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Die Erfindung betrifft ein Schraubsystem zur, insbesondere automatischen, Durchführung von Schraubvorgängen mit einem Schraubwerkzeug und einer Vorschubeinrichtung mit einem pneumatischen Vorschubzylinder, mittels welchem das Schraubwerkzeug in einer Vorschubrichtung bewegbar ist, um mit einer Schraube in Eingriff gebracht zu werden und diese während eines Schraubvorgangs mit einer ersten Vorschubkraft in zu verschraubende Bauteile zu treiben.
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Bei einem bekannten Schraubsystem dieser Art dient der pneumatische Vorschubzylinder sowohl für die Zustellung des Schraubwerkzeugs zu der Schraube und dem Schraubort, als auch zum Vorantreiben der Schraube während des Schraubvorgangs. Als problematisch erweist sich ein solches Schraubsystem bei der Durchführung von fließlochformenden Schraubvorgängen, da die Schraube zur Erwärmung der Einschraubstelle der miteinander zu verbindenden Bauteile mit einer hohen Kraft auf die Bauteile gedrückt werden muss, welche von dem pneumatischen Vorschubzylinder allein nicht bereitgestellt werden kann. Ein ausreichend hoher Druck ließe sich bei dem bekannten Schraubsystem nur durch einen größeren pneumatischen Vorschubzylinder bereitstellen, der aufgrund seiner größeren Bauform, der damit verbundenen Luftvolumina und der damit einhergehenden größeren Systemträgheit jedoch unerwünscht wäre.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schraubsystem der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass es sich unter Beibehaltung einer möglichst kompakten Baugröße auch für die Durchführung von fließlochformenden Schraubvorgängen eignet.
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Die Aufgabe wird durch ein Schraubsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch gelöst, dass die Vorschubeinrichtung einen Druckübersetzer umfasst, durch welchen während des Schraubvorgangs eine zweite Vorschubkraft auf das Schraubwerkzeug ausübbar ist, die größer ist als die erste Vorschubkraft.
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Erfindungsgemäß erfolgt also eine Aufteilung der Vorschubbewegung des Schraubwerkzeugs in einen Zustellhub mit geringerer Kraft (erste Vorschubkraft) und einen Krafthub mit höherer Kraft (zweite Vorschubkraft), wobei der Zustellhub ausschließlich durch den pneumatischen Vorschubzylinder bewerkstelligt wird und während des Krafthubs eine Kraftunterstützung durch den Druckübersetzer erfolgt. Durch diese Aufteilung der Vorschubbewegung braucht der pneumatische Vorschubzylinder auch für fließlochformende Anwendungen nicht größer dimensioniert zu werden, da die für die Erwärmung der Bauteile beim fließlochformenden Schrauben erforderliche Andrückkraft der Schraube durch den Druckübersetzer bewirkt wird. Für die Betätigung des pneumatischen Vorschubzylinders kann also auch beim fließlochformenden Schrauben ein vergleichsweise geringes Luftvolumen beibehalten werden, was sich positiv auf die Wirtschaftlichkeit des Schraubsystems auswirkt. Durch das schnelle Ansprechverhalten des Druckübersetzers wird gleichzeitig eine bessere Dynamik des Schraubsystems erreicht.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Druckübersetzer zu einem beliebigen Zeitpunkt der Vorschubbewegung des Schraubwerkzeugs zu- und abschaltbar. Bevorzugt ist der Druckübersetzer außerdem dosierbar, insbesondere durch einen Ansteuerdruck, welcher z.B. mittels eines Proportionalventils steuerbar ist. Der Krafthub kann folglich so dosiert werden, wie es für einen gewünschten Prozessablauf erforderlich ist. Hierdurch lässt sich das Schraubsystem besonders flexibel an unterschiedliche Anwendungen anpassen, insbesondere an unterschiedliche Schrauben und zu verschraubende Bauteile. Beispielsweise braucht der Druckübersetzer nicht während des gesamten Schraubvorgangs aktiv zu sein. So ist es für viele fließlochformende Schraubanwendungen ausreichend, eine erhöhte Vorschubkraft auf die Schraube nur so lange auszuüben, bis sich die zu verschraubenden Bauteile so weit erwärmt haben, dass die Schraube fließlochformend in diese eindringen kann. Der Druckübersetzer braucht in so einem Fall also lediglich während einer Anfangsphase des Schraubvorgangs zugeschaltet zu werden, während für den Antrieb der Schraube während der restlichen Phase des Schraubvorgangs die durch den Vorschubzylinder ausgeübte Vorschubkraft ausreichend sein kann. Grundsätzlich kann der Druckübersetzer aber auch während anderer Phasen des Schraubvorgangs, gegebenenfalls mit unterschiedlichen Kräften, oder während des gesamten Schraubvorgangs mit gegebenenfalls variierender Kraft aktiviert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Vorschubzylinder einen pneumatisch betätigbaren Arbeitskolben auf, der einen maximalen Arbeitshub ausführen kann. Der maximale Arbeitshub ist durch die Länge des Vorschubzylinders begrenzt und idealerweise so gewählt, dass er selbst bei einer Verschraubung längerer Schrauben nicht vollständig ausgefahren wird.
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Da der Druckübersetzer zu einem beliebigen Zeitpunkt der Vorschubbewegung des Schraubwerkzeugs zuschaltbar ist, d.h. an jeder beliebigen Hubstellung des Arbeitskolbens zugeschaltet werden kann, ist es für die zuverlässige Durchführung eines Schraubvorgangs ausreichend und für die Baugröße des Schraubsystems vorteilhaft, wenn der Druckübersetzer einen Krafthub des Arbeitskolbens bewirkt, welcher kleiner ist als der maximale Arbeitshub.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Druckübersetzer einen Betätigungskolben. Der Betätigungskolben kann mit dem Arbeitskolben des Vorschubzylinders koaxial ausgerichtet sein. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn der Betätigungskolben zu dem Arbeitskolben versetzt angeordnet ist, da dies eine kompaktere Baugröße des Schraubsystems ermöglicht. Beispielsweise kann der Betätigungskolben zu dem Arbeitskolben parallelversetzt angeordnet sein und/oder in eine andere Richtung, z.B. eine entgegengesetzte Richtung oder eine nicht parallele Richtung, wirken.
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Grundsätzlich ist es vorstellbar, eine Kraftübertragung von dem Betätigungskolben auf den Arbeitskolben mittels eines gasförmigen Fluids zu bewerkstelligen. Bevorzugt erfolgt die Kraftübertragung von dem Betätigungskolben auf den Arbeitskolben jedoch mittels eines Hydraulikfluids, da dieses ein schnelleres Ansprechverhalten beim Zu- und Abschalten des Druckübersetzers zeigt und außerdem die Übertragung höherer Kräfte ermöglicht. Vorteilhafterweise befindet sich das Hydraulikfluid in einem in sich geschlossenen bzw. gekapselten Hydrauliksystem, was zu einer erhöhten Wirtschaftlichkeit des Schraubsystems beiträgt und den Einsatz in einer trockenen Umgebung vereinfacht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Betätigungskolben pneumatisch betätigbar, was insofern vorteilhaft ist, als Druckluft ohnehin für die Betätigung des Vorschubzylinders zur Verfügung steht.
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Erfolgt die Betätigung des Betätigungskolbens pneumatisch und die Kraftübertragung von dem Betätigungskolben auf den Arbeitskolben hydraulisch, so handelt es sich bei dem Druckübersetzer um einen pneumohydraulischen Druckübersetzer. Wie bereits erwähnt, ist es aber auch vorstellbar, den Betätigungskolben pneumatisch zu betätigen und auch die Kraft von dem Betätigungskolben auf den Arbeitskolben pneumatisch zu übertragen, in welchem Fall der Druckübersetzer ein pneumatischer Druckübersetzer wäre. Umgekehrt ist es möglich, sowohl die Betätigung des Betätigungskolbens als auch die Kraftübertragung von Betätigungskolben auf Arbeitskolben hydraulisch zu realisieren, in welchem Fall es sich um einen hydraulischen Druckübersetzer handeln würde.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform bewegt die Vorschubeinrichtung das Schraubwerkzeug mitsamt einer Drehmomentmesseinrichtung. Alternativ könnte die Vorschubeinrichtung das Schraubwerkzeug aber auch mitsamt einer Antriebseinheit für das Schraubwerkzeug und gegebenenfalls einer Drehmomentmesseinrichtung bewegen oder sogar nur das Schraubwerkzeug, d.h. ohne die Drehmomentmesseinrichtung und die Antriebseinheit.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform umfasst das Schraubsystem einen Zuführkopf zum Halten der Schraube in einer für den Eingriff des Schraubwerkzeugs ausgerichteten Lage. Der Zuführkopf trägt dazu bei, dass das zugestellte Schraubwerkzeug korrekt an die Schraube angreifen kann und dass die Schraube insbesondere während einer Anfangsphase des Schraubvorgangs nicht verkippen kann.
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Um eine automatische Durchführung von Schraubvorgängen zu ermöglichen, umfasst das Schraubsystem bevorzugt ferner eine Zuführeinrichtung zum automatischen Zuführen von Schrauben in den Zuführkopf.
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Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand einer möglichen Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
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1 eine schematische, teilweise aufgeschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Schraubsystems.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Schraubsystem schematisch dargestellt, welches beispielsweise an einem Roboterarm oder statisch an einem Gestell montiert sein kann, um fließlochformende Schraubvorgänge automatisch durchzuführen.
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Das Schraubsystem umfasst ein Schraubwerkzeug 10, welches eine Längsmittelachse 11 definiert und mittels eines Drehantriebs 12 um die Längsmittelachse 11 rotativ antreibbar ist. Zwischen das Schraubwerkzeug 10 und den Drehantrieb 12 ist eine Drehmomentmesseinrichtung 14 geschaltet.
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Das Schraubsystem umfasst ferner eine sich parallel zu der Längsmittelachse 11 des Schraubwerkzeugs 10 erstreckende Führung 16, auf welcher ein Zuführkopf 18 verschiebbar gelagert ist, der mittels eines Zustellzylinders 20 entlang der Führung 16 verfahren werden kann, um mit einem zu verschraubenden Bauteil in Kontakt gebracht zu werden. Der Zuführkopf 18 dient zum Ausrichten und Halten einer für den Schraubvorgang vorgesehenen, in der Figur nicht dargestellten Schraube. Zum Zuführen der Schraube in den Zuführkopf 18 ist dieser mit einer ebenfalls nicht dargestellten automatischen Zuführeinrichtung gekoppelt, welche die Schraube beispielsweise mittels Druckluft in den Zuführkopf 18 einschießt.
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Um das Schraubwerkzeug 10 mit der in dem Zuführkopf 18 gehaltenen Schraube in Eingriff zu bringen, wird das Schraubwerkzeug 10 mitsamt der Drehmomentmesseinrichtung 14 aus der in 1 gezeigten hinteren Endlage, die auch als Ruhelage bezeichnet werden kann, nach vorne, in 1 also nach links, vorgeschoben. Hierzu dient eine Vorschubeinrichtung 22, die auf die Drehmomentmesseinrichtung 14 wirkt, welche ihrerseits verschiebbar auf der Führung 16 gelagert ist.
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Die Vorschubeinrichtung 22 umfasst einen pneumatischen Vorschubzylinder 24 mit einem parallel zu dem Schraubwerkzeug 10 und zu der Führung 16 orientierten und mittels Druckluft 26 betätigbaren Arbeitskolben 28, der einen durch die Länge des Vorschubzylinders 24 vorgegebenen maximalen Arbeitshub ausführen kann. Der Arbeitskolben 28 ist mit der Drehmomentmesseinrichtung 14 gekoppelt und kann z.B. an ein Gehäuse der Drehmomentmesseinrichtung 14 angeformt sein.
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Des Weiteren ist der Arbeitskolben 28 hohlzylindrisch ausgebildet und auf einem Rohrstück 30 verschiebbar gelagert, welches sich von hinten, in 1 also von rechts, in den Arbeitskolben 28 hinein erstreckt. Der durch das Rohrstück 30 und den Arbeitskolben 28 begrenzte Innenraum 32 ist mit einem Hydraulikfluid gefüllt und mittels Dichtungen 34 gegenüber einem Luftraum 36 des Vorschubzylinders 24 abgedichtet.
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Der Innenraum 32 weist eine erste Querschnittsfläche auf und mündet an seinem hinteren Ende in einen ebenfalls mit Hydraulikfluid gefüllten Fluidspeicherraum 38 mit einer zweiten Querschnittsfläche, die um ein Mehrfaches größer ist als die Querschnittsfläche des Innenraums 32. Der Fluidspeicherraum 38 ist rückseitig durch einen verschiebbar gelagerten Ringkolben 40 begrenzt, welcher durch eine Ausgleichsfeder 42 nach vorne, d.h. in Richtung Vorschubzylinder 24, gedrängt wird. Der Innenraum 32 und der Fluidspeicherraum 38 bilden zusammen ein in sich geschlossenes Hydrauliksystem.
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Durch den Ringkolben 40 erstreckt sich ein koaxial mit dem Rohrstück 30 ausgerichteter Plunger 44, dessen Profil dem Profil des Rohrstücks 30 derart angepasst ist, dass er abdichtend in das Rohrstück 30 eintauchen kann, wobei die Dichtwirkung durch eine im Endbereich des Rohrstücks 30 angeordnete Dichtung 46 zusätzlich verbessert wird.
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Der Plunger 44 ist Teil eines Betätigungskolbens 48, welcher in einem Kraftzylinder 50 verschiebbar gelagert ist und mittels Druckluft 52 betätigbar ist. Die Abdichtung eines Luftraums 54 des Kraftzylinders 50 gegenüber dem Fluidspeicherraum 38 erfolgt mittels Dichtungen 56, die in den Ringkolben 40 eingelassen sind.
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Der Plunger 44 ist von einer Rückstellfeder 58 umgeben, hier in Form einer Schraubendruckfeder, die sich einerseits an einer Rückseite des Ringkolbens 40 und andererseits an einer Vorderseite des Betätigungskolbens 48 abstützt und den Ringkolben 40 und den Betätigungskolben 48 auseinanderdrängt. Alternativ kann die Rückstellfeder 58 Form einer pneumatischen Feder ausgebildet sein.
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Die Komponenten 30 bis 58 bilden zusammen einen pneumohydraulischen Druckübersetzer 60 der Vorschubeinrichtung 22, dessen Funktion nachfolgend erläutert wird.
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Um das Schraubwerkzeug 10 aus seiner in 1 gezeigten Ruhelage mit einer in dem Zuführkopf 18 gehaltenen Schraube in Eingriff zu bringen, wird der Vorschubzylinder 24 derart mit Druckluft 26 beaufschlagt, dass sich der Arbeitskolben 28 in 1 nach links bewegt und dabei die Drehmomentmesseinrichtung 14 und das Schraubwerkzeug 10 nach vorne schiebt. Wenn das Schraubwerkzeug 10 mit der Schraube in Eingriff steht, wird das Schraubwerkzeug 10 durch den mit Druckluft betätigten Vorschubzylinder 24 weiter vorgeschoben, bis die Schraube an dem zu verschraubenden Bauteil ansteht.
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Durch die Bewegung des Arbeitskolbens 28 nach vorne vergrößert sich der Innenraum 32, wobei Hydraulikfluid durch den durch die Ausgleichsfeder 42 beaufschlagten Ringkolben 40 aus dem Fluidspeicherraum 38 in den Innenraum 32 nachgedrückt wird.
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Da die durch die Druckluft 26 auf den Vorschubzylinder 24 aufbringbare Kraft nicht ausreicht, um innerhalb einer für einen wirtschaftlichen Schraubvorgang akzeptablen Zeit eine für den fließlochformenden Schraubvorgang ausreichende Wärme in das zu verschraubende Bauteil einzubringen, wird der Druckübersetzer 60 aktiviert, sobald die Schraube an dem zu verschraubenden Bauteil ansteht.
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Dies geschieht, indem der Betätigungskolben 48 mit Druckluft 52 beaufschlagt und dadurch der Plunger 44 nach vorne geschoben wird. Sobald der Plunger 44 in das Rohrstück 30 eintaucht, wird der Innenraum 32 gegenüber dem Fluidspeicherraum 38 abgedichtet und es kann kein Hydraulikfluid mehr aus dem Innenraum 32 entweichen oder in diesen nachströmen. Eine weitergehende Beaufschlagung des Betätigungskolbens 48 mit Druckluft 52 bewirkt nun, dass eine zweite Vorschubkraft über den Arbeitskolben 28 auf das Schraubwerkzeug 10 ausgeübt wird, die wesentlich größer ist als die erste Vorschubkraft, die durch die Druckluft 26 auf den Arbeitskolben 28 ausgeübt werden kann. Unter der Annahme, dass die den Betätigungskolben 48 beaufschlagende Druckluft 52 unter dem gleichen Druck steht wie die den Arbeitskolben 28 betätigende Druckluft 26, entspricht das Verhältnis von zweiter Vorschubkraft zu erster Vorschubkraft in etwa dem Verhältnis der Querschnittsfläche des Betätigungskolbens 48 zu der Querschnittsfläche des Plungers 44.
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Zur Dosierung der zweiten Vorschubkraft lässt sich der Druck der Druckluft 52 steuern, z.B. durch ein nicht dargestelltes, durch eine Steuerung gesteuertes pneumatisches Proportionalventil.
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Es versteht sich, dass der Druckübersetzer 60 so dimensioniert ist, dass die zweite Vorschubkraft ausreichend groß ist, um das zu verschraubende Bauteil innerhalb einer für den Prozessablauf akzeptablen Zeit auf eine für das fließlochformende Schrauben ausreichend hohe Temperatur zu erwärmen.
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Sobald das Bauteil eine ausreichende Fließfähigkeit erreicht hat, wird die Schraube unter weiterem Vorschub des Schraubwerkzeugs 10 in das Bauteil hineingetrieben. Nach Erreichen einer ausreichenden Fließfähigkeit des Bauteils ist es grundsätzlich möglich, den Druckübersetzer 60 wieder zu deaktivieren, indem die Zufuhr der Druckluft 52 gestoppt wird und der Plunger 44 durch die Rückstellfeder 58 wieder aus dem Rohrstück 30 herausgezogen wird, so dass das Hydraulikfluid wieder aus dem Fluidspeicherraum 38 in den Innenraum 32 nachströmen kann, während der Vorschub des Schraubwerkzeugs 10 während der verbleibenden Phase des Schraubvorgangs durch Beaufschlagung des Arbeitskolbens 28 mit Druckluft 26 realisiert wird. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, den vollständigen Schraubvorgang unter Zuschaltung des Druckübersetzers durchzuführen, sofern dieser einen ausreichend hohen Hub ausführen kann, wobei die zweite Vorschubkraft auch hier durch die Verwendung eines druckgeregelten Ansteuerdrucks des Druckübersetzers 60 dosiert werden kann.
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Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die in 1 gezeigte Anordnung des Druckübersetzers 60 relativ zu dem Vorschubzylinder 24 lediglich schematischer Natur ist. So muss der Druckübersetzer 60 nicht notwendigerweise koaxial mit dem Vorschubzylinder 24 ausgerichtet sein. Für eine kompaktere Baugröße des Schraubsystems kann der Druckübersetzer 60 beispielsweise auch parallel versetzt zu dem Vorschubzylinder 24 angeordnet sein und sogar in die entgegengesetzte Richtung wirken. Im letzteren Fall könnte das Rohrstück 30 den einen Schenkel eines U-förmigen Hydraulikkanals bilden, während der Plunger 44 bei Aktivierung des Druckübersetzers 60 den anderen Schenkel des U-förmigen Hydraulikkanals eintaucht.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schraubwerkzeug
- 11
- Längsmittelachse
- 12
- Drehantrieb
- 14
- Drehmomentmesseinrichtung
- 16
- Führung
- 18
- Zuführkopf
- 20
- Zustellzylinder
- 22
- Vorschubeinrichtung
- 24
- Vorschubzylinder
- 26
- Druckluft
- 28
- Arbeitskolben
- 30
- Rohrstück
- 32
- Innenraum
- 34
- Dichtung
- 36
- Luftraum
- 38
- Fluidspeicherraum
- 40
- Ringkolben
- 42
- Ausgleichsfeder
- 44
- Plunger
- 46
- Dichtung
- 48
- Betätigungskolben
- 50
- Kraftzylinder
- 52
- Druckluft
- 54
- Luftraum
- 56
- Dichtung
- 58
- Rückstellfeder
- 60
- Druckübersetzer
