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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieeinsparung bei hydraulisch betätigbaren Arbeitsgerätschaften, mit einer Versorgungseinheit, insbesondere in Form einer Hydraulikpumpe und mit einem Kolbenspeicher mit mindestens zwei längsbewegbaren Kolben, die über ein Kupplungsteil miteinander verbunden sind, das längs verfahrbar in zumindest einer Trennwand geführt ist, die das Kopplungsteil umgebende Zylinderringräume begrenzt, wobei ein an die vollflächige Kolbenseite eines Betätigerkolbens angrenzender Zylinderraum als Druckbetätigungsraum für die für einen Arbeitsvorgang erforderliche Druckversorgung mit der Arbeitsgerätschaft verbunden, ein anderer Zylinderraum über eine Drucksteuereinrichtung mit der Versorgungseinheit verbindbar ist und ein weiterer Zylinderraum einen Druckspeicherraum bildet.
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Derartige Energieeinspar- und -rückgewinnungsvorrichtungen sind durch
EP 0 897 480 B1 und
EP 1 254 319 B1 bekannt. Beim Betrieb derartiger Vorrichtungen entsteht bei Bewegungen der über das Kopplungsteil miteinander zwangsgekoppelten Kolben des Doppelkolbenspeichers in der einen Verfahrrichtung durch Volumenverkleinerung in einem Druckspeicherraum ein erhöhter Innendruck, der im Sinne des Entspannens abnimmt, sobald sich die Kolben in der anderen Verfahrrichtung mit einer Vergrößerung des Volumens des Druckspeicherraumes bewegen. Die im Druckspeicherraum eingeschlossene Fluidmenge bildet eine Art Kraftspeicher, vergleichbar einer mechanischen Feder, aus, und die durch die Verfahrbewegung in den Druckspeicherraum eingebrachte Bewegungsenergie der Arbeitsgerätschaft lässt sich wieder abrufen.
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Bei diesen bekannten Lösungen ist der Kolbenspeicher als zentraler Teil der Energieeinspar- und -rückgewinnungsvorrichtung permanent an die Arbeitsgerätschaft angeschlossen, so dass fortlaufend in Abhängigkeit von der Arbeitsbewegung der Arbeitsgerätschaft Energie in den Kolbenspeicher eingespeichert und von dort wieder abgerufen wird. Bei den Arbeitsgerätschaften kann es sich insbesondere um Arbeitsmaschinen, wie Bagger oder dergleichen, handeln, bei denen Ausleger zu heben und zu senken sind, gegebenenfalls können solche Vorrichtungen jedoch auch in anderen hydraulischen Anlagen benutzt werden, etwa in hydraulischen Bremsanlagen, in Fahrstühlen sowie bei Hydromotoren oder dergleichen.
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Mit besonderem Vorteil lassen sich derartige Vorrichtungen bei Arbeitsgerätschaften, wie Bagger oder dergleichen, als Lastkompensationssystem einsetzen, wobei einer mittleren Kolben- oder Auslegerstellung der hydraulisch betätigbaren Arbeitsgerätschaft ein entsprechender Innendruck im Druckspeicherraum zugeordnet ist, der sich, wenn der Ausleger unter Last anzuheben ist, unter nutzbarer Energieabgabe entspannt.
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Durch die
DE 601 18 987 T2 ist darüber hinaus ein hydraulisches Energiespeichersystem zur Verwendung in einem Fahrzeug bekannt, welches eine Pumpen-/Motoreinrichtung aufweist, die entweder im sogenannten Pumpmodus oder im Motormodus betreibbar ist. Bei dem bekannten System wird im üblichen Betrieb beim Bremsvorgang des Fahrzeuges die Pumpen-/Motoreinrichtung im Pumpmodus betrieben um Fluid von zwei parallel geschalteten Niederdruckspeichern zu einem Hochdruckspeicher zu pumpen. Bei einem Beschleunigungsvorgang des Fahrzeuges hingegen wird die Pumpen-/Motoreinrichtung dann im Motormodus betrieben und Fluid vom Hochdruckspeicher zu den Niederdruckspeichern zurückgebracht, wobei die zuvor beim Bremsvorgang im Hochdruckspeicher gespeicherte Energie den Beschleunigungsvorgang unterstützt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der betrachteten Art zur Verfügung zu stellen, die sich, insbesondere bei einem Einsatz für Lastkompensationssysteme, durch ein besonders günstiges Betriebsverhalten auszeichnet.
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Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gelöst, die die Merkmale des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
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Nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 besteht eine wesentliche Besonderheit gegenüber dem Stand der Technik darin, dass ein Zylinderringraum als Druckspeicherraum vorgesehen ist, d. h. ein Raum, in dem die wirksame Kolbenfläche um die Querschnittsfläche des Kopplungsteiles verringert ist. Durch die entsprechende Druckübersetzung gegenüber dem an die vollflächige Kolbenseite des Betätigerkolbens angrenzenden Druckbetätigungsraum herrscht daher im Druckspeicherraum das höhere Druckniveau, was nicht nur im Sinne der Energieeinsparung günstig ist, sondern wegen der kleineren Speichervolumina und geringerer Volumenänderungen des Speichers bei höherer Energiedichte einen entsprechend verringerten Bauraum benötigt. Gleichzeitig kann die Versorgungseinheit, vorzugsweise in Form einer Hydraulikpumpe gebildet, auf niedrigem Druckniveau arbeiten, da sie mit einem an eine vollflächige Kolbenseite angrenzenden Zylinderraum in Verbindung steht. Insbesondere bei Systemen zur Lastkompensation ist eine auf niedrigem Druckniveau arbeitende Hydraulikpumpe energetisch günstig.
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Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen ist der Druckspeicherraum an eine Druckversorgungseinrichtung anschließbar.
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Als Druckversorgungseinrichtung kann ein Druckspeicher vorgesehen sein, dessen Auslegung so gewählt sein kann, dass sich eine gewünschte Federkonstante für das System ergibt.
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Bei im Druckspeicherraum befindlicher Hydraulikflüssigkeit kann ein mit N2 vorgespannter Hydrospeicher als Druckversorgungseinrichtung vorgesehen sein. Alternativ könnte bei im Druckspeicherraum befindlichem, gasförmigem Druckfluid wie N2 als Druckversorgungseinrichtung ein Druckbehälter für N2 vorgesehen sein.
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Die Drucksteuereinrichtung kann in an sich bekannter Weise zumindest ein ansteuerbares Schaltventil aufweisen, mittels dessen die Versorgungseinheit mit dem zugeordneten Zylinderraum verbindbar ist.
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Mittels dieses Schaltventils kann der durch eine der jeweiligen Trennwände vom Druckspeicherraum getrennte Zylinderringraum mit Umgebungsluft oder mit einem Tankanschluss verbindbar sein, je nachdem, ob sich in diesem Zylinderringraum Hydrauliköl oder ein gasförmiges Medium befindet.
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Die Arbeitsgerätschaft kann zumindest einen hydraulisch betätigbaren Arbeitszylinder aufweisen, der, vorzugsweise mit seinem an die vollflächige Kolbenseite seines Arbeitskolbens angrenzenden Arbeitsraum, mit dem Druckbetätigungsraum des Kolbenspeichers verbindbar ist.
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Für eine passive Rückfahrbewegung des ausgefahrenen Arbeitskolbens kann das Eigengewicht einer Last oder eine anderweitige Gegenkraft der Arbeitsgerätschaft vorgesehen sein.
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Für eine aktive Rückfahrbewegung des Arbeitskolbens kann alternativ der durch die jeweilige Trennwand vom Druckspeicherraum getrennte Zylinderringraum über das Schaltventil mit der Versorgungseinheit verbindbar sein.
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Ebenso kann, bei einem auf der Stangenseite des Arbeitskolbens geschlossenen Arbeitszylinder der Arbeitsgerätschaft, für die aktive Rückfahrbewegung des Arbeitskolbens der stangenseitige Raum des Arbeitszylinders über das Schaltventil mit der Versorgungseinheit verbindbar sein.
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Für eine Einsparung an Speichervolumen kann die Anordnung mit Vorteil so getroffen sein, dass das Kopplungsteil der Kolben des Kolbenspeichers als hohle Kolbenstange in Form eines Rohres ausgebildet ist, das bis auf einen Durchlass geschlossen ist, der sich an dem dem Betätigerkolben benachbarten Rohrende befindet. Dadurch ist bei allen Kolbenstellungen der Druckspeicherraum mit der Innenseite des Rohres in Verbindung, das als zusätzliches Speichervolumen zur Verfügung steht.
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Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen kann ein zweites und ein drittes Schaltventil vorgesehen sein, mittels deren eines die Verbindung zwischen Druckbetätigungsraum und Arbeitszylinder freigebbar und sperrbar ist und mittels deren ein anderes eine Verbindung zwischen Arbeitszylinder und demjenigen Zylinderraum sperrbar oder freigebbar ist, der durch die Trennwand vom Druckspeicherraum getrennt ist. Dadurch können nach Bedarf Kammern des Doppelkolbenspeichers hinzu- oder weggeschaltet werden, so dass bei unterschiedlichen Kolbenflächen unterschiedliche Kräfte zur Verfügung stehen. Bei Lastkompensationssystemen ist dadurch auch eine Anpassung an unterschiedliche Grundlasten (z. B. bei Werkzeugwechsel) möglich.
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Mittels weiterer Ventileinrichtungen können auch mehrere die Druckversorgungseinrichtung bildende Druckspeicher wahlweise einzeln oder gemeinsam mit dem Druckspeicherraum verbindbar sein, wodurch unterschiedliche Kennlinien verfügbar sind. Auch wird dadurch eine sequentielle Betriebsweise möglich, bei der Füllen und Entleeren von Speichern nacheinander stattfinden kann. Für die einzelnen Speicher können verschiedene Kenngrößen vorgesehen sein.
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Hinsichtlich der Gestaltung des Gehäuses des Doppelkolbenspeichers kann die Anordnung so getroffen sein, dass für die Trennung der Zylinderringräume zwei in einem Abstand voneinander angeordnete Trennwände als Bestandteile zweier voneinander getrennter Teilzylinder des Doppelkolbenspeichers vorgesehen sind. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit einer kostengünstigen Bauweise durch den Einsatz von Standard-Hydraulikzylindern.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im Einzelnen erläutert. Es zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung:
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1 eine Schaltplandarstellung eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
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2 bis 8 der 1 ähnliche Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Das in 1 in Form einer schematisch vereinfachten Schaltplandarstellung gezeigte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient der Energieeinsparung sowie -rückgewinnung bei hydraulisch betätigbaren Arbeitsgerätschaften, von denen in 1 lediglich ein Arbeitszylinder dargestellt und mit 1 bezeichnet ist. Der Arbeitszylinder 1 ist hydraulisch betätigbar, um eine Arbeits- oder Ausfahrbewegung seines Arbeitskolbens 3 zu erzeugen, die gegen eine Lastkraft oder Gegenkraft erfolgt, die in 1 mit einem Pfeil F bezeichnet ist. Dabei kann es sich um die Lastkraft eines Kranauslegers oder dergleichen handeln. Die Vorrichtung weist des Weiteren einen Kolbenspeicher in Form eines Doppelkolbenspeichers 5 auf, in dessen Gehäuse 7 mindestens zwei längsverfahrbare Kolben 9 und 11 angeordnet sind. Diese sind mit dem jeweils benachbart gegenüberliegenden Kolben 9 bzw. 11 über ein stangenartiges Kopplungsteil 13 fest verbunden. Das Kopplungsteil 13 selbst ist längsverfahrbar in etwa mittig in einer Trennwand 15 des Gehäuses 7 geführt. Die Trennwand 15 begrenzt mit den beiden benachbart gegenüberliegenden Kolben 9, 11 zwei das Kopplungsteil 13 umgebende Zylinderringräume, von denen der eine Zylinderringraum einen Druckspeicherraum 17 und der andere Zylinderringraum einen Umgebungsraum 19 bildet. Letzterer ist mit der Außenluft oder eifern Tankanschluss 21 in Verbindung.
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Der Kolben 11, der mit seiner dem Kopplungsteil 13 zugewandten Kolbenseite den Druckspeicherraum 17 begrenzt, dient als Betätigerkolben, der mit seiner vollflächigen Kolbenseite einen Druckbetätigungsraum 23 im Gehäuse 7 begrenzt. Für die für einen Arbeitsvorgang erforderliche Druckversorgung ist der Arbeitszylinder 1 über eine Druckleitung 25 mit dem Druckbetätigungsraum 23 verbunden. Der im Gehäuse 7 zum Druckbetätigungsraum 23 entgegengesetzt gelegene Zylinderraum 27, der an die vollflächige Kolbenseite des Kolbens 9 angrenzt, der dem Betätigerkolben 11 entgegengesetzt ist, ist über eine Leitung 29 mit einer Drucksteuereinrichtung 31 verbunden. Diese weist ein Schaltventil 33 auf, das beim Ausführungsbeispiel von 1 als 2/2-Wegeventil ausgebildet ist. Über das Schaltventil 33 ist die Druckseite einer als Versorgungseinheit dienenden Hydraulikpumpe 35 mit dem Zylinderraum 27 verbindbar, welcher bei der anderen Schaltstellung des Schaltventils 33 zum Tank 37 hin drucklos gemacht werden kann.
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Der Druckspeicherraum 17 ist mit einer Druckversorgungseinrichtung 38 verbunden. Wenn sich beim Betrieb der Vorrichtung im Druckspeicherraum 17 als Druckmedium eine Flüssigkeit wie Hydrauliköl befindet, weist die Druckversorgungseinrichtung 38, wie bei dem Beispiel von 1, einen Hydrospeicher 39 auf, der mit seiner Fluidseite 41 mit dem Druckspeicherraum 17 in Verbindung ist. Bei einem im Druckspeicherraum 17 befindlichen gasförmigen Medium kann anstelle des Hydrospeichers 39 ein Druckbehälter, etwa in Form einer N2-Flasche vorgesehen sein.
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Die 1 zeigt die Vorrichtung in einem Betriebszustand, der der Mittellage des Arbeitskolbens 3 und der Kolben 9 und 11 des Doppelkolbenspeichers 5 entspricht. In diesem Fall gleicht der Vorspanndruck, der im Druckspeicherraum 17 herrscht, den durch die Gegenkraft F im Arbeitszylinder 1 erzeugten, über die Leitung 25 im Druckbetätigungsraum 33 herrschenden Innendruck aus. Bei einem Absenken, d. h. einer Rückfahrbewegung des Arbeitskolbens 3, führt die Verschiebebewegung der Kolben 9 und 11 zu einem Druckanstieg im Druckspeicherraum 17, d. h. zum Aufbau eines verstärkten Druckpolsters, das für einen anschließenden Arbeitsvorgang, wenn der Zylinderraum 27 über das Schaltventil 33 mit der Hydropumpe 35 verbunden ist, im Sinne der Energierückgewinnung nutzbar ist. Für einen Einsatz zur Lastkompensation ist der Druck des die Kompensationskraft erzeugenden Gaspolsters im Druckspeicherraum 17 vorzugsweise geringer als der durch die als Lastkraft wirkende Gegenkraft F im Druckbetätigungsraum 33 erzeugte Druck.
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Das Ausführungsbeispiel von 2 entspricht dem Beispiel von 1, abgesehen davon, dass der in 1 als Umgebungsraum 19 bezeichnete Zylinderraum des Doppelkolbenspeichers 5 nicht unmittelbar mit dem Tankanschluss 21 verbunden ist, sondern über eine Leitung 45 mit dem Schaltventil 33 verbunden ist, das auch bei diesem Ausführungsbeispiel als Wegeventil ausgebildet ist über das die Leitung 45 wahlweise mit der Hydropumpe 35 verbindbar ist, während der Zylinderraum 27 gleichzeitig über das Schaltventil 33 zum Tank 37 geschaltet, also drucklos ist. Dieser Betriebszustand ermöglicht eine aktive Rückfahrbewegung des Arbeitskolbens 3 des Arbeitszylinders 1 durch Druckversorgung des Raumes 19, wodurch sich die Kolben 9, 11 in 2 nach links bewegen und das Volumen des Druckbetätigungsraumes 23 vergrößert wird.
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Das Ausführungsbeispiel von 3 entspricht dem Beispiel von 2, abgesehen davon, dass die aktive Rückfahrbewegung des Arbeitskolbens 3 nicht durch eine Druckbeaufschlagung eines Zylinderraumes des Kolbenspeichers 5 erfolgt, sondern in der Weise, dass eine Rückfahrbewegung des Arbeitskolbens 3 dadurch bewirkt wird, dass das Schaltventil 33 über eine Rückfahrleitung 47 einen stangenseitigen Zylinderraum 49 des Arbeitszylinders 1 mit der Hydropumpe 35 verbindet, während die Räume 19 und 27 des Doppelkolbenspeichers 5 gleichzeitig drucklos sind.
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Das Ausführungsbeispiel von 4 entspricht dem Beispiel von 1, abgesehen davon, dass das Kopplungsteil, das die Kolben 9 und 11 verbindet, nicht kolbenstangenartig, sondern als Verbindungsrohr 51 gebildet ist, das an beiden Enden bis auf Durchlässe 53 geschlossen ist. Diese befinden sich an dem an den Betätigerkolben 11 angrenzenden Ende des Rohres 51. Dadurch steht der Innenraum des Rohres 51 bei sämtlichen Kolbenstellungen mit dem Druckspeicherraum 17 in Verbindung. Bei einem Betrieb mit Stickstoffgas im Druckspeicherraum 17 und einer als Gasversorgungseinrichtung angeschlossenen N2-Flasche 55 steht somit ein durch den Innenraum des Rohres 51 vergrößertes Gasvolumen zur Verfügung. Wie bei den zuvor beschriebenen Beispielen von 2 und 3 kann eine aktive Rückfahrbewegung des Arbeitskolbens 3 durch Druckbeaufschlagung des freien Zylinderraumes 19 des Doppelkolbenspeichers 5 oder durch Druckbeaufschlagung eines stangenseitigen Zylinderraumes des Arbeitszylinders 1 erfolgen.
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Das Ausführungsbeispiel von 5 unterscheidet sich vom Beispiel von 1 insofern, als weitere Schaltventile 57 und 59 vorgesehen sind, wobei mittels des einen Schaltventiles 59 die Verbindung zwischen Druckbetätigungsraum 23 und Arbeitszylinder 1 freigebbar und sperrbar ist und mittels des anderen Schaltventiles 57 eine Verbindung zwischen Arbeitszylinder 1 und dem Zylinderringraum 19 sperrbar und freigebbar ist. Durch das somit ermöglichte Hinzu- oder Wegschalten von Zylinderräumen stehen im Doppelkolbenspeicher 5 drei verschiedene wirksame Kolbenflächen und damit Kräfte zur Verfügung. Somit sind nach Wunsch unterschiedliche Druckniveaus am Arbeitszylinder 1 verfügbar. Wiederum ist eine Anpassung an Grundlasten, beispielsweise bei einem Werkzeugwechsel, möglich.
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Das Ausführungsbeispiel von 6 unterscheidet sich vom Beispiel von 1 dadurch, dass die Druckversorgungseinrichtung 38 zwei Hydrospeicher 61 und 63 aufweist, die wahlweise mittels Schaltventilen 65 und 67 einzeln oder gemeinsam mit dem Druckspeicherraum 17 verbindbar sind. Wiederum sind hierdurch unterschiedliche Druckniveaus und Kennlinien am Arbeitszylinder 1 verfügbar.
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Bei einem derartigen in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel können die Hydrospeicher in Form von Kolbenspeichern 69 und 71 vorgesehen sein. Die Speicherauslegung kann hierbei so getroffen sein, dass Speicherkolben auf der Ölseite aufsetzen können, wobei die Vorspannungen so gewählt sind, dass bei einem Senken der Last zunächst ein Speicher 69, 71 und sodann der andere Speicher 69, 71 gefüllt wird. Dadurch können den Kolbenspeichern 69, 71 zugeordnete Schaltventile 73 und 75 gegebenenfalls entfallen. Durch wahlweises Zuschalten der Speicher 69, 71 mittels der Schaltventile 73 bzw. 75 lassen sich jedoch auch wiederum unterschiedliche Druckniveaus und Kennlinien am Arbeitszylinder 1 realisieren.
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Die 8 zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Zylinderringräume, d. h. der Druckspeicherraum 17 und der Zylinderraum 19, nicht durch eine einheitliche Trennwand 15 voneinander getrennt sind, sondern durch in einem Abstand voneinander befindliche Trennwände 79 und 81, wobei das Kopplungsteil der Kolben 9 und 11 durch eine geteilte, eine Gelenkstelle 83 aufweisende Kolbenstange 85 gebildet ist. Durch die voneinander gesonderten Trennwände 79, 81 ist das Gehäuse des Doppelkolbenspeichers 5 durch zwei voneinander getrennte Teilzylinder 87 und 89 gebildet, bei denen es sich zwecks Kostenersparnis um Standard-Hydraulikzylinder handeln kann.
