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Die Erfindung bezieht sich auf eine Sicherung gegen Stromausfall bei
einem elektrischen Stellmotor mit selbsthemmendem Untersetzungsgetriebe.
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Bei elektrischen Stellmotoren der hier betroffenen Gattung wird die
drehende Bewegung des Elektromotors über eine Mutter auf eine Spindelstange in eine
schiebende und ziehende Bewegung umgesetzt. Im allgemeinen wird die Steigung der
Gewindespindel so gewählt, daß die auf ihr befindliche Mutter selbsthemmend ist.
Dies bedeutet, daß nach Stillsetzen des antreibenden Motors auch die schiebende
oder ziehende Bewegung beendet wird und infolge der Selbsthemmung die angefahrene
bzw. augenblickliche Stellung behalten wird.
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Stellmotoren dieser Art besitzen den Nachteil, daß im Falle des Ausfalles
der elektrischen Energie für den Antriebsmotor ein Weiterlaufen der Zug- oder Schubbewegung
in die notfalls erforderliche Sicherheiststellung des Gerätes nicht stattfindet.
Das heißt, eine - um ein Beispiel anzuführen - geöffnete Bunkerklappe schließt sich
nicht, und das Gut, das aus einem Bunker fließt, läuft weiter aus und überlädt beispielsweise
einen unter dem Bunker befindlichen Wagen.
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Um die Selbsthemmung aufzuheben, wäre als Abhilfe eine Erhöhung der
Spindelsteigung denkbar. Eine hohe Spindelsteigung ergibt aber gleichzeitig eine
hohe Verschiebegeschwindigkeit, die in den meisten Fällen jedoch unerwünscht ist.
Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, Muttern zu verwenden, die trotz geringer
Steigung keine Selbsthemmung besitzen. In Anwendung sind hierfür bereits bekannte
Kugelumlaufgewindemuttern und auch Rollgewindemuttern.
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Versieht man - um beim Eingangsbeispiel zu bleiben - die Klappe eines
Bunkers mit einem federnden Rückstellglied oder mit einem Gegengewicht und verwendet
leichtgängige Muttern geringer Steigung, dann erreicht man die gewünschte niedrige
Verstellgeschwindigkeit und ein automatisches Schließen der Klappe bei Ausfall der
elektrischen Energie durch das Gewicht oder die vorgespannte Feder.
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Diesen Ausführungen haften jedoch auch Nachteile an. Leichtgängige
Spezialmuttern sind nämlich sehr teuer in der Herstellung. Ebenso wie Kugellager
sind diese Muttern sehr empfindlich und störanfällig gegen äußere auftretende Schläge
und Stöße, da sie zur Zerstörung der Kugeln in den Kugelumlaufgewindemuttern führen
können bzw. zur Zerstörung der kleinen Kugellager in den Rollgewindemuttern. Für
rauhen, staubigen Betrieb ist der Einsatz dieser Spezialmuttern deswegen nicht empfehlenswert,
weil die Muttern auch schmutzempfindlich sind und dadurch in ihrem Lauf beeinträchtigt
werden. Das Eindringen von Schmutz ist aber nicht ohne besondere und umständliche
Schutzmaßnahmen zu verhindern.
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Da diese leichtgängigen Muttern in unmittelbarer Kraftwirkung mit
dem Rotor des antreibenden Stellmotors stehen, ist es erforderlich, die vorgespannte
Feder oder das Gewicht an der Klappe beim Schließen durch diese Federkraft oder
das Gewicht gleichzeitig auch den elektrischen Stellmotor mit seiner Schwungmasse
erneut in Bewegung zu setzen, wobei naturgemäß sich der Schließvorgang nicht schnell
genug vollzieht, da diese Schwungmassen beschleunigt werden müssen.
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Es ist zwar möglich, die kraftschlüssige Verbindung zwischen der Mutter
bzw. der Gewindespindel und dem antreibenden Rotor bei Energieausfall beispielsweise
durch eine zusätzliche elektromagnetische Kupplung zu lösen und damit den Schließvorgang
zu beschleunigen. Diese Lösung ist aber aufwendig und beinhaltet weitere störanfällige
Teile.
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Ferner ist es einleuchtend, daß eine Federvorspannung an der Klappe
oder ein zusätzliches Schließgewicht ebenfalls eine zusätzliche Belastung des elektrischen
Stellmotors ergeben, da die Feder bei jeder COffnungsbewegung vorgespannt bzw. das
Gewicht gehoben werden muß. Dies ist eine zusätzliche Arbeit, die der Stellmotor
neben der notwendigen Öffnungsarbeit für die Klappe braucht.
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Ein weiterer Nachteil ist, daß die Verwendung dieser nicht selbsthemmenden,
leichtgängigen Spezialmuttern eine Stillhaltevorrichtung nach Stillsetzen des Stellmotors
in Form einer zusätzlichen Bremse, die auf die schiebende oder ziehende Bewegung
arretierend einwirkt, erforderlich macht, wobei diese Zusatzbremse ebenfalls so
ausgebildet sein muß, daß sie bei Ausfall der Energie öffnet und den Lauf in die
Sicherheitsstellung erlaubt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sicherung gegen
Stromausfall bei einem elektrischen Stellmotor mit selbsthemmendem Untersetzungsgetriebe
zu schaffen, bei welchem also bewährte, gegen Schmutz, Schlag und Druck unempfindliche
normale Muttern verwendet werden können und eine zusätzliche Bremse oder andere
Hilfsmittel zur überführung der Zug- oder Schubstange in den Sicherheitszustand
entbehrlich sind. Dabei soll die Sicherung einfach im Aufbau und zuverlässig in
ihrer Wirkung sein.
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Erreicht ist dieses Ziel erfindungsgemäß durch die zusätzliche Anordnung
eines Hilfsantriebes, der aus einem bekannten Federspannwerk besteht und zwischen
den Stellmotor und das von ihm zu verstellende Organ eingebaut ist, der ferner einen
Elektromagneten als Einrücker für den im Ausrücksinn federbelasteten Sperriegel
des Federspannwerkes aufweist, wobei der Stellmotor und der Elektromagnet an dieselbe
Stromquelle angeschlossen sind.
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Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen wird bei Ausfall der Stromversorgung
des Stellmotors bewirkt, daß eine Überführung der Zug- oder Schubstange in eine
Sicherheitsstellung schlagartig und schnell bewirkt wird, ohne die Schwungmasse
des zum Stillstand kommenden Rotors des Stellmotors beschleunigen zu müssen.
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Bei Ausfall der Energie werden Stellmotor und Elektromagnet gleichzeitig
stromlos. Der im Ausrücksinn federbelastete Sperriegel des Federspannwerks wird
unter dem Einfluß seiner Auslösefeder in eine Freigabestellung übergeführt; damit
werden die Kräfte der gespannten Federn des Spannwerks freigesetzt und führen zu
einem oft erwünschten schlagartigen Schließen der im obigen Beispiel erwähnten Klappe,
ohne daß es noch notwendig ist, zusätzliche Beschleunigungsarbeit für den Stellmotor
aufzuwenden.
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Da diese Auslöseenergie für den Fall des Ausfalles der Stromversorgung
gespeichert ist, ist es einleuchtend, daß die vorerwähnte, zusätzliche Arbeit für
das jeweilige Spannen einer Feder oder das Heben eines Gewichtes an dem zu verstellenden
Organ nunmehr für den elektrischen Stellmotor entfällt. Das bedeutet, daß der Stellmötor
schwächer ausgelegt sein kann als
das vorerwähnte, mit einer Spezialkugelmutter
ausgestattete Gerät, selbst wenn man in Betracht zieht, daß der Wirkungsgrad dieser
Spezialmuttern als Kugelgewindemuttern oder Rollgewindemuttern höher liegt als der
Wirkungsgrad der normalen Spindelmuttern.
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Spannwerke waren - wie bereits erwähnt - an sich seit langer Zeit
bekannt; sie sind jedoch bislang nicht dazu benutzt worden, in Verbindung mit einem
Stellmotor, einem selbsthemmenden Untersetzungsgetriebe und einem Elektromagneten
als Einrücker für einen im Ausrücksinn federbelasteten Sperriegel zur Sicherung
gegen Stromausfall zu dienen, indem Stellmotor und Elektromagnet von derselben Stromquelle
gespeist werden.
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Aus der Patentschrift 22 740 des Amtes für Erfindungs- und Patentwesen
in Ost-Berlin ist ein Schrittschaltwerk bekannt, dessen Schaltklinke durch einen
Elektromagneten eingerückt und durch eine beim Einrücken gespannte Feder ausgerückt
wird.
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Im übrigen versteht sich die Erfindung in ihrem Aufbau und ihrer Wirkungsweise
sowie ihren praktischen Vorteilen am besten an Hand der nachfolgenden Beschreibung
der in den Zeichnungen wiedergegebenen Ausführungsbeispiele; dabei zeigt F i g.
1 eine schematische Darstellung eines elektromotorischen Verstellgerätes, F i g.
2 einen Achsschnitt durch den auf der Zug-Schub-Stange des Verstellgerätes vorgesehenen
gespannten Energiespeicher, F i g. 3 eine der F i g. 2 entsprechende Darstellung,
wobei der entspannte Energiespeicher in die Sicherheitsstellung gefahren ist, F
i g. 4 eine der F .i g. 1 entsprechende Darstellung mit einer angedeuteten Sicherheitsstellung
in der Gegenbewegungsrichtung; F i g. 5 und 6 zeigen Achsschnitte gemäß den F ig.
2 und 3, jedoch in der entgegengesetzt wirkenden Ausführung; F i g. 7 zeigt eine
Einzelheit von unten; F i g. 8 gibt den Sperriegelanker für sich allein gezeichnet
wieder, und F i g. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Energiespeichers mit
einer Torsionsfeder auf der den Stellhebel lagernden Achse.
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Das in F i g. 1 schematisch dargestellte Elektro-Verstellgerät 1 ist
in einem Drehlager 7 gelagert und treibt einen Stellhebel 5 eines Zwischengestänges
an, der bei 6 gelagert ist und eine - nicht gezeichnete -Bunkerklappe betätigen
soll. Auf der Zug-Schub-Stange 2 des Verstellgerätes 1 befindet sich der geladene
Energiespeicher 3, von dem eine der möglichen Sicherheitsstellungen angedeutet ist.
Bei Ausfall der Energie für das Elektro-Verstellgerät 1 wird gleichzeitig die gespeicherte
Energie des Energiespeichers 3 freigesetzt und bewirkt je nach Auslegung des Speichers
den Lauf des Gabelkopfes 4 in die gestrichelte Sicherheitsstellung »A« (F
i g. 1) oder »B« (F i g. 4).
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In der F i g. 2 .ist eine mögliche Ausführungsform dieses Energiespeichers
3 als Federspeicher dargestellt. Der Energiespeicher wird von dem zylindrischen
Außengehäuse 3, das auf der Schub-Zug-Stange 2 aufgeschweißt ist, aufgenommen. Die
Schub-Zug-Stange 2 besitzt an ihrem Ende eine Gewindebohrung und eine mittels einer
Schraube 15 befestigte kreisrunde Platte 14 als Widerlager. Bei der in F i g. 2
und 3 dargestellten Ausführung bewirkt die Feder 11 bei Ausfall der Energiezufuhr
eine Rückstellung in die Sicherheitsstellung »A «. Die Distanzbüchse 12, die zusammen
mit der Feder 11 innerhalb eines Energiespeichergehäuses 16 untergebracht ist, dient
zur Vorspannhubbegrenzung.
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In den F i g. 4 bis 6 ist eine Anordnung eines Federspeichers dargestellt,
wie sie benötigt wird, um bei Energieausfall die Sicherheitsstellung »B« zu erreichen.
Bewirkt wird dies durch die gespannte Feder B. Die Widerlagerplatte 14 liegt
an der Distanzbüchse 9 an. Abgeschlossen wird das Gehäuse 16 durch eine kreisrunde
Platte, die gleichzeitig den Gabelkopf 4 trägt. Diese Platte ist mittels
der Schrauben 18 mit dem zylindrischen Gehäuse 16 fest verbunden. Der Zusammenbau
des Energiespeichers geschieht, indem zunächst die Distanzbüchsen 9 bzw. 12 und
die Federn 8 bzw. 11 eingebaut werden und dann anschließend der Gabelkopf 4 mit
den Schrauben 18 auf das zylindrische Gehäuse 16 aufgeschraubt wird.
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Um bei Erreichen der gewünschten »A- oder B-Sicherheitsstellung« die
Bewegungsenergie abzufangen, sind Dämpfungsscheiben 13 bzw. 10 aus
elastischem Material 13 für den jeweiligen Ausführungsfall vorgesehen.
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In der F i g. 2 ist der Federspeicher in der geladenen Stellung gezeichnet.
Wichtig ist, daß für jede der beiden Ausführungsformen gleiche Bauteile verwendbar
sind.
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Aus der F i g. 7, die eine Unteransicht des Federspeichers 3 wiedergibt,
erkennt man, daß die an dem Speichergehäuse 16 angesetzten Nocken 19 in einem Führungsschlitz
30 des Außengehäuses 3 gleiten können. Die auf dem Außengehäuse 3 angebrachten Ansätze
20 tragen ihrerseits eine elektromagnetische Sperriegelvorrichtung, die bei Wegfall
des magnetisierenden Stromes für die Spule 22 den Anker 21 mittels der Federn
24 aus der Verriegelung mit den Nocken 19 herauszieht und damit das Gehäuse
16 der jeweiligen Kraftrichtung der eingebauten Federn 11 oder 8 überläßt.
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Der Anker 21 besitzt - wie insbesondere aus der F i g. 8 ersichtlich
ist - zwei seitliche Flügelansätze 21a, die sich zwischen die Aufsatzstücke
20 legen und auf diese Weise verhindern, daß der geladene Energiespeicher
3 eine Relativbewegung gegenüber der Schub-Zug-Stange 2 ausführen kann. Die
andere Bewegungsrichtung wird außerdem durch die Distanzbüchsen 12 bzw.
9 zusätzlich unterbunden. Die Höhe der Aufsatzstücke 20 ist auch bei herausgezogenem
Anker, d. h. bei stromloser Magnetspule 22, so groß, daß die seitlichen Ansätze
21 a noch in der Führung der Aufsatzstücke 20 verbleiben, so daß sich der
Anker 21 selbst, nachdem er die Nocken 19 freigegeben hat, nicht seitlich verdrehen
kann oder etwa mit den Ansätzen 21 a auf die Aufsatzstücke 20 aufsetzen
kann, womit er dann bei Wiederkehr der Spannung daran gehindert werden könnte, wieder
die Verriegelung innerhalb der Nocken 19 einzugreifen.
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Kehrt nämlich die Antriebsenergie nach einiger Zeit wieder, dann braucht
nur das Elektro-Verstellgerät die Schub-Zug-Stange in die Sicherheitsstellung fahren,
wobei der Anker 21 über die Aufgleitflächen der Nocken 19 gleitet und nach Erreichen
der Endstellung einrastet. Auf diese Weise ist der Energiespeicher durch das Elektro-Verstellgerät
wieder geladen und das Elektro-Verstellgerät kann wieder normal arbeiten.
Durch
die Umfassung des Federspeichers 3 durch das zylindrische Außengehäuse 3 wird eine
weitgehende Abdichtung vor Verschmutzung erreicht, und das zylindrische Speichergehäuse
16 kann in seinen Hohlräumen teilweise mit Fett gefüllt werden, um Korrosion zu
vermeiden und gleichzeitig einen leichteren Lauf der Widerlagerplatte
14 an der Innenwandung des Gehäuses 16 zu erreichen.
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In der F i g. 9 ist schließlich eine andere Ausführungsform eines
Federenergiespeichers dargestellt. Der mit 5 bezeichnete Stellhebel besitzt bei
dieser Ausführungsform einen mit ihm parallel zwanglaufenden und die gleiche Bewegung
ausführenden Widerlagerhebel 25. Der Stellhebel s ist auf einer Welle 6 verkeilt
und mit dem Widerlagerhebel 25 über eine elektromagnetische Kupplungsanordnung 26,
27 kraftschlüssig verbunden. Eine weitere kraftschlüssige Verbindung zwischen der
Welle 6 und dem Widerlagerhebe125 wird über eine als Energiespeicher dienende Torsionsfeder
28 bewirkt, die sich bei 29 an einem mit der Welle 6 fest verbundenen Bauteil abstützt.
Während Stellhebel 5 mit dem elektrischen Verstellgerät 1 verbunden ist, ist der
Widerlagerhebel25 mit dem durch das Elektro-Verstellgerät zu betätigenden Teil,
z. B. einer Bunkerklappe, verbunden.
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Bei Energieausfall wird die elektromagnetische Kupplung 26, 27 entregt
und durch Federkraft auseinandergedrückt, so daß der Kupplungsteil 27, der
frei auf der Welle axial beweglich und drehbar ist, über den Widerlagerhebel durch
die Torsionsfeder 28 in die gewünschte Sicherheitsstellung »A« oder
»B«
gefahren wird. Nach Rückkehr der Energieversorgung kann genau wie bei
dem Energiespeicher gemäß F i g. 1 bis 6 das Elektro-Verstellgerät in die »A- oder
B-Stellung« fahren, die Kupplung wird wieder erregt, und die kraftschlüssige Verbindung
zwischen den Hebeln 5 und 25 ist wiederhergestellt, wobei gleichzeitig die Torsionsfeder
28 gespannt wird.
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Da die elektromagnetische Kupplungsanordnung 26, 27 immer nur entweder
im geschlossenen oder - bei Stromausfall - im geöffneten Zustand betrieben wird,
ist ein Verschleiß dieser Kupplung praktisch nicht vorhanden, und sie kann in bekannter
Weise als Klauenkupplung ausgebildet werden und damitsehr große Drehmomente übertragen,
ohne preislich teuer zu werden.
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Da außerdem die vorbeschriebenen Federspeicher elektromagnetisch ausgelöst
werden, ist es ohne weiteres möglich, diese Auslösung und den Lauf des anzutreibenden
Teiles in die gewünschte Sicherheitsstellung jederzeit willkürlich auch bei weiterbestehender
Energiezufuhr auszulösen, indem die Erregung der Magneten unterbrochen wird.
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Die beschriebenen Kupplungs- und Magnetanordnungen, die bei Stromausfall
die Auslösung des Energiespeichers bewirken, haben den Vorteil, daß sie selbst automatisch
auf ihre Funktionsfähigkeit überwacht werden und bei Defektwerden ihrer elektrischen
Teile ebenfalls den Lauf in die Sicherheitsstellung des anzutreibenden Gerätes,
beispielsweise der Bunkerklappe, veranlassen.
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Außer den beschriebenen Federenergiespeichern lassen sich für den
vorgesehenen Zweck auch andere Energiespeicher mit Vorteil einsetzen. In der Praxis
wird man den Federspeicher so ausbilden, daß er den Erfordernissen entsprechend
nur für die eine oder die andere Rückstell-Bewegungsrichtung zu benutzen ist.
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Es ist auch möglich, statt der Federn in dem Gehäuse 16 eine Energiespeicherung
durch Hydraulikflüssigkeit oder durch Gase, die vorgespannt sind, vorzunehmen. Es
ist bekannt, daß hydraulische Verstelleinrichtungen teleskopartig arbeiten und aus
mehreren ineinanderlaufenden Rohren oder Zylindern bestehen. Wählt man diese Anordnung
für den Energiespeicher 3, dann ist es durch teleskopartige Anordnung möglich, bei
Energieausfall über die druckgespeicherte Flüssigkeit auch lange Schließwege zu
bewältigen. Das gleiche gilt auch bei der Benutzung von gespannten Gasen. Diese
Anordnungen sind trotzdem energiesparend, weil die gespannten Gase nur für den Fall
des Energieausfalles benötigt werden, während für den Normalbetrieb die billigere
und weniger störanfällige elektrische Energie verwendet wird.
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Eine besonders interessante Anwendungsmöglichkeit bietet der auf der
Schub-Zug-Stange 2 angeordnete Energiespeicher 3, wenn man ihn nicht mit Federkräften
betreiben würde, sondern über einen angebauten Elektromagneten, der als Schlagbolzen
ausgebildet sein könnte und eine Explosivladung zündet, die dann einen schlagartigen,
unverzögerten Schließvorgang bewirkt. Dies ist z. B. für Atomreaktoranlagen von
Interesse. Zweckmäßig würde durch die Freigabe des durch Federkraft herausgezogenen
Sperriegels 21 dieser Schlagbolzen, der in das Gehäuse 16 hineingreift, ausgelöst
und die Ladung zur Entzündung gebracht.
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Es ist aber auch möglich, den Sperriegel 21. unmittelbar als Schlagbolzen
selbst auszubilden, in dem die Federwirkung umgekehrt wird und der Schlagbolzen
in das Innere des Gehäuses 16 hineinschlägt, die Ladung zur Entzündung bringt und
bei der Explosion selbst abgeschert wird und nach Wiederkehr der Energieversorgung
durch ein neues Bauteil ersetzt wird. Auch in diesem Fall würde eine teleskopartige
Anordnung von ineinandergreifenden Zylindern beliebig lange Schließwege erlauben.
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Es versteht sich, daß das Gehäuse 16 mit Überdruckventilen od. dgl.
versehen sein kann, aus denen der Überdruck, der durch die Explosion stattfindet,
schließlich entweichen kann, nachdem der Schließvorgang beendet ist.
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Es ist im Gegensatz zu dieser Ausführungsform auch möglich, eine sehr
langsame und sanfte Schließbewegung zu erreichen, wenn statt der Feder stoßdämpferartige
Anordnungen, beispielsweise Luftpolster, vorgesehen werden. Es ist auch möglich,
statt einer Rückstellfeder mehrere solcher Federelemente vorzusehen, um höhere Schließkräfte
und längere Schließwege zu erreichen. Bei dieser Mehrfachanordnung von Federelementen
könnte man eine Teleskopanordnung wählen, die einerseits längere Schließwege ergibt,
und anderseits eine Abstufung der wirksamen Federkräfte über den Schließweg ergibt.
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Alle diese vorerwähnten Möglichkeiten der Ausbildung von Energiespeichern
haben den Vorteil, daß sie billiger sind als die eingangs erwähnten Verstellgeräte
mit Spezialkugelumlaufgewinden oder Rollgewindespindehnuttern, für deren Herstellung
höchste Präzision notwendig ist, um die gewünschten niedrigen Reibungswerte und
hohen Wirkungsgrade zu erreichen, um den Lauf in die gewünschte Sicherheitsstellung
zu erzielen.