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Die Erfindung geht aus von einem
druckmittelbetätigten
Arbeitszylinder, der die Merkmale aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 aufweist, bei dem also der Kolben beim Einlaufen in eine Endstellung
durch Abdrosselung des Druckmittelabflusses aus der sich verkleinernden
Zylinderkammer abgebremst wird. Durch die Abdrosselung des abfließenden Druckmittelstroms
wird in der sich verkleinernden Zylinderkammer ein Druck aufgebaut,
der am Kolben eine Kraft erzeugt, die der Bewegung des Kolbens entgegengerichtet
ist.
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Der sich in der Zylinderkammer aufbauende sogenannte
Dämpfungsdruck
soll dabei einen Maximalwert, der 1,5 bis 2-fach so groß wie der
Nenndruck des Arbeitszylinders ist, nicht überschreiten. Andererseits
hat der Arbeitszylinder maximale Dämpfungskapazität, wenn
der Dämpfungsdruck während der
gesamten Dämpfungsstrecke
den Maximalwert hat. Selbst theoretisch lässt sich dieser ideale Verlauf
des Dämpfungsdruckes
durch die Gestaltung der Drosselquerschnitte und der Drossellängen zwischen
dem Dämpfungselement
und der Durchtrittsöffnung
nur dann erreichen, wenn immer dieselben Randbedingungen eingehalten
werden, wenn also der Arbeitszylinder z.B. immer mit derselben Geschwindigkeit
gefahren wird und dieselbe Masse bewegt. Man versucht dann für den Fall
der maximalen Geschwindigkeit und der größten Masse die ideale Endlagendämpfung zu
erhalten, so dass bei kleineren Geschwindigkeiten und kleineren
Massen der Dämpfungsdruck
den Maximalwert nicht mehr erreicht.
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Druckmittelbetätigte Arbeitszylinder mit einer Endlagendämpfung sind
aus einer Reihe von Druckschriften be kannt. So zeigt z.B. die
EP 0 837 250 A2 einen
Arbeitszylinder, bei dem das Dämpfungselement
an seiner Außenfläche axial
verlaufende und sich in ihrem Querschnitt verjüngende Drosselnuten aufweist.
Der Drosselquerschnitt über
die Drosselnuten wird beim Eintauchen des Dämpfungselements in die Durchtrittsöffnung immer
kleiner. Zusätzlich
zu den Drosselnuten ist nach dem Eintauchen des Dämpfungselments
in die Durchtrittsöffnung
zwischen die Zylinderkammer und den Zylinderanschluss eine Druckmittelverbindung über eine
Drosselstelle geschaltet, deren hydraulischer Widerstand weitgehend
unabhängig
von der "Eintauchtiefe
des Dämpfungselements
ist. Derartige Dämpfungsbuchsen
sind auf Grund der Vielzahl an Bearbeitungsschritten teuer.
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Ein druckmittelbetätigter Arbeitszylinder,
der einen Kolben mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs
1 aufweist, ist aus der
DE 198
36 422 bekannt. Zumindest auf einer Seite des Kolbens, an
dem eine Kolbenstange befestigt ist und der in einem Zylinderraum
unter gegensinniger Veränderung des
Volumens zweier Zylinderkammern auf seinen beiden Seiten axial zwischen
zwei Endstellungen verschiebbar ist, ist ein Dämpfungselement angeordnet,
das beim Einlauf des Kolbens in die eine Endstellung in eine Durchtrittsöffnung zwischen
der einen Zylinderkammer und einem Zylinderanschluss eintaucht und
dabei mit der Durchtrittsöffnung
einen ringförmigen
Drosselspalt zum gedrosselten Abfluss von Druckmittel aus der Zylinderkammer
zum Zylinderanschluss bildet. Um auf einem bestimmten Weg große mit dem
Zylinder bewegte Massen abbremsen zu können, ist die in
1 dargestellte Außenfläche des
Dämpfungselements
1 in
axialer Richtung derart geformt, dass sie, bei ganz eingetauchtem
Dämpfungselement
betrachtet, am kammerseitigen Beginn der Durchtrittsöffnung einen
maximalen Durchmesser
2 hat und nach einem Flächenabschnitt
3 mit
kleinem Durchmesser oder kleinen Durchmessern in großer Eintauchtiefe
des Dämpfungselements über eine
kurze Strecke einen mittleren Durchmesser
4 aufweist, der
zwischen dem maximalen Durchmesser und dem kleinen Durchmesser liegt.
Von Nachteil ist bei diesem Arbeitszylinder, dass die Kanten starke Drückerhöhungen verursachen
und dass ein kompliziertes Profil vorliegt.
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Bei einem weiteren, in 2 gezeigten Arbeitszylinder
nach dem Stand der Technik ist außen an der Dämpfungsbuchse
eine schräge
Abflachung 5, 6 vorgesehen. Von "Nachteil ist bei
dieser Lösung, dass
die Dämpfungsbuchse
durch Verformung beim Fräsen
und im Betrieb unrund ist.
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Ein noch weiterer Arbeitszylinder
nach dem Stand der Technik weist eine Dämpfungsbuchse mit einer kreiszylindrischen
Außenfläche auf,
die ein Spiel zum Zylindergehäuse
aufweist. Ferner ist diese an ihrem vorderen Ende mit einer Phase
versehen. Die Dämpfungseigenschaften
hängen
dabei mit einem hohen Maße
von der Viskosität
des Druckmittels ab. Ferner führen
die sehr hohen Druckspitzen beim Eintauchen des Kolbens zu Kolbenschwingungen
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu
Grunde, einen druckmittelbetätigten
Arbeitszylinder mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 so weiterzuentwickeln, dass eine hohe Dämpfungskapazität erhalten
wird und dass Druckspitzen, die in starkem Maße über den Systemdruck hinausgehen,
vermieden werden, wodurch eine weiche Dämpfung des Kolbens erfolgen
soll. Dabei soll die Dämpfungsbuchse
ein möglichst
einfaches Außenprofil
aufweisen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Arbeitszylinder
nach Anspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein druckmittelbetätigter Arbeitszylinder
mit einem Kolben vorgesehen, an dem eine Kolbenstange befestigt
ist und der in einem Zylinderraum unter gegensinniger Veränderung des
Volumens zweier Zylinderkammern auf seinen beiden Seiten axial zwischen
zwei Endstellungen verschiebbar ist, mit einem auf der einen Seite
des Kolbens angeordneten Dämpfungselement,
das eine rotationssymmetrische Außenfläche besitzt und beim Einlaufen
des Kolbens in die eine Endstellung in eine Durchtrittsöffnung zwischen
der einen Zylinderkammer und einem Zylinderanschluss eintaucht und
dabei mit der Durchtrittsöffnung
einen ringförmigen Drosselspalt
zum gedrosselten Abfluss von Druckmittel aus der Zylinderkammer
zum Zylinderanschluss bildet. Das Dämpfungselement ist in einer solchen
Weise gestaltet, dass ein erster Abschnitt der Außenfläche von
diesem im Axialschnitt konvex gekrümmt ist. Auf diese Weise lässt sich
eine weiche Dämpfung
des Kolbens beim Einlaufen in die Endstellung erzielen.
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Dabei wird bevorzugt, dass sich der
Radius des ersten Abschnitts in Axialrichtung zu der dem Kolben
abgewandten Stirnseite des Dämpfungselements
verringert, damit bei zunehmender Annäherung an die Endstellung die
Dämpfung
zunimmt.
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Der erste Abschnitt ist im Axialschnitt
vorzugsweise als Kreisbogen ausgebildet, wodurch die Dämpfungsänderung
mit zunehmender Annäherung an
die Endstellung kleiner wird, was die weiche Dämpfung unterstützt.
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Durch einen zweiten Abschnitt der
Außenfläche mit
konstantem Durchmesser im Axialschnitt im Anschluss an den ersten
Abschnitt der Außenfläche lässt sich
der Kolben über
einen konstanten Strömungsquerschnitt
dämpfen.
Dabei ist der zweite Abschnitt vorzugsweise in einer sol chen Weise
angeordnet, dass dieser nach dem ersten Abschnitt bei zunehmender
Annäherung
an die Endstellung aktiv wird.
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Wenn der Mittelpunkt des Kreises
zur Erzeugung des ersten Abschnitts in einer Ebene liegt, die die
Schnittpunkte zwischen erstem und zweiten Abschnitt aufweist, lassen
sich scharfkantige Übergänge und
damit Druckspitzen ausschließen.
Als Radius haben sich etwa 0,4 bis etwa 5 m als günstig erwiesen.
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Die Breite für den Drosselspalt zwischen
erstem Eintauchen des ersten Abschnitts in die Durchtrittsöffnung und
nahezu vollständiger
Annäherung an
die Endstellung bewegt sich im Bereich von etwa 10 bis etwa 30 μm in der
Endstellung und etwa 30 bis etwa 400 μm beim ersten Eintauchen.
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Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform
ist zwischen Zylinderanschluss und Zylinderkammer eine einstellbare
Dämpfungsdrossel
vorgesehen, durch die der Wirkungsbeginn der Dämpfungsbuchse in Bezug auf
die Annäherung
an die Endstellung einstellbar ist.
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Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Nachfolgend wird die Erfindung an
Hand der beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben, in denen:
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1 ein
Dämpfungselement
entsprechend einem Dokument entsprechend dem Stand der Technik zeigt,
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2 einen
druckmittelbetätigten
Arbeitszylinder entsprechend einem weiteren Dokument entsprechend
dem Stand der Technik darstellt,
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3 einen
druckmittelbetätigten
Arbeitszylinder entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung
zeigt,
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4 einen
um 90° gegenüber 3 gedrehten Längsschnitt
durch eine in dem Arbeitszylinder nach 3 verwendeten Dämpfungsbuchse zeigt,
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5 einen
Ausschnitt aus 4 mit
einer überhöhten Darstellung
der Außenfläche der
Dämpfungsbuchse
darstellt und
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6 einen
druckmittelbetätigten
Arbeitszylinder entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung
zeigt.
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Der in 3 gezeigte
hydraulisch betriebene Arbeitszylinder entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist ein Zylinder der sogenannten Rundbauart. Das Zylindergehäuse 10 besitzt
als wesentliche Bauteile ein Zylinderrohr 11, einen Zylinderkopf 12,
der auf das eine Ende, und einen Zylinderboden 13, der
auf das andere Ende des Zylinderrohres 11 aufgesetzt ist.
Zur Befestigung von Zylinderrohr, Zylinderkopf und Zylinderboden
aneinander ist auf jedes der beiden mit einem Außengewinde versehenen Enden
des Zylinderrohrs 11 ein Flansch 14 aufgeschraubt,
der über
360° verteilt
axiale Gewindebohrungen 15 aufweist, in die den Zylinderkopf
bzw. den Zylinderboden gegen das Zylinderrohr verspannende Schrauben 16 eingeschraubt sind.
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Im Inneren des Zylinderrohres 11 ist
ein Kolben 20 dicht gleitend axial geführt, der das Innere des Zylinderrohrs
in zwei Zylinderkammern 21 und 22 aufteilt, deren
Volumina sich bei einer Bewegung des Kolbens gegen sinnig verändern. Durch
einen Zylinderanschluss 23 im Zylinderkopf 12 kann
hydraulisches Druckmittel der Zylinderkammer 21 zugeführt und
aus dieser Zylinderkammer abgeführt
werden. Der radial angeordnete Zylinderanschluss 23 mündet dabei
zunächst
in eine Kammer 24 im Zylinderkopf 12, die mit
der Zylinderkammer 21 über
eine axiale Durchtrittsöffnung 25 bestimmten
Durchmessers fluidisch verbunden ist. Ähnlich verläuft ein Druckmittelpfad von
einem radialen Zylinderanschluss 26, einer Kammer 27 und
einer axialen Durchtrittsöffnung 28 des
Zylinderbodens 13 zur Zylinderkammer 22. Die beiden
Durchtrittsöffnungen 25 und 28 im
Zylinderkopf bzw. im Zylinderboden haben gleiche Durchmesser.
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Der Kolben 20 ist mit einer
Kolbenstange 35 zusammengebaut, die durch den Zylinderkopf 12 nach
außen
tritt und die Kammer 24 und die Durchtrittsöffnung 25 des
Zylinderkopfes 12 zu Ringräumen werden lässt. Der
Kolben 20 ist vom inneren Ende aus über einen im Durchmesser verkleinerten Abschnitt
der Kolbenstange 35 geschoben und unter Zwischenlage einer
Bundbuchse 36 mit Hilfe einer auf das mit einem Gewinde
versehene Ende der Kolbenstange 35 aufgeschraubten Mutter 37 gegen
eine Schulter der Kolbenstange 35 gespannt.
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Axial zwischen dem Kolben 20 und
dem Bund 38 der Bundbuchse 36 ist auf dieser mit
axialem und mit radialem Spiel eine Dämpfungsbuchse 40a angeordnet,
die die Funktion eines Drosselkörpers
und eines Rückschlagventilkörpers erfüllt. Eine identische
Dämpfungsbuchse 40b ist
mit axialem und radialem Spiel zwischen dem Kolben 20 und
einem Bund 39 der Mutter 37 angeordnet.
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Die Form der Dämpfungsbuchsen geht näher aus
den 4 und 5 hervor. Eine Dämpfungsbuchse 40a, 40b hat
bis auf eine Ausdrehung 41 an ihrer dem Kolben 20 zuge wandten
Stirnseite 42 über ihre
gesamte Länge
einen konstanten Innendurchmesser, der so auf den Außendurchmesser
der Bundbuchse 36 und der Mutter 37 abgestimmt
ist, dass sich ein radiales Spiel von z. B. 0,5 mm ergibt. In ihrer
Länge ist
die Dämpfungsbuchse 40 z.
B. 0,3 mm kürzer
als der lichte Abstand zwischen dem Kolben 20 und einem
Bund 38, 39. An ihrer Stirnseite 42 besitzt
die Dämpfungsbuchse
zwei sich diametral gegenüberliegende
kreissegmentartige Aussparungen 43, die nicht ganz so tief
wie die Ausdrehung 41 sind.
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Die Außenfläche 50 ist vorzugsweise
rotationssymmetrisch am Dämpfungselement 40a, 40b vorgesehen
und hat in ihrer Axialrichtung von der dem Kolben 20 abgewandten
Stirnseite 44 ausgehend einen konvexen Abschnitt 51 und
im Anschluss daran einen zylinderischen, vorzugsweise kreiszylindrischen
Abschnitt 52. Der Raduis vom konvexen Abschnitt 51 der
Außenfläche 50 verringert
sich vorzugsweise im Axialschnitt in Richtung auf die dem Kolben
abgewandte Stirnseite 44 hin. Der konvexe Abschnitt 51 ist
bevorzugt als Kreisbogen ausgebildet. Anders ausgedrückt bildet
der konvexe Abschnitt 51 die Außenfläche eines Kreiskegelstumpfes
mit nach außen
gewölbter
Mantelfäche.
Die Krümmung der
Mantelfläche
ist dabei vorzugsweise konstant.
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Der Mittelpunkt des Kreises zur Erzeugung des
Kreisbogens liegt in einer Radialebene A, die Schnittpunkte X zwischen
dem konvexen Abschnitt 52 und dem zylindrischen Abschnitt 51 der
Außenfläche 50 des
Dämpfungselementes 40 aufweist.
Dadurch erfolgt der Übergang
zwischen dem konvexen Abschnitt 51 und dem zylindrischen
Abschnitt 52 stetig. Somit liegt eine über einen Teil der Axialausdehnung
konvex gekrümmte
rotationssymmetrische Dämpfungsbuchse
ohne scharfkantige Übergänge vor.
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Der Radius R zur Erzeugung des Kreisbogens
liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 3 m. Es ist zu beachten,
dass in der Darstellung von 5 aus
Gründen
der Erkennbarkeit die Krümmung des
konvexen Abschnitts 51 stark überhöht ist, so dass der Krümmungsradius
R in 5 stark verkleinert
gezeigt ist.
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Der konvexe Abschnitt 51 ist
vorzugsweise in einer solchen Weise bemessen, dass der ringförmige Drosselspalt
zwischen dem zum zylindrischen Abschnitt 52 benachbarten
Teil des konvexen Abschnitts 51 und der Durchtrittsöffnung 25 beim
Einlaufen des Kolbens 20 in die Endstellung in Bezug auf
den Zylinderkopf 12 eine Breite im Bereich von etwa 10
bis etwa 30 μm
hat, und dass der ringförmige Drosselspalt
zwischen dem Teil des konvexen Abschnitts 52, der zur dem
Kolben 20 abgewandten Stirnseite 44 benachbart
liegt, und der Durchtrittsöffnung 25 beim
Einlaufen des Kolbens 20 in die Endstellung in Bezug auf
den Zylinderkopf 12 eine Breite im Bereich von etwa 30
bis etwa 400 μm
hat.
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Durch die Wölbung des konvexen Abschnitts 52 wird
sicher gestellt, dass sich die Dämpfungsbuchse
trotz des radialen Spiels in die Durchtrittsöffnung 25 bzw. 28 einfädelt.
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In einem Beispiel betrugen die axiale
Länge der
Dämpfungsbuchse 40a, 40b 19
mm, die axiale Länge
des zweiten Abschnitts 52 der Außenfläche 50 4 mm, der Radius
R des konvexen Abschnitts 51 der Außenfläche 50 2m und der
Durchmesser der Dämpfungsbuchse
am zylindrischen Abschnitt 52 31mm, während der Kolben 20 einen
Durchmesser von 50 mm und die Kolbenstange 35 einen Durchmesser von
25 mm hatten.
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In der in 3 gezeigten Position des Kolbens 20 entsprechend
dem ersten Ausführungsbeispiel
sitzt die Dämpfungsbuchse 40b an
der Mutter 37 axial auf deren Bund 39 auf. Wird
nun dem Zylinderanschluss 26 Druckmittel zugeführt, so
wird die Dämpfungsbuchse 40 durch
die durch den anstehenden Druck erzeugte Kraft um ihr axiales Spiel
zum Kolben 20 hin verschoben, bis sie mit ihrer Stirnseite 42 am
Kolben anliegt. Nun kann Druckmittel durch den Axialspalt zwischen
der Stirnseite 44 der Dämpfungsbuchse 40 und
dem Bund 39 der Mutter 37, durch den auf Grund
des Radialspiels vorhandenen Radialspalt zwischen der Dämpfungsbuchse 40 und der
Mutter 37 und durch die Aussparungen 43 der Dämpfungsbuchse 40b in
die Zylinderkammer 22 strömen. Der hydraulische Widerstand
des beschriebenen Strömungspfades
entlang an der Innenwand der Dämpfungsbuchse 40b ist
wesentlich geringer als der hydraulische Widerstand zwischen deren
Außenfläche und
der Wand der Durchtrittsöffnung 28. Der
Kolben 20 bewegt sich nun mit einer der über den
Zylinderanschluss 26 zufließenden Druckmittelmenge entsprechenden
Geschwindigkeit auf den Zylinderkopf 12 zu, wobei Druckmittel
aus der sich verkleinernden Zylinderkammer 21 über die
Durchtrittsöffnung 25 und
den Zylinderanschluss 23 verdrängt wird. In einem bestimmten
Abstand des Kolbens 20 vom Zylinderkopf 12 beginnt
die Dämpfungsbuchse 40a,
die an der Bundbuchse 36 geführt ist, in die Durchtrittsöffnung 25 einzutauchen.
Dadurch wird der für
das Wegfließen
des Druckmittels aus der Zylinderkammer 21 zur Verfügung stehende
Strömungsquerschnitt
durch die Durchtrittsbohrung 25 verkleinert. Der Druck
in der Zylinderkammer 21 wird dadurch höher als der Druck in der Kammer 24 und im
Zylinderanschluss 23 des Zylinderkopfes 12, so dass
die Dämpfungsbuchse 40a vom
Kolben 20 weg an den Bund 38 der Bundbuchse 36 heranbewegt wird
und mit ihrer Stirnseite 44 auf dem Bund aufsitzt. Wie
der bewegliche Körper
eines Rückschlagventils versperrt
die Dämpfungsbuchse 40 dadurch
den Strömungs pfad
entlang des Radialspaltes zwischen ihr und der Bundbuchse 36.
Es gelangt dann der konvexe Abschnitt 51 der Dämpfungsbuchse 40a in
die Durchtrittsöffnung 25.
Dadurch wird der Strömungspfad
entlang der Außenseite
der Dämpfungsbuchse 40a in
zunehmenden Maße
enger und steigt der Druck in der Zylinderkammer 21. Durch
diese Erhöhung
des hydraulischen Widerstandes entlang des Strömungspfades an der Außenseite
der Dämpfungsbuchse 40a und
auf Grund der wegen der nun schon geringen Geschwindigkeit des Kolbens 20 auch
nur geringen Menge von aus der Zylinderkammer 21 pro Zeiteinheit
zu verdrängendem
Druckmittel in der Zylinderkammer 21 erfolgt eine weiche
Dämpfung
des Kolbens ohne weit über
den Systemdruck hinausgehende Druckspitzen. Die Dämpfung erfolgt anschließend bei
in die Durchtrittsöffnung 25 eintretendem
zylindrischen Abschnitt 52 über den Spalt zwischen Durchtrittsöffnung 25 und
zylindrischem Abschnitt 52. Schließlich gelangt der Kolben 20 mit sehr
geringer Geschwindigkeit in seine Endlage am Zylinderkopf 12.
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Das Ausfahren aus dieser Endlage
in die in 1 gezeigte
Ausgangsposition geschieht analog wie das Ausfahren aus der Ausgangsposition.
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Der in 6 gezeigte
druckmittelbetätigte Arbeitszylinder
entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel
entspricht in Aufbau und Funktionweise dem druckmittelbetätigten Arbeitszylinder
entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel
mit der Ausnahme, dass beim druckmittelbetätigte Arbeitszylinder entsprechend
dem zweiten Ausführungsbeispiel
zusätzlich
zwischen Zylinderkammer 21 und der Kammer 24 eine
einstellbare Drossel 60 vorgesehen ist.
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Alternativ oder in Ergänzung dazu
ist zwischen der Zylinderkammer 22 und der Kammer 27 ebenfalls
eine einstellbare Drossel vorgesehen.
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Mit einer einstellbaren Drossel 60 lässt sich das
Dämpfungsverhalten
wie Dämpfungszeit,
Dämpfungsdruck,
Endgeschwindigkeit des Kolbens beeinflussen.
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Die Erfindung bezieht sich somit
auf einen druckmittelbetätigter
Arbeitszylinder mit einem Kolben, an dem eine Kolbenstange befestigt
ist und der in einem Zylinderraum unter gegensinniger Veränderung
des Volumens zweier Zylinderkammern auf seinen beiden Seiten axial
zwischen zwei Endstellungen verschiebbar ist, mit einem auf der
einen Seite des Kolbens angeordneten Dämpfungselement, das eine rotationssymmetrische
Außenfläche besitzt
und beim Einlaufen des Kolbens in die eine Endstellung in eine Durchtrittsöffnung zwischen
der einen Zylinderkammer und einem Zylinderanschluss eintaucht und dabei
mit der Durchtrittsöffnung
einen ringförmigen Drosselspalt
zum gedrosselten Abfluss von Druckmittel aus der Zylinderkammer
zum Zylinderanschluss bildet, wobei zur Erhöhung der Dämpfungskapzität ein erster
Abschnitt der Außenfläche des Dämpfungselementes
im Axialschnitt konvex gekrümmt
ist und vorzugsweise als Kreisbogen ausgebildet ist.