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Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe, umfassend ein Gehäuse,
einen Fluideinlass,
einen Fluidauslass,
wenigstens einen Pumpkolben zum Fördern von Fluid vom Fluideinlass zum Fluidauslass,
einen jeweiligen Zylinderraum für jeden Pumpkolben in dem Gehäuse, wobei der Pumpkolben in dem Zylinderraum zur Ausführung von Pumphüben zwischen einer inneren Totpunktstellung einer äußeren Totpunktstellung geführt ist, und
eine mit einer Antriebswelle ausgestattete Antriebseinrichtung, die ein mittels der Antriebswelle zur Drehung antreibbares Kolbenantriebselement sowie eine Kolbenrückstelleinrichtung aufweist und zur Umsetzung der Drehung des Kolbenantriebselementes in Kolbenhubbewegungen des Pumpkolbens eingerichtet ist, wobei das Kolbenantriebselement den Pumpkolben von der inneren Totpunktstellung in die äußere Totpunktstellung drückt, wohingegen die Kolbenrückstelleinrichtung den Pumpkolben in die innere Totpunktstellung zurückdrängt.
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Die Erfindung betrifft insbesondere eine derartige Kolbenpumpe mit mehreren Pumpkolben, die in ihren Zylinderräumen zur Ausführung von Pumphüben zwischen einer jeweiligen inneren Totpunktstellung und einer jeweiligen äußeren Totpunktstellung geführt sind, wobei die Antriebseinrichtung zur Umsetzung der Drehung des Kolbenantriebselementes in Kolbenhubbewegungen der Pumpkolben eingerichtet ist, derart, dass das Kolbenantriebselement die Pumpkolben zeitversetzt von der inneren Totpunktstellung in die äußere Totpunktstellung drückt, wohingegen die Kolbenrückstelleinrichtung die Kolben in die innere Totpunktstellung zurückdrängt.
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Solche Kolbenpumpen gibt es in verschiedenen Bauformen, so z. B. als Axialkolbenpumpen und als Radialkolbenpumpen. Bei den Axialkolbenpumpen sind die Kolbenachsen normalerweise parallel zueinander und parallel zu einer Zentralachse ausgerichtet, wohingegen bei den Radialpumpen die Kolben radial zu einer Zentralachse ausgerichtet sind. Ferner existieren auch Mehrkolben-Reihenpumpen, bei denen die Kolben in einer Reihe senkrecht zur Zentralachse angeordnet sind.
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Bei den hier betrachteten Kolbenpumpen steht das Kolbenantriebselement berührend mit den Kolben in Verbindung, ohne daran fixiert zu sein.
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Die Kolbenrückstelleinrichtung umfasst üblicherweise Rückstellfedern, z. B. Schraubenfedern, welche die Kolben in Richtung zur inneren Totpunktstellung vorspannen. Ferner sind die hier betrachteten Kolbenpumpen normalerweise auch mit Steuermitteln ausgestattet, die die jeweiligen Zylinderräume der Pumpkolben abwechselnd mit dem Fluideinlass und dem Fluidauslass verbinden.
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Eine sehr leistungsfähige und zuverlässige Pumpenbauart ist als Axialkolbenpumpe mit Taumelscheibenantrieb oder als Taumelscheibenpumpe bekannt. Solche Taumelscheibenpumpen werden z. B. als Hydraulikpumpen in hydraulischen Arbeitsgeräten und z. B. als Hydraulikpumpen zur Versorgung von Hubzylindern in Kipperfahrzeugen oder Hubfahrzeugen eingesetzt.
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Insbesondere bei solchen Fahrzeuganwendungen ist häufig die Situation gegeben, dass die Kolbenpumpe mit ihrer Antriebswelle an einem Nebenabtrieb des Fahrzeugmotors angeschlossen ist und im Dauerlauf betrieben wird, solange der Fahrzeugmotor läuft. Bei Nichtgebrauch der Pumpe kann üblicherweise ein an die Pumpe angeschlossenes Steuerventil so eingestellt werden, dass von der Pumpe aus einem Hydrauliktank heraus gefördertes Fluid in Umlauf und mit geringem Druck zum Tank zurückgeführt wird.
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Insbesondere bei solchen im Dauerlauf betriebenen Hydraulikpumpen mit berührender Beaufschlagung der Pumpenkolben durch das Kolbenantriebselement entgegen der Rückstellkraft der Kolbenrückstelleinrichtung besteht die Gefahr von Abnutzungserscheinungen an den Berührungsstellen zwischen den Kolben und dem Kolbenantriebselement, also bei einem Taumelscheibenmotor zwischen der Taumelscheibe und den daran abgestützten Pumpkolben.
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Ausgehend von einer solchen Problematik war es Aufgabe der Erfindung, eine Kolbenpumpe der vorstehend genannten Art bereitzustellen, welche einen verschleißarmen Leerlauf bei Dauerbetrieb der Antriebswelle ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Kolbenpumpe der eingangs genannten Art eine Stelleinrichtung vorgesehen, die dazu aktivierbar ist, bei drehender Antriebswelle die Rückstellwirkung der Kolbenrückstelleinrichtung zumindest partiell zu unterdrücken.
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Auf diese Weise kann ein Leerlaufbetrieb realisiert werden, bei dem die Antriebswelle rotiert, ohne dass eine Pumpwirkung erzeugt wird.
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Erfindungsgemäß können Stelleinrichtungen unterschiedlicher Wirkungsweisen zum Einsatz kommen. Ein erster Typ Stelleinrichtung umfasst eine steuerbare Kolbendeaktivierungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, auf ein Steuersignal hin die jeweiligen Pumpkolben in ihrer äußeren Totpunktstellung zu stoppen, so dass auf diese Weise die Rückstellwirkung der Kolbenrückstelleinrichtung unterdrückt wird.
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Gemäß einer Variante der Erfindung umfasst die Kolbendeaktivierungseinrichtung eine den jeweiligen Kolben durch Deformation seines Zylinderraumes festklemmende Klemmvorrichtung. Diese Klemmvorrichtung kann Mittel umfassen, welche eine gezielte Deformation oder einen Verzug des Gehäuses im Bereich der Zylinderräume bewirken können.
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Eine analoge Variante einer solchen Klemmvorrichtung umfasst Klemmhülsen, die in den Zylinderräumen die Kolben umgeben und deformierbar sind, um Kolben in der äußeren Totpunktstellung temporär zu klemmen.
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Die Stelleinrichtung kann je nach Bautyp hydraulisch, elektromagnetisch, elektromotorisch oder mechanisch aktivierbar sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Kolbenpumpe nach der Erfindung weist die Stelleinrichtung ein quer zur Kolbenhubrichtung bewegbar geführtes Verriegelungselement auf, das dazu aktivierbar ist, den jeweiligen Kolben in dessen äußerer Totpunktstellung zu beaufschlagen und an der Rückkehr von der äußeren Totpunktstellung in die innere Totpunktstellung zu hindern. Ein solches Verriegelungselement kann ein Verriegelungsstift sein, der je nach Ausgestaltung der Stelleinrichtung den Kolben reibschlüssig oder formschlüssig in der äußeren Totpunktstellung verriegelt. Dabei kann der Kolben Ausnehmungen am Umfang, z. B. eine Ringausnehmung aufweisen, in welche das entsprechend aktivierte Verriegelungselement einrücken kann, wenn der Kolben in seiner äußeren Totpunktstellung ist. Ein solches Verriegelungselement kann z. B. federnd zu der Verriegelungsstellung vorgespannt sein und durch einen Elektromagneten oder ein sonstiges steuerbares Kraftgerät in seiner Entriegelungsstellung gehalten werden, wenn die Pumpe im normalen Pumpbetrieb arbeiten soll. Aber auch die komplementäre Variante ist denkbar, dass das Verriegelungselement zur Entriegelungsstellung hin federnd vorgespannt ist und aktiv in die Verriegelungsstellung zu bewegen ist.
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Ein solches Verriegelungselement kann z. B. auch ein elektromagnetisch oder elektromotorisch hin- und herbewegter Stift oder dgl. sein.
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Als Verriegelungselement kann auch ein für alle Pumpkolben kombiniertes, z. B. ringförmiges Verriegelungselement vorgesehen sein, welches koaxial zu den Kolben am Gehäuse drehbar zwischen einer Verriegelungsstellung und einer Entriegelungsstellung für die Kolben gelagert ist.
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Vermittels Keilschubanordnungen zwischen dem Verriegelungselement und dem jeweiligen Kolben kann überdies erreicht werden, dass der Kolben bei der Verriegelung über seinen normalen äußeren Totpunkt hinaus von dem Kolbenantriebselement abgezogen wird, so dass der Kolben in seinem verriegelten Zustand überhaupt keine Berührung mit dem Kolbenantriebselement hat.
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Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist die Kolbenrückstelleinrichtung pneumatisch oder hydraulisch betreibbar durch Druckbeaufschlagung des jeweiligen Pumpkolbens mit einem Druckgas bzw. Hydraulikfluid im Zylinderraum, wobei die Stelleinrichtung dazu aktivierbar ist, diese Druckbeaufschlagung des jeweiligen Pumpkolbens im Zylinderraum zu unterdrücken oder stark zu vermindern. Auf diese Weise wird somit die Rückstellwirkung der Kolbenrückstelleinrichtung unterdrückt, so dass zwischen dem Kolbenantriebselement und den Kolben so gut wie keine, jedenfalls aber erheblich verminderte Anpresskraft herrscht. Dies reduziert Abnutzung und Verschleiß an den Kolben und an dem Kolbenantriebselement.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Stelleinrichtung wenigstens einen Elektromagneten aufweisen und damit elektromagnetisch betreibbar sein, um den jeweiligen Kolben an der Rückkehr von der äußeren Totpunktstellung in die innere Totpunktstellung zu hindern.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der Kolbenpumpe nach der Erfindung um eine Axialkolbenpumpe mit Taumelscheibenantrieb, bei der die Kolben parallel zueinander auf einer Ringlinie, insbesondere Kreislinie verteilt angeordnet sind, wobei das Kolbenantriebselement eine Taumelscheibe ist, gegen welche die Kolben mit einem axialen Ende berührend abgestützt sind. Vorzugsweise weist die Axialkolbenpumpe als Kolbenrückstelleinrichtung eine jeweilige Rückstellfeder pro Pumpkolben auf, die den jeweiligen Pumpkolben in Richtung zur inneren Totpunktstellung vorspannt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert.
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1a–1c zeigen in vereinfachten schematischen Detail-Ausschnittsdarstellungen einen Pumpkolben eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung in drei verschiedenen Stellungen sowie ein diesem Kolben zugeordnedetes Verriegelungselement der Stelleinrichtung in unterschiedlichen Zuständen.
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2a–2b zeigen einen Pumpkolben eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung in einer Detail-Ausschnittsdarstellung mit einem Klemmring als Klemmelement der Stelleinrichtung.
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3a zeigt eine Vorderansicht einer bekannten Axialkolbenpumpe mit Taumelscheibenantrieb.
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3b zeigt die Axialkolbenpumpe aus 3a in einer Schnittdarstellung mit dem in 3a durch A-B gekennzeichneten Schnittverlauf.
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Die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Axialkolbenpumpen der z. B. in den 3a und 3b gezeigten grundsätzlichen Bauart.
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Die Axialkolbenpumpe weist ein Pumpengehäuse 2 mit im Beispielsfall neun auf einer Kreislinie 4 äquidistant verteilten und mit ihren Achsen 6 parallel zueinander angeordneten Zylinderräumen 8 auf, in denen die Pumpenkolben 10 zwischen einer äußeren Totpunktstellung und einer inneren Totpunktstellung hin- und herbewegbar geführt sind.
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In jeder Zylinderkammer befindet sich eine den ihr zugeordneten Kolben 10 in Richtung zur inneren Totpunktstellung vorspannende Rückstellfeder 12. Diese Rückstellfedern 12 sind Elemente einer Kolbenrückstelleinrichtung.
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Bei den Kolben 10 handelt es sich im Beispielsfall um Hohlkolben, die auf einer Seite einen jeweiligen Füllraum 14 in dem betreffenden Zylinderraum 8 begrenzen. Die Zylinderräume 8 sind füllraumseitig über Druckventile 16 und Stichkanäle 18 mit dem Fluidauslass 20 verbunden. Während des Druckhubs eines Kolbens 10 wird sein Druckventil 16 entgegen seiner es zur Schließstellung hin vorspannenden Federkraft geöffnet, so dass von dem betreffenden Kolben 10 verdrängtes Fluid zum Fluidauslass 20 strömen kann.
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In jedem Kolben 10 ist ferner ein Saugventil 22 gelagert, welches während des Druckhubs des Kolbens 10 in Schließstellung ist und dabei das Ausströmen von Fluid aus dem Füllraum 14 heraus durch einen Ansaugkanal 24 hindurch verhindert. Jeder Kolben 10 hat einen solchen Ansaugkanal 24, der während eines jeweiligen Saughubes eines betreffenden Kolbens 10 bei dessen Übergang von der äußeren Totpunktstellung in die innere Totpunktstellung Fluid aus einer Zulaufkammer 26 in den Füllraum 14 strömen lässt, wobei das Saugventil 22 während eines solchen Saughubs in seiner Öffnungsstellung ist.
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Der Fluideinlass 28 befindet sich im Beispielsfall seitlich an dem Gehäuse 2 der Axialkolbenpumpe und führt direkt in die Zulaufkammer 26.
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Die Axialkolbenpumpe weist eine Antriebseinrichtung mit einer Antriebswelle 30 und einer davon rotierend angetriebenen Taumelscheibe 32 auf.
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Die Kolben 10 stützen sich mit ihren taumelscheibenseitigen, axialen Enden 34 berührend an der Taumelscheibe 32 ab. Die in der Zulaufkammer 26 untergebrachte Taumelscheibe 32 hat in an sich bekannter Weise eine solche Schrägstellung, dass sie bei ihrer Drehung jeden einzelnen Kolben 10 aus seiner inneren Totpunktstellung heraus in die äußere Totpunktstellung verdrängt und unter Wirkung der Rückstellfedern 12 wieder in die innere Totpunktstellung zurückkommen lässt. In der inneren Totpunktstellung ragt der Kolben 10 mit seinem taumelscheibenseitigen, axialen Ende 34 relativ weit in die Zulaufkammer 26 hinein. In der äußeren Totpunktstellung ist der Kolben 10 weitgehend in seinen Zylinderraum 8 zurückgeschoben, wie dies in 3b für den unteren Kolben 10 gezeigt ist. Bei Drehung der Taumelscheibe 32 werden die einzelnen Kolben 10 nacheinander mit Zeitversatz in die äußere Totpunktstellung gedrückt und wieder zurück in die innere Totpunktstellung zurückgestellt. Dabei fördern sie Hydraulikfluid von dem Fluideinlass 28 zu dem Fluidauslass 20, etwa um einen hydraulischen Zylinder zum Anheben einer Kippbrücke auf einem Kipperfahrzeug mit Hydraulikfluid unter Druck zu versorgen.
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Wie eingangs bereits erwähnt, werden solche Pumpen häufig vom motorseitigen Nebenabtrieb eines Kraftfahrzeugs im Dauerbetrieb über die Welle 30 angetrieben, und zwar auch im Leerlaufbetrieb der Pumpe, d. h. wenn Pumpbetrieb temporär nicht erforderlich ist. Da auch in einem solchen Leer-laufbetrieb die Kolben 10 mit ihren taumelscheibenseitigen Enden 34 von den Rückstellfedern 12 gegen die Taumelscheibe 32 gedrückt werden, kann es an den Berührungsstellen zu eigentlich unnötigem Verschleiß kommen. Die vorliegende Erfindung setzt daran an, diesen unnötigen Verschleiß zu unterbinden oder jedenfalls erheblich zu reduzieren.
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In den 1a–1c ist als erstes Ausführungsbeispiel eine Axialkolbenpumpe der in den 3a und 3b gezeigten grundsätzlichen Bauart mit einer durch Hinzufügung einer Stelleinrichtung zur Unterdrückung der Rückstellwirkung der Kolbenrückstelleinrichtung abgewandelten Art in einer stark vereinfachten schematischen Ausschnittsdarstellung gezeigt. Zur Kennzeichnung einander funktionsmäßig entsprechender Elemente in den Figuren sind die gleichen Bezugszeichen verwendet worden, so dass sich die folgende Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung auf Unterschiede gegenüber dem bereits unter Bezugnahme auf die 3a und 3b beschriebenen Beispiel aus dem Stand der Technik beschränken und sich im Übrigen auf dieses bekannte Beispiel beziehen kann.
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In den 1a–1c ist jeweils nur ein kleiner Ausschnitt der Axialkolbenpumpe mit Taumelscheibenantrieb gezeigt, nämlich ein Pumpkolben 10 in seinem Zylinderraum 8. Wie schon unter Bezugnahme auf die 3a und 3b beschrieben, stützt sich der Pumpkolben 10 in 1a mit seinem taumelscheibenseitigen, axialen Ende 34 unter der Vorspannkraft seiner Rückstellfeder 12 an der Taumelscheibe 32 ab. Als Element der Stelleinrichtung zur Unterdrückung der Rückstellwirkung der Kolbenrückstellfedern 12 ist in 1a ein Verriegelungsstift 40 erkennbar, der im Beispielsfall orthogonal zur Kolbenachse 6 zwischen einer Verriegelungsstellung (vgl. 1c) und einer Entriegelungsstellung (vgl. 1a) bewegbar in einer Gehäusebohrung 42 geführt ist. In der zurückgezogenen Entriegelungsstellung gemäß 1a des Verriegelungsstiftes 40 hat die Stelleinrichtung keinen Einfluss auf die Hubbewegungen des Kolbens 10. Der Verriegelungsstift 40 ist in 1a entgegen der Wirkung der ihn in Richtung zur Verriegelungsstellung vorspannenden Schraubenfeder 44 von einem Elektromagneten 46 in der Entriegelungsstellung gehalten. Der Verriegelungsstift 40 stellt somit einen Anker des Elektromagneten 46 dar.
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In 1b ist der Kolben 10 beim Druckhub in seiner äußeren Totpunktstellung angekommen und die Stelleinrichtung mit den Elementen 40, 44, 46 ist aktiviert worden, was im Beispielsfall bedeutet, dass der Elektromagnet 46 ausgeschaltet worden ist, so dass der Verriegelungsstift 40 nun unter der Wirkung seiner Feder 44 in Richtung zum Kolben 10 ausrücken kann. Eine (nicht gezeigte) Überwachungseinrichtung sorgt dafür, dass die Stelleinrichtung nur dann aktivierbar ist, wenn der Kolben 10 in die äußere Totpunktstellung einrückt.
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Der Kolben 10 hat eine Ringnut 48 an seinem Umfang, in welche der Verriegelungsstift 40 einrücken kann, wie dies in 1c gezeigt ist. In der Situation gemäß 1c ist der Kolben 10 in der gezeigten Position verriegelt, so dass die Rückstellfeder 12 keine Rückstellwirkung entfalten kann.
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Die Ringnut 48 hat wenigstens eine schräge Seitenfläche 50 an ihrer der Feder 12 näher liegenden Nutseite. Diese Schrägfläche 50 bildet gemeinsam mit dem abgerundeten oder schrägen vorderen Ende 52 des Verriegelungsstiftes 40 eine Art Keilschubgetriebe, welches die Wirkung hat, dass der Verriegelungsstift 40 beim Einrücken in die Ringnut 48 den Kolben 10 über die äußere Totpunktstellung gemäß 1b hinaus von der Taumelscheibe 32 entfernt, wie dies in 1c schematisch dargestellt ist. In diesem Zustand kann auch bei Dauerrotation der Taumelscheibe 32 kein Abrieb zwischen der Taumelscheibe 32 und dem Kolben 10 stattfinden.
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Soll der Kolben 10 aus seiner verriegelten Stellung gemäß 1c wieder freigegeben werden, so wird der Elektromagnet 48 auf ein entsprechendes Steuersignal hin wieder bestromt, woraufhin er den Verriegelungsstift 40 in die Entriegelungsstellung gemäß 1a zurückzieht.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 2a und 2b umfasst die Stelleinrichtung einen Klemmring 54, der den Kolben 10 an seinem Umfang umgibt und teilweise den Zylinderraum 8 begrenzt. Der Klemmring 54 ist mittels eines Kraftgerätes 56 so beaufschlagbar, dass er deformiert wird und dabei den Kolben 10 klemmend in dessen äußerer Totpunktstellung stoppt und festhält. In 2b ist diese Klemmstellung angedeutet.
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Das Kraftgerät 56 kann z. B. eine hydraulische Einrichtung sein, die den Klemmring 54 über Druckräume 58 hydraulisch beaufschlagt und dabei deformiert.
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Die Erfindung kann in zahlreichen weiteren Ausführungsformen realisiert werden, die darauf abzielen, die Rückstellwirkung der Kolbenrückstelleinrichtung bei einem in die äußere Totpunktstellung einrückenden Kolben wahlweise zu unterdrücken.
