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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Pneumatikzylinder und ein Verfahren zum Betreiben eines Pneumatikzylinders.
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Bei einem Fehler in einem Gewichtsausgleichszylinder kann der Kolben ungebremst in die Endlage fahren, so dass die Kolbenstange beim Auftreffen des Kolbens in der Endlage abreißt. Bekannte Technologien wie Elastomerpuffer, Pufferhülsen, Federn oder Öldruckstoßdampfer sind nicht in der Lage in kleinem Bauraum hohe Energien zu absorbieren.
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Die Druckschrift
EP 2 949 539 A1 betrifft ein energiedissipierendes Gerät, das dazu geeignet ist, als ein Teil eines Verbindungsgerätes verwendet zu werden, das ein erstes Fahrzeug mit einem Fahrzeug verbindet.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hohe kinetische Energie eines Kolbens innerhalb eines Pneumatikzylinders zu absorbieren.
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Diese Aufgabe wird durch Gegenstände nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird diese Aufgabe durch einen Pneumatikzylinder, mit einer beweglichen Kolbenstange, die eine Hülse mit einem konischen Außenprofil umfasst; und einem Lagerdeckel, der eine plastisch verformbare Gegenhülse mit einem konischen Innenprofil zum Absorbieren von Bewegungsenergie der Kolbenstange umfasst. Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass die Bewegungsenergie vollständig in einem geringen Bauraum aufgenommen werden kann.
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Ein Reißen der Kolbenstange oder Lösen von Teilen des Pneumatikzylinders wird verhindert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Pneumatikzylinders ist das konische Außenprofil der Hülse oder das konische Innenprofil der Gegenhülse mit einem Gleitlack beschichtet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass ein gleichbleibender Reibfaktor beim Bremsvorgang erhalten wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Pneumatikzylinders weist die Hülse der Kolbenstange und/oder die plastisch verformbare Gegenhülse einen zylindrischen Abschnitt auf. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Stabilität und die Wirkfläche erhöht werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Pneumatikzylinders weist die Hülse ein Schlitz auf, der sich in axialer Richtung erstreckt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Klemmwirkung der Hülse auf die Kolbenstange erhöht wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Pneumatikzylinders endet der Schlitz in einer Bohrung. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass ein Ausreißen des Schlitzes verhindert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Pneumatikzylinders erstreckt sich der Schlitz in einen zylindrischen Abschnitt und/oder konischen Abschnitt der Hülse. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Klemmwirkung über eine große Kontaktfläche bewirkt wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Pneumatikzylinders umfasst die Hülse einen nach Innen ragenden Vorsprung zum Abstützen an der Kolbenstange. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass ein Lösen der Hülse von der Kolbenstange verhindert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Pneumatikzylinders umläuft der Vorsprung an der Innenseite der Hülse. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Hülse mit der Kolbenstange gleichmäßig gekoppelt ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Pneumatikzylinders liegt der Kolben an der Hülse der Kolbenstange an. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Bewegungsenergie des Kolbens direkt auf die Hülse übertragen wird und die Verbindung Kolben-Kolbenstange beim Bremsvorgang entlastet wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Pneumatikzylinders ist die Hülse aus einem härteren Metall als die plastisch verformbare Gegenhülse gebildet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Bewegungsenergie besonders effizient auf die Gegenhülse übertragen werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Pneumatikzylinders weist das konische Außenprofil und/oder das konische Innenprofil einen Konuswinkel von 2 bis 4 Grad auf. Dadurch wird beispielsweise ebenfalls der technische Vorteil erreicht, dass die Bewegungsenergie besonders effizient auf die Gegenhülse übertragen werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Pneumatikzylinders umfasst die plastisch verformbare Gegenhülse einen vorstehenden umlaufenden Rand zum Aufsetzen auf den Lagerdeckel. Dadurch wird beispielsweise ebenfalls der technische Vorteil erreicht, dass die Gegenhülse exakt positioniert werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Pneumatikzylinders umfasst der Lagerdeckel einen kreisförmigen Vorsprung zum Einsetzen innerhalb des Randes. Dadurch wird beispielsweise ebenfalls der technische Vorteil erreicht, dass die Gegenhülse exakt an dem Lagerdeckel positioniert werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Absorbieren von Bewegungsenergie einer beweglichen Kolbenstange eines Pneumatikzylinders gelöst, mit den Schritten eines Verformens einer plastisch verformbaren Gegenhülse mit einem konischen Innenprofil, die an einem Lagerdeckel abgestützt ist, durch eine Hülse einem konischen Außenprofil, die an der Kolbenstange befestigt ist. Durch das Verfahren werden die gleichen technischen Vorteile wie durch den Pneumatikzylinder nach dem ersten Aspekt gelöst.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren den Schritt eines radialen Komprimierens der Hülse zum Einklemmen der Kolbenstange bei Kontakt mit der plastisch verformbaren Gegenhülse. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass ein Verrutschen der Kolbenstange durch die komprimierte Hülse verhindert wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine Querschnittsansicht durch einen Pneumatikzylinder;
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2 eine vergrößerte Querschnittsansicht durch den Pneumatikzylinder;
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3 eine Querschnittsansicht durch korrespondierende Hülsen;
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4 weitere Ansichten der Hülse der Kolbenstange;
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5 weitere Ansichten der Gegenhülse des Lagerdeckels; und
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6 ein Blockdiagramm eines Verfahrens.
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1 zeigt eine Querschnittsansicht durch einen Pneumatikzylinder 100. Der Pneumatikzylinder 100 umfasst einen eine Druckkammer 115 und einen Kolben 113, der mit einer Kolbenstange 101 verbunden ist. Durch den Druck in der Druckkammer 115 wird der Kolben 113 mit einer Kraft beaufschlagt. Der Pneumatikzylinder 100 ist ein mittels eines Druckmediums betriebener Arbeitszylinder, um eine lineare Antriebsbewegung zu erzeugen. Pneumatikzylinder werden in vielen pneumatischen Anwendungen verwendet, so z. B. in Spritzgießwerkzeugen, in der Förder-, Antriebs- oder Handhabungstechnik.
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Der Pneumatikzylinder 100 kann vertikal hängend eingebaut und abschlussdeckelseitig ständig mit einem Druckvolumen beaufschlagt sein. Der Pneumatikzylinder 100 kann beispielsweise als ein Gewichtsausgleichszylinder eingesetzt sein, der eine Gewichtskraft eines mit der Kolbenstange 101 gekoppelten Gewichtes durch eine Gegenkraft ausgleicht.
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Die Kolbenstange 101 ist in einem Lagerdeckel 107 geführt und verschiebbar gelagert. Die Kolbenstange 101 umfasst eine Hülse 103 mit einem konischen Außenprofil. Der Lagerdeckel 107 umfasst eine plastisch verformbare Gegenhülse 109 mit einem konischen Innenprofil 111 zum Aufnehmen von Bewegungsenergie der Kolbenstange 101 über die Hülse 103. Der Kolben 113 liegt an der Hülse 103 der Kolbenstange 101 an, so dass der Kolben seine Bewegungsenergie direkt auf die Hülse 103 übertragen kann.
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Wenn beispielsweise die Gewichtskraft durch ein Bauteilversagen wegfällt, wird die freiwerdende Energie dadurch abgebaut, dass die Hülse 103 der Kolbenstange 101 mit dem konischen Außenprofil in die plastisch verformbare Gegenhülse 109 mit einem entsprechenden konischen Innenprofil 111 des Lagerdeckels 107 gedrückt wird. Dadurch kann die Bewegungsenergie der Kolbenstange 101 und des Kolbens 113 auf einem kurzen Bremsweg abgebaut werden, ohne dass Bauteile des Pneumatikzylinders 100 versagen.
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Die Bremskraft liegt beispielsweise im Bereich von ca. 200kN und wird durch die korrespondierenden Hülsen 103 und 109 in einem Zeitraum von 3–4 ms aufgebracht. Der Bremsweg liegt beispielsweise bei 50 mm und der gesamte Bremsmechanismus weist beispielsweise eine Baulänge von 150 mm auf.
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2 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht durch den Pneumatikzylinder 100. Die Hülse 103 ist mit dem konischen Außenprofil 105 versehen. Die Gegenhülse 109 ist mit einem entsprechenden konischen Innenprofil 111 versehen. Bei einer zu weiten und außergewöhnlichen Bewegung des Kolbens 113 werden die Hülse 103 und die Gegenhülse 109 ineinander gepresst. Durch Reibung und Verformung, die dabei an der Hülse 103 und der Gegenhülse 109 auftritt, wird die Bewegungsenergie mechanisch abgebaut.
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Der durch die Hülse 103 und die Gegenhülse 109 gebildete Bremsweg liegt außerhalb des normalen Bewegungsbereichs des Pneumatikzylinders 100. Durch den Bremsweg wird ein Spielraum gebildet, in dem die bewegte Masse abgebremst wird. Durch die Hülse 103 und die Gegenhülse 109 kann der Pneumatikzylinder 100 kompakte Abmessungen beibehalten und auf kurzem Weg eine hohe Energie aufnehmen.
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Zusätzlich wird durch die Verformung der an der Kolbenstange 101 anliegenden Hülse 103 ein Klemmen der Kolbenstange 101 hervorgerufen, so dass der Freistich an der Verbindung zwischen Kolben 113 und Kolbenstange 101 entlastet und vor einem Bruch geschützt wird.
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Ein kreisförmiger Vorsprung 129 im Boden des Lagerdeckels 107 ist in eine entsprechende Aussparung der Gegenhülse 109 eingesetzt, die durch einen umlaufenden Rand 131 gebildet wird.
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3 zeigt eine Querschnittsansicht durch die korrespondierende Hülse 103 und die Gegenhülse 109. Der Bremsmechanismus besteht aus zwei Bauteilen. Das erste Bauteil ist die konische Hülse 103, die auf der Kolbenstange 101 montiert wird.
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Als Anbindung dient dieselbe Schnittstelle wie bei einem Pufferkolben. Die konisch geformte Außenseite der Hülse 103 kann mit einem Gleitlack 117 beschichtet sein, um einen möglichst eng tolerierten und gleichbleibenden Reibfaktor zu erhalten. Zusätzlich sollte der Werkstoff unter dem Gleitlack 117 gehärtet sein, um den Belastungen während des Bremsvorgangs formstabil in Bezug auf den Konus standhalten zu können. Die an der Kolbenstange 101 anliegende Innenseite der Hülse 103 kann eine hohe Rauheit aufweisen, so dass ein Durchrutschen der Kolbenstange 101 verhindert wird.
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Das zweite Bauteil ist die Gegenhülse 109, die als dickwandiger Stahlring aus normalgeglühtem Vergütungsstahl wie beispielsweise CK45 gebildet ist. Die Gegenhülse 109 trägt auf der Innenseite einen zur Hülse 103 der Kolbenstange 101 passenden Konus.
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Bei beiden Hülsen 103 und 109 erstrecken sich die konusförmigen Abschnitte 119 nur über einen Teil der Länge. Der Rest der Länge ist durch zylindrische Abschnitte 121 gebildet. Das konische Außenprofil 105 und/oder das konische Innenprofil 111 weisen beispielsweise einen Konuswinkel von 2 bis 4 Grad auf.
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Wenn der Pneumatikzylinder 100 durch äußere Umstande gezwungen ist, in die Endlage zu fahren, taucht die an der Kolbenstange 101 anliegende Hülse 103 in den Stahlring der Gegenhülse 109 ein. Durch den Konus sorgt die Hülse 103 beim Eintauchen für eine vollplastische Aufweitung der Gegenhülse 109. Dadurch wird Bewegungsenergie in plastische Umformarbeit umgewandelt und eine hohe, annähernd konstante Bremskraft erzeugt.
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Die Hülse 103 klemmt auf der Kolbenstange 101 und die Kolbenstange 101 wird an der Klemmstelle plastisch eingeschnürt. Nach dem einmaligen Bremsvorgang sind Kolbenstange 101, die Hülse 103 der Kolbenstange 101 und die Gegenhülse 109 des Lagerdeckels 107 unlösbar miteinander verbunden.
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Da die Bauteile plastisch verformt werden und ein Lösen der Verbindung kaum möglich ist, wird die Bremsfunktion nur ein einziges Mal verwendet und der Pneumatikzylinder 100 wird anschließend ausgetauscht.
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Der Reibfaktor zwischen der Hülse 103 und der Gegenhülse 109 beeinflusst zum einen die Bremswirkung und zum anderen die Bremskraft, die vom Lagerdeckel 107 und der umliegenden Struktur des Pneumatikzylinders 100 ohne Beschädigung oder bleibende Verformung aufgenommen wird. Je nach Reibfaktor können Bremskräfte von 200kN auf den Lagerdeckel 107 wirken. Das Bremsverhalten wird durch den Reibwert, die Wandstärke der Gegenhülse 109 und den Konuswinkel bestimmt. Zusätzlich spielen die tatsachlichen Werkstoffeigenschaften der Gegenhülse 109 als Bremsring eine Rolle.
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4 zeigt weitere Ansichten der Hülse 103 der Kolbenstange 101. Die Hülse 103 weist einen konischen Abschnitt 119 und einen zylindrischen Abschnitt 121 auf. Die Länge des konischen Abschnitts 119 beträgt beispielsweise 50 mm und die Länge des zylindrischen Abschnittsbeträgt beträgt beispielsweise 30 mm. Die Hülse 103 umfasst an gegenüberliegenden Seiten jeweils einen Schlitz 123, der sich in axialer Richtung erstreckt. Durch die Schlitze 123 wird die Hülse beim Kontakt mit der Gegenhülse 109 radial komprimiert, so dass sich diese an die Kolbenstange 101 klemmt.
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Die Schlitze 123 enden in einer Bohrung 125, die ein Ausreißen der Schlitze 123 verhindert. Der Schlitz 123 beginnt an der konisch zulaufenden Seite der Hülse 103 und setzt sich bis in den zylindrischen Abschnitt 121 der Hülse 103 fort. Der nach Innen ragende und an der Innenseite umlaufende Vorsprung 127 an der Hülse 103 dient zum Abstützen an der Kolbenstange 101.
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5 zeigt weitere Ansichten der Gegenhülse 109 des Lagerdeckels 107. Auch die plastisch verformbare Gegenhülse 109 weist einen konischen Abschnitt 119 und einen zylindrischen Abschnitt 121 auf. Die Länge des konischen Abschnitts 119 beträgt beispielsweise 50 mm und die Länge des zylindrischen Abschnittsbeträgt beträgt beispielsweise 30 mm. Die Gegenhülse 109 ist aus einem weicheren Metall als die Hülse 103 gebildet.
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Die Gegenhülse 109 weist einen vorstehenden umlaufenden Rand 131 auf, durch den eine Aussparung zum Einsetzen eines Vorsprungs des Lagerdeckels 107 gebildet wird und der auf dem Lagerdeckel 107 aufsetzt.
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6 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Bremsen einer Kolbenstange 101. Durch das Verfahren wird die Bewegungsenergie der beweglichen Kolbenstange 101 und der gekoppelten Massen absorbiert. Das Verfahren umfasst den Schritt eines Verformens S101 der plastisch verformbaren Gegenhülse 109 mit einem konischen Innenprofil 111, die an dem Lagerdeckel 107 abgestützt ist, durch die Hülse 103 mit dem konischen Außenprofil 105, die an der Kolbenstange 101 befestigt ist.
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Durch den Pneumatikzylinder 100 wird durch Umformung, plastische Verformung und Reibung die Bewegungsenergie im Pneumatikzylinder 100 abgebaut. Ein derartiger Pneumatikzylinder kann beispielsweise eine Aufprallenergie von 4500 J aufnehmen.
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Durch Reibung und plastische Verformung der Gegenhülse 109, die durch einen Stahlring gebildet ist, wird eine definierte Bremskraft erzeugt und der Antrieb kann auf einem definierten Weg abgebremst werden. Danach verliert der Pneumatikzylinder 100 seine Funktionsfähigkeit und wird ausgetauscht.
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Ein entscheidender Vorteil gegenüber anderen Lösungen ist der Einsatz von lediglich zwei geometrisch einfach gestalteten Hülsen 103 und 109. Zudem können die Hülse 103 und die Gegenhülse 109 aufgrund der kompakten Bauweise einfach in bestehende Pneumatikzylinder 100 integriert werden. Weiterhin weist das System eine hohe Dichte in Bezug auf das Verhältnis Bremskraft zu Weg auf.
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Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
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Alle Verfahrensschritte können durch Vorrichtungen implementiert werden, die zum Ausführen des jeweiligen Verfahrensschrittes geeignet sind. Alle Funktionen, die von gegenständlichen Merkmalen ausgeführt werden, können ein Verfahrensschritt eines Verfahrens sein.
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Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Pneumatikzylinder
- 101
- Kolbenstange
- 103
- Hülse
- 105
- Außenprofil
- 107
- Lagerdeckel
- 109
- Gegenhülse
- 111
- Innenprofil
- 113
- Kolben
- 115
- Druckkammer
- 117
- Gleitlack
- 119
- konischer Abschnitt
- 121
- zylindrischer Abschnitt
- 123
- Schlitz
- 125
- Bohrung
- 127
- Vorsprung
- 129
- Vorsprung
- 131
- Rand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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