer geeigneten Auswahl der Werkstoffe und Dimensionen für die Spreizfeder eine Untersetzung der Bewegung des Bremskolbens erzielt werden, so dass beispielsweise eine große Linearbewegung des Bremskolbens zu einer demgegenüber kleineren Linearbewegung der Bremselements führt und hierbei eine Kraftübersetzung stattfindet. Hierdurch wird die vom Bremskolben aufgebrachte Kraft in axialer Richtung in eine vergrößerte Kraft in radialer Richtung auf die Bremselemente gewandelt.
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Bevorzugt ist der Stellkolben von einem Fluidkanal durchsetzt, der in den Arbeitsraum mündet, um eine positionsunabhängige Fluidbeaufschlagung des Arbeitsraums zu ermöglichen. Hierdurch wird eine freie Einstellbarkeit für den Arbeitshub des Arbeitskolbens längs der Mittelachse der Zylinderausnehmung ermöglicht. Eine Zu- und/oder Abfuhr von druckbeaufschlagtem Fluid in den und/oder aus dem Arbeitsraum erfolgt stets unabhängig von der Position des Arbeitskolbens und des Blockierkolbens. Besonders bevorzugt ist eine Fluidleitung, die kommunizierend mit dem Fluidkanal im Stellkolben verbunden ist, abschnittsweise flexibel, beispielsweise als Druckschlauch, ausgebildet. Dies ermöglicht eine einfache Bereitstellung von druckbeaufschlagtem Fluid in den Arbeitsraum.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stellkolben mit einem Abschlussdeckel, der vorzugsweise endseitig am Zylindergehäuse angebracht ist, einen ersten Stellraum begrenzt, der mit einem druckbeaufschlagten Fluid beaufschlagbar ist. Die Funktion des ersten Stellraums besteht darin, den Stellkolben, vorzugsweise unter Verwendung desjenigen druckbeaufschlagten Fluids, das auch zur Bewegung des Arbeitskolbens eingesetzt wird, in eine gewünschte Blockierposition zu bringen und dabei gegebenenfalls auch den Arbeitskolben zu bewegen. Hierzu findet eine Druckbeaufschlagung des ersten Stellraums in einer Phase statt, in der der Arbeitsraum zumindest nahezu drucklos ist und die Blockiereinrichtung deaktiviert ist. Für diese Verlagerung des Stellkolbens ist nur ein geringer Fluiddruck erforderlich da der Arbeitskolben keine Kräfte auf ein Werkstück übertragen muss.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Arbeitskolben mit der Innenwand der Zylinderausnehmung und einem, vorzugsweise endseitig am Zylindergehäuse angebrachten, insbesondere von einer Kolbenstange durchsetzten, Abschlussdeckel einen zweiten Stellraum begrenzt, der mit einem druckbeaufschlagten Fluid beaufschlagbar ist. Der zweite Stellraum dient in gleicher Weise wie der erste Stellraum zur axialen Verlagerung des Stellkolbens, jedoch in entgegengesetzter Richtung. Durch die Einbeziehung des Arbeitskolbens als verstellbare Begrenzung für den zweiten Stellraum ist eine Verlagerung des Stellkolbens in der Regel mit einer gleichsinnigen Bewegung des Arbeitskolbens verbunden. Durch Druckbeaufschlagung des ersten oder zweiten Stellraums kann der Stellkolben wahlweise in einander entgegengesetzten Richtungen längs der Mittelachse der Zylinderausnehmung in die jeweils gewünschte Blockierposition verschoben werden und dort durch Aktivierung der Blockiereinrichtung festgelegt werden.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines fluidbetätigbaren Linearantriebs,
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2 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines fluidbetätigbaren Linearantriebs,
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3 eine schematische Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform eines fluidbetätigbaren Linearantriebs in einer Ruhestellung,
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4 den fluidbetätigbaren Linearantrieb gemäß der dritten Ausführungsform in einer ersten Funktionsstellung,
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5 den fluidbetätigbaren Linearantrieb gemäß der dritten Ausführungsform in einer zweiten Funktionsstellung und
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6 eine Schnittdarstellung durch die dritte Ausführungsform des fluidbetätigbaren Linearantrieb.
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Eine in der 1 dargestellte erste Ausführungsform eines fluidbetätigbaren Linearantriebs 1 umfasst ein beispielsweise rohrförmig ausgebildetes Zylindergehäuse 2, das eine vorzugsweise zylindrisch ausgebildete Zylinderausnehmung 3 begrenzt. Ein in der Zylinderausnehmung 3 aufgenommener Arbeitskolben 5 ist längs einer Mittelachse 4 der Zylinderausnehmung 3 linearbeweglich ausgebildet. Der Arbeitskolben 5 weist ein in einer außenliegenden, umlaufenden Nut angeordnetes, beispielsweise als O-Ring ausgebildetes Dichtmittel 6 auf, das für eine Abdichtwirkung gegenüber einer Innenoberfläche 7 der Zylinderausnehmung 3 ausgebildet ist. Der Arbeitskolben 5 ist mit einer längs der Mittelachse 4 erstreckten Kolbenstange 8 ausgestattet, die in Längsrichtung der Mittelachse 4 über das Zylindergehäuse 2 hinausragt. Die Kolbenstange 8 ist für eine Kraftübertragung zwischen dem Arbeitskolben 5 und einer nicht dargestellten Maschinenkomponente ausgebildet.
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In der Zylinderausnehmung 3 ist weiterhin ein Stellkolben 9 angeordnet, der wie der Arbeitskolben 5 längs der Mittelachse 4 linearbeweglich im Zylindergehäuse 2 aufgenommen ist. Der Stellkolben 9 ist für eine Begrenzung eines Arbeitshubs 10 des Arbeitskolbens 5 vorgesehen. In der Darstellung gemäß der 1 ist der Stellkolben 9 derart in der Zylinderausnehmung 3 angeordnet, dass der Arbeitshub 10 des Arbeitskolbens 5 nahezu maximal ist. Durch Verschieben des Stellkolbens 9 aus der dargestellten Ruheposition in eine Blockierposition längs der Mittelachse 4 kann der Arbeitshub 10 des Arbeitskolbens 5 verringert werden. Der Stellkolben 9 weist ein in einer außenliegenden, umlaufenden Nut angeordnetes, beispielsweise als O-Ring ausgebildetes Dichtmittel 11 auf, das für eine Abdichtwirkung gegenüber der Innenoberfläche 7 der Zylinderausnehmung 3 ausgebildet ist.
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Eine dem Stellkolben 9 zugewandte Stirnfläche 13 des Arbeitskolbens 5 und eine dem Arbeitskolben 5 zugewandte Stirnfläche 14 des Stellkolbens 9 begrenzen zusammen mit der Innenoberfläche 7 einen Arbeitsraum 12, der für eine Druckbeaufschlagung mit einem Fluid ausgebildet ist. Bei einer Überdruckbeaufschlagung des Arbeitsraums 12 wird der Arbeitskolben 5 verschoben, wobei sich der Abstand zum Stellkolben 9 vergrößert. Hierdurch wird die Kolbenstange 8 aus dem Zylindergehäuse 2 ausgeschoben und kann dabei eine lineare Stellbewegung auf die nicht dargestellte Maschinenkomponente einleiten.
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Ein linearer Bewegungsbereich 16 des Arbeitskolbens 5 und ein linearer Bewegungsbereich 17 des Stellkolbens 9 überschneiden sich beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung nahezu vollständig. Dies bedeutet, dass der Stellkolben 9 nahezu in jede Position längs der Mittelachse 4 gebracht werden kann, die auch vom Arbeitskolben 5 eingenommen werden kann. Somit ist der Arbeitshub 10 des Arbeitskolbens 5 völlig frei wählbar. Dadurch kann beispielsweise ein geringer Arbeitshub für den Arbeitskolben 5 eingestellt werden, der angesichts der geringen Fluidmenge, die zur Verlagerung des Arbeitskolbens 5 aus einer Ruheposition in eine Funktionsposition benötigt wird, mit einem geringen Fluidvolumenstrom und mit einer sehr kurzen Taktzeit vom Arbeitskolben 5 abgefahren werden kann.
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Um eine Größe des Arbeitsraums 12 frei wählbar einstellen zu können und diese Einstellung auch bei Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums 12 beibehalten zu können, ist der Stellkolben 9 mit einer Blockiereinrichtung 15 gekoppelt. Exemplarisch ist die Blockiereinrichtung 15 als passiver Linearsteller ausgebildet und umfasst einen Blockierzylinder 18, in dem eine Blockierausnehmung 19 ausgebildet ist. In der Blockierausnehmung 19 ist ein Blockierkolben 20 linearbeweglich aufgenommen. Der Blockierkolben 20 bildet exemplarisch mit einer Zwischenwand 25 und dem Blockierzylinder 18 einen ersten Blockierraum 21 und mit einem Abschlussdeckel 26 und dem Blockierzylinder 18 einen zweiten Blockierraum 22. Die beiden Blockierräume 21, 22 stehen über eine Verbindungsleitung 23 miteinander in kommunizierender Verbindung. In die Verbindungsleitung 23 ist exemplarisch als 2/2-Wegeventil ausgebildete Ventileinrichtung 24 eingeschleift. Die Ventileinrichtung 24 ermöglicht wahlweise eine Blockierung oder Freigabe der Verbindungsleitung 23, um einen Fluidstrom zwischen den beiden Blockierräumen 21, 22 zu unterbinden oder freizugeben.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform bilden die beiden Blockierräume 21, 22 und die Verbindungsleitung 23 einen geschlossenen Fluidkreislauf, in dem ein, vorzugsweise inkompressibles, Fluid aufgenommen ist. Bei geschlossener Ventileinrichtung 24 ist ein Fluidaustausch zwischen den beiden Blockierräumen 21, 22 unterbunden und der Blockierkolben 20 ist in der jeweiligen Position festgelegt. Da der Blockierkolben 20 über eine Verbindungsstange 27 mit dem Stellkolben 9 gekoppelt ist, kann sich der Stellkolben 9 bei geschlossener Ventileinrichtung 24 ebenfalls nicht bewegen und nimmt somit im Zylindergehäuse 2 eine entsprechende Blockierposition ein, durch die der Arbeitshub 10 des Arbeitskolbens 5 begrenzt wird.
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Um eine Fluidversorgung des Arbeitsraums 12 in jeder Position des Arbeitskolbens 5 und des Stellkolbens 9 zu gewährleisten, ist der Stellkolben 9 mit einem Fluidkanal 33 versehen, der exemplarisch konzentrisch zur Mittelachse 4 ausgebildet ist. Der Fluidkanal 33 mündet an der dem Arbeitskolben 5 zugewandten Stirnfläche 14 des Stellkolbens 9 in den Arbeitsraum 12 und durchsetzt die Verbindungsstange 27, die sich über den Blockierkolben 20 hinaus aus dem Blockierzylinder 18 erstreckt.
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Der Stellkolben 9 bildet mit der Zwischenwand 25 einen ersten Stellraum 36 aus, in den eine radial nach innen verlaufende Anschlussbohrung A mündet, durch die druckbeaufschlagtes Fluid in den ersten Stellraum 36 eingeleitet werden kann. An der Anschlussbohrung A ist eine erste Versorgungsleitung 40 angeschlossen, die mit einer Fluidquelle 45 verbindbar ist.
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Der Arbeitskolben 5 bildet mit einem Abschlussdeckel 34, der die Zylinderausnehmung 3 endseitig verschließt und der von der Kolbenstange 8 durchsetzt ist, einen zweiten Stellraum 37 aus, in den eine radial nach innen verlaufende Anschlussbohrung B mündet, durch die druckbeaufschlagtes Fluid in den zweiten Stellraum 37 eingeleitet werden kann. An der Anschlussbohrung B ist eine zweite Versorgungsleitung 41 angeschlossen, die mit der Fluidquelle 45 verbindbar ist.
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Durch Druckbeaufschlagung des ersten Stellraums 36 kann bei gleichzeitig geöffneter Ventileinrichtung 24 eine Verschiebung des Stellkolbens 9 in Richtung des Arbeitskolbens 5 bewirkt werden. Durch die Verlagerung des mit dem Stellkolben 9 gekoppelten Blockierkolbens 20 wird Fluid aus dem zweiten Blockierraum 22 in den ersten Blockierraum 21 gefördert. Sobald die Ventileinrichtung 24 aus der Öffnungsstellung in eine Blockierstellung gebracht wird, wie dies in der 1 dargestellt ist, wird ein weiterer Fluidstrom vom zweiten Blockierraum 22 in den ersten Blockierraum 21 unterbunden. Bei Verwendung eines inkompressiblen Fluids wird dadurch eine weitere Bewegung des Blockierkolbens 20 und des damit gekoppelten Stellkolbens 9 verhindert, so dass der Stellkolben 9 die Blockierposition einnimmt.
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Insbesondere bei Verwendung eines inkompressiblen Fluids für die Blockiereinrichtung 15 kann der Querschnitt der Blockierausnehmung 19 und des Blockierkolbens 20 kleiner gewählt werden als der Querschnitt der Zylinderausnehmung 3.
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Der zweite Stellraum 37 dient dazu, den Arbeitskolben 5 nach einer Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums 12 und einer damit einhergehenden Stellbewegung in Richtung der Erstreckung der Kolbenstange 8 in eine Ausgangsposition zurück zu bewegen, in der der Arbeitskolben 5 am Stellkolben 9 anliegt. Hierzu wird der zweite Stellraum 37 druckbeaufschlagt und der Arbeitsraum 12 wird druckentlastet, wodurch die gewünschte Rückstellbewegung des Arbeitskolbens ermöglicht wird.
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Zur Koordination der Bewegungen des Arbeitskolbens 5 und des Stellkolbens 9 ist eine schematisch dargestellte Steuereinrichtung 42 vorgesehen, die für eine Ansteuerung der beispielsweise als Magnetventil ausgebildeten Ventileinrichtung 24 sowie weiterer, nachstehend näher beschriebener Ventileinrichtungen vorgesehen ist, die exemplarisch ebenfalls als Magnetventile ausgebildet sind. Eine zweite Ventileinrichtung 44 ist zur Beeinflussung eines Fluidstroms von einer exemplarisch als Druckluftquelle ausgebildeten Fluidquelle 45 zum Arbeitsraum 12 und zum zweiten Stellraum 37 eingerichtet. Hierzu ist die zweite Ventileinrichtung 44 vorzugsweise als 5/3-Wegeventil ausgebildet und weist Verbindungsleitungen 46, 47, 41 auf, die mit der Fluidquelle 45, mit dem Arbeitsraum 12 und mit dem zweiten Stellraum 37 kommunizierend verbunden sind. Hiermit kann durch Umschaltung der Ventileinrichtung 44 eine wechselweise Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums 12 und des zweiten Stellraums 37 erzielt werden, um eine Reversierbewegung des Arbeitskolbens 5, insbesondere bei konstantem Arbeitshub 10, vorzunehmen.
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Eine weitere, exemplarisch als 3/2-Wegeventil ausgebildete dritte Ventileinrichtung 49 ist über eine Verbindungsleitung 50 mit der Fluidquelle 45 kommunizierend verbunden und kann in Abhängigkeit von der gewählten Schaltstellung über die Versorgungsleitung 40 mit dem ersten Stellraum 36 in kommunizierende Verbindung gebracht werden oder zur Druckentlastung, beispielsweise Entlüftung, des ersten Stellraums 36 dienen.
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Für eine Veränderung des Arbeitsvolumens des Arbeitsraums 12 wird von der Steuereinrichtung 42 zunächst die erste Ventileinrichtung 24 in die Öffnungsstellung gesteuert, um eine Positionsänderung des Blockierkolbens 20 und des Stellkolbens 9 zu ermöglichen.
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Anschließend werden die zweite und die dritte Ventileinrichtung 44, 49 angesteuert, um entweder eine Druckbeaufschlagung des ersten Stellraums 36 oder des zweiten Stellraums 37 und eine Fluidabfuhr aus dem zweiten Stellraum 37 oder aus dem ersten Stellraum 36 zu bewirken. Hierdurch kann die gewünschte Verlagerung des Stellkolbens 9 entweder direkt durch Druckbeaufschlagung des ersten Stellraums 36 oder mittelbar durch Druckbeaufschlagung des zweiten Stellraums 37 bewirkt werden. Diese Verlagerung erfordert keinen hohen Fluiddruck, da der Arbeitskolben 5 keine oder nur eine geringe Kraft aus üben muss, beispielsweise beim Annähern einer Schweißelektrode an eine Werkstückoberfläche.
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Sobald der Stellkolben 9 die gewünschte Blockierposition einnimmt, was beispielsweise über eine nicht dargestellte Wegmesseinrichtung detektiert werden kann, wird die erste Ventileinrichtung 24 in die Schließstellung geschaltet, so dass eine weitere Bewegung des Blockierkolbens 20 und des damit gekoppelten Stellkolbens 9 verhindert wird. Die Druckbeaufschlagung des ersten Stellraums 36 oder des zweiten Stellraums 37 wird durch entsprechende Ansteuerung der zweiten und dritten Ventileinrichtungen 44, 49 beendet. Anschließend wird durch geeignete Ansteuerung der zweiten Ventileinrichtung 44 der Arbeitsraum 12 mit Fluid beaufschlagt, so dass sich der Arbeitskolben 5 vom Stellkolben 9 entfernt und sich in Richtung des Abschlussdeckels 34 bewegt. Da der Arbeitsraum 12 aufgrund des in der Blockierstellung befindlichen Stellkolbens 9 nur das minimal notwendige Arbeitsvolumen aufweist, ist der Bedarf an druckbeaufschlagten Fluid zur Bewegung des Arbeitskolbens 5 gering und der fluidbetätigbare Linearantrieb 1 kann sehr ökonomisch betrieben werden.
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Für eine Bewegung des Arbeitskolbens 5 in entgegengesetzter Richtung wird eine Umschaltung der zweiten Ventileinrichtung 44 vorgenommen, so dass nunmehr der zweite Stellraum 37 druckbeaufschlagt wird und das Fluid aus dem Arbeitsraum 12 entweichen kann.
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Bei dem fluidbetätigbaren Linearantrieb 101 gemäß 2 umfasst die Blockiereinrichtung 115 mehrere beweglich in Führungsbohrungen 153 am Stellkolben 109 geführte Bremselemente 128. Die Bremselemente 128 sind radial außenliegend am Stellkolben 109 und gegebenenfalls in Umfangsrichtung mit gleicher Winkelteilung verteilt angeordnet, exemplarisch sind sie kugelförmig ausgebildet. Die Bremselemente 128 liegen jeweils auf einer Steuerfläche 131 auf, die an einem Bremskolben 129 ausgebildet ist, der längs der Mittelachse 104 relativbeweglich in einer Bremskolbenausnehmung 130 des Stellkolbens 109 aufgenommen ist. Die Steuerfläche 131 ist konusabschnittsförmig ausgebildet und verjüngt sich mit zunehmendem Abstand vom Arbeitskolben 105 längs der Mittelachse 104. Durch die Aufnahme der Bremselemente 128 in den Führungsbohrungen 153 weisen die Bremselemente 128 lediglich einen in radialer Richtung des Zylindergehäuses 102 ausgerichteten translatorischen Freiheitsgrand der Bewegung auf. Eine Rotation der kugelförmig ausgebildeten Bremselemente 128 ist bei der vorliegenden Ausführungsform ohne Belang. Die Anlage an der Steuerfläche 131 führt zu einer Zwangsführung der Bremselemente 128 in radialer Richtung nach außen, in radialer Richtung nach innen ist bei der dargestellten Ausführungsform keine Zwangsführung vorgesehen.
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Der Arbeitsraum 112 steht über Verbindungsbohrungen 154 mit der Bremskolbenausnehmung 130 in kommunizierender Verbindung. Eine Versorgung des Arbeitsraums 112 mit druckbeaufschlagtem Fluid und eine Abfuhr des Fluids aus dem Arbeitsraum 112 findet über einen im Stellkolben 109 ausgebildeten Fluidkanal 133 statt, der den Stellkolben 109 in Richtung der Mittelachse 104 durchsetzt. An einem dem Arbeitskolben 105 abgewandten Endbereich des abschnittsweise rohrförmig ausgebildeten Fluidkanals 133 ist exemplarisch eine radiale Bohrung vorgesehen, in die ein erster Endbereich eines flexiblen Fluidschlauchs 156 eingesteckt ist. Der Fluidschlauch 156 ist wendelförmig ausgebildet, wobei die Mittelachse 104 als Zentrum der Wendelgeometrie dient. Ein zweiter Endbereich des flexiblen Fluidschlauchs 156 ist in eine radiale Bohrung eines Anschlussstutzens 157 eingesteckt. Der Anschlussstutzen 157 ist rohrförmig ausgebildet und durchsetzt einen zweiten Abschlussdeckel 135, der zusammen mit einem ersten Abschlussdeckel 134 und dem Zylindergehäuse 102 die Zylinderausnehmung 103 begrenzt.
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Zur Einstellung des Arbeitsvolumens des Arbeitsraums 112 werden wahlweise ein erster Stellraum 136, in den eine radial nach innen verlaufende Anschlussbohrung A mündet, oder ein zweiter Stellraum 137, in den eine radial nach innen verlaufende Anschlussbohrung B mündet, mit Fluid beaufschlagt. Hierdurch wird eine Verlagerung des Stellkolbens 109 und gegebenenfalls auch des Arbeitskolbens 105 bewirkt, wofür nur ein geringer Fluiddruck notwendig ist.
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Nach Erreichen der Blockierposition wird der Bremskolben 129 durch Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums 112 aus der in 2 dargestellten Ruhestellung linear längs der Mittelachse 104 in eine Funktionsstellung bewegt. Bei Annäherung des Bremskolbens 129 an die Funktionsstellung werden die Bremselemente 128 aufgrund der konischen Geometrie der Steuerfläche 131 in radialer Richtung nach außen gegen die Innenoberfläche 107 des Zylindergehäuses 102 gedrängt. Dadurch wird eine Reibkraft zwischen der Innenoberfläche 107 und den Bremselementen 128 aufgebaut, die eine Linearbewegung des Stellkolbens 109 verhindert, so dass dieser seine Blockierposition einnimmt.
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Anschließend kann der Arbeitskolben 105 die gewünschte Bewegung vornehmen, wobei durch die Einstellung des Arbeitsvolumens des Arbeitsraums 112 mit Hilfe des Stellkolbens 109 nur ein minimaler Bedarf an druckbeaufschlagtem Fluid vorliegt.
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Um die Blockierposition der Blockiereinrichtung 115 wieder aufzuheben, kann vorgesehen werden, zunächst den Arbeitsraum 112 drucklos zuschalten und anschließend den ersten Stellraum 136 mit druckbeaufschlagtem Fluid zu versorgen. Hierdurch wird der Bremskolben 129 aus der Funktionsstellung in Richtung des Arbeitskolbens 105 in die in 2 dargestellte Ruhestellung zurückgeführt und die Bremselemente 128 freigegeben. In einem nachfolgenden Schritt kann nun eine Verlagerung des Stellkolbens 109 durch entsprechende Druckbeaufschlagung des ersten Stellraums 136 oder des zweiten Stellraums 137 erreicht werden.
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Die in den 3 bis 5 dargestellte dritte Ausführungsform eines fluidbetätigbaren Linearantriebs 201 weist grundsätzlich den gleichen Aufbau wie die zweite Ausführungsform auf. Abweichend von der zweiten Ausführungsform des fluidbetätigbaren Linearantrieb 101 ist bei der dritten Ausführungsform eines fluidbetätigbaren Linearantriebs 201 eine Spreizfeder 232 als Koppelglied zwischen dem Bremskolben 229 und den Bremselementen 228 angeordnet. Die Aufgabe der Spreizfeder 232 besteht darin, die lineare Bewegung des Bremskolbens 229 längs der Mittelachse 204 in eine radiale Bewegung der Bremselemente 228 umzusetzen und die axiale Kraftwirkung des Bremskolbens 229 in eine radiale Kraftwirkung der Bremselemente 228 umzusetzen.
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Darüber hinaus kann die Spreizfeder 232 zudem derart ausgebildet sein, dass eine Bewegungsuntersetzung stattfindet, die zu einer Vergrößerung der vom Bremskolben 229 bereitgestellten und auf die Bremselemente 228 wirkenden Kraft und zu einer Verkleinerung des vom Bremskolben 229 ausgeführten und an die Bremselemente 228 übertragenen Bewegungswegs führt.
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Die Spreizfeder 232 umfasst, wie dies in der 6 dargestellt ist, in gleicher Winkelteilung sternförmig in radialer Richtung nach außen abragende Lamellen 259, die jeweils an einem radial außenliegenden Endbereich an den Bremselementen 228 anliegen und die sich in einem radial innenliegenden Bereich an einem zylindrischen Fortsatz 258 des Bremskolbens 229 abstützen.
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Eine Hüllgeometrie der Spreizfeder 232 ist kegelmantelabschnittsförmig ausgebildet, damit weist die Spreizfeder 232 im Wesentlichen das Deformationsverhalten einer Tellerfeder auf. Durch die lamellenartige Gestaltung wird eine hohe Flexibilität erreicht, so dass bereits geringe Kräfte, die in axialer Richtung auf die Spreizfeder 232 einwirken, zu der gewünschten Radialbewegung der Bremselemente 228 führen. Bei der vorliegenden Ausführungsform der Spreizfeder 232 sind die Lamellen 259 jeweils paarweise parallel zueinander ausgerichtet und radial außenliegend durch einen Quersteg miteinander verbunden.
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In der 3 ist eine Neutralstellung des fluidbetätigbaren Linearantriebs 201 dargestellt, in der der Bremskolben 229 flächig an einer Stirnfläche 260 der Bremskolbenausnehmung 230 anliegt. Der Bremskolben 229 ist von mehreren Drosselkanälen 264 durchsetzt, die eine kommunizierende Verbindung zwischen dem Arbeitsraum 212 und der Bremskolbenausnehmung 230 gewährleisten. In der Neutralstellung kann der Stellkolben 209 durch wahlweise Druckbeaufschlagung des ersten Stellraums 236 über die radial nach innen verlaufende Anschlussbohrung A oder des zweiten Stellraums 237 über die radial nach innen verlaufende Anschlussbohrung B in axialer Richtung längs der Mittelachse 204 verschoben werden, wobei der Arbeitskolben 205 gegebenenfalls mitgeführt wird. Diese Verlagerung des Stellkolbens 209 und des Arbeitskolbens 205 kann bei geringem Druck erfolgen, so dass der Bedarf an druckbeaufschlagtem Fluid hierfür gering ist.
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Eine Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums 212 erfolgt über den rohrförmig ausgebildeten und am zweiten Abschlussdeckel 235 festgelegten Fluidkanal 233. Um eine Verstellbarkeit des Arbeitskolbens 205 und des Stellkolbens 209 über die gesamte Erstreckung der Zylinderausnehmung 203 zu ermöglichen, ist die Kolbenstange 208 mit einer Aufnahmebohrung 261 versehen. Die Aufnahmebohrung 261 erstreckt sich ausgehend von dem dem Bremskolben 229 zugewandten Endabschnitt der Kolbenstange 208 in Richtung des aus dem Zylindergehäuse 202 hinausragenden Endabschnitts und ist als Sacklochbohrung zur Aufnahme des Fluidkanals 233 ausgeführt.
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An dem Arbeitskolben 205 ist an einer der Kolbenstange 208 abgewandten Oberfläche ein Ringbund 262 ausgebildet, der in eine Verbindungsausnehmung 263 hineinragt, die den Stellkolben 209 durchsetzt und die für eine kommunizierende Verbindung zwischen dem Arbeitsraum 212 und der Bremskolbenausnehmung 230 ausgebildet ist. Zwischen dem Ringbund 262 und der Verbindungsausnehmung 263 sorgt in einer Neutralstellung des fluidbetätigbaren Linearantriebs 201, wie sie in der 3 dargestellt ist, ein in der Verbindungsausnehmung 263 festgelegter Dichtring 265 dafür, dass bei einer Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums 212 zunächst eine Krafteinwirkung auf den Bremskolben 229 stattfindet. Der Dichtring 265 weist eine umlaufende, konusringförmige Dichtlippe auf, die sich in Richtung des Stellkolbens 209 verjüngt und in der Ruhestellung gemäß der 3 abdichtend auf dem Ringbund 262 aufliegt. Somit steht der Arbeitsraum 212 in der Ruhestellung lediglich über die Drosselkanäle 264 in kommunizierender Verbindung mit der Bremskolbenausnehmung, die ihrerseits direkt mit dem Fluidkanal 233 verbunden ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass ausgehend von der Ruhestellung bei Durchführung einer Druckbeaufschlagung des Fluidkanals 233 zunächst eine Verlagerung des Bremskolbens 229 aus der in 3 dargestellten Ruhestellung in die in 4 dargestellte Funktionsstellung stattfindet.
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Hierbei übt der Bremskolben 229 eine Axialkraft auf die Spreizfeder 232 aus, so dass die Spreizfeder 232 deformiert wird, woraus eine Ausdehnungsbewegung der Spreizfeder 232 in radialer Richtung resultiert. Diese Ausdehnungsbewegung führt zu einer Kraftbeaufschlagung der Bremselemente 228 in radialer Richtung nach außen, so dass der Stellkolben 209 in einer Blockierposition festgelegt wird, wie dies in 4 dargestellt ist.
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Ein geringer Teil des zur Verfügung gestellten Fluids strömt zwar bereits über die Drosselkanäle 264 in den Arbeitsraum 212, aufgrund der Drosselwirkung findet jedoch zunächst keine Bewegung des Arbeitskolbens 205 statt. Vorzugsweise sind die Drosselkanäle so dimensioniert, dass erst dann, wenn der Bremskolben 229 seine Funktionsstellung eingenommen hat und die Bremselemente 228 derart gegen die Innenoberfläche 207 der Zylinderausnehmung 203 presst, dass die hervorgerufenen Reibkräfte eine Verlagerung des Stellkolbens 209 verhindern, eine ausreichende Fluidmenge durch die Drosselkanäle 264 in den Arbeitsraum 212 strömt. Dadurch kann der Arbeitskolben 205 aus der Ruhestellung in die in 5 dargestellte Funktionsposition gebracht werden. Bei Vergrößerung des Abstands zwischen Arbeitskolben 205 und Stellkolben 209 wird die Verbindungsausnehmung 263 von dem Ringbund 262 freigegeben, so dass nunmehr eine ungedrosselte Verbindung zwischen dem Fluidkanal 233 und dem Arbeitsraum 212 besteht und das druckbeaufschlagte Fluid den Arbeitskolben 205 in seiner Arbeitsrichtung bewegen kann.
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Nach Erreichen der Arbeitsstellung wird der Arbeitskolben 205 durch Druckbeaufschlagung des zweiten Stellraums 237 und Druckentlastung des Arbeitsraums 212 wieder in Richtung des Stellkolbens 209 zurückbewegt. Hierbei ist die Ausgestaltung des Dichtrings 265 vorteilhaft, da dieser aufgrund der in Richtung des Stellkolbens 209 verjüngten Gestalt in der Art eines Rückschlagventils arbeitet und ein rasches Abströmen des Fluids aus dem Arbeitsraum 212 auch dann ermöglicht, wenn der Ringbund 262 des Arbeitskolbens 205 wieder in die Verbindungsausnehmung 263 eingetaucht ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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