DE1946808A1

DE1946808A1 - Vorrichtung zum Abdichten eines hydrostatisch gelagerten Kolbens gegenueber einer Zylinderwand

Info

Publication number: DE1946808A1
Application number: DE19691946808
Authority: DE
Inventors: Kraakman Hillebrand J Josephus
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1968-09-18
Filing date: 1969-09-16
Publication date: 1970-03-26
Also published as: CH506006A; GB1284774A; DK124220B; BE739013A; FR2018344A1; JPS505788B1; SE348800B; US3589247A; DE1946808B2; NL6813304A

Description

. 3488.

wn/RV.

■Ing. F.-J. KIJPFERMANN

Palentanwnlt

= M V Philips' Gtoeilompeniabr'rJ.r.u
■Akte do. PHN- 3488

15. Sept. 1969

"Vorrichtung zum Abdichten eines hydrostatisch gelagerten KoIbena gegenüber einer ZyIinderwand''.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Abdichten eines hydrostatisch gelagerten Kolbens.· gegen die Wand eines beidseitig geschlossenen Zylinders, wobei auf beide Kolbenboden ein Flüssigkeitsdruck steht und der Kolben an mindestens einer Seite mit einer Nutaarbeit leistenden Kolbenstange versehen ist, die ebenfalls hydrostatisch gelagert durch einen Zylinderdeckel aus dem Zylinder geführt wird) und bei der dor Kolben am Umfang mit mindestens zwei Nuten versehen ist« von denen die erste in der Nahe desjenigen Kolbenbodens liegt, an den die Nutzarbeit leistend« Kolbenstange befestigt ist, und die zweite Nut in dor Nähe des anderen Kolbenboden» liegt»

Besonders bei Werkzeugmaschinen! wie Drehblnken, PrIs-

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maschinen, Schleifmaschinen u.dgl. mit denen extrem genaue Teile mit optisch reinen Flächen hergestellt werden müssen, bietet es oft Vorteile, einen linearen Motor zu Verschiebung und/oder Lokalisierung des zu be ar be it ende η Teils und/oder des Werkzeuges, a.B. des Meisseis, der Fräse oder des Schleifsteine zu verwe.iden. Meistens wird die Rotation eines Transportraotors über ein Sohraubengetriebe in eine lineare Bewegung umgewandelt, wodurch dann Fehlerquellen in Erscheinung treten, die zu unzulässiger Massgenauigkeit und Rauheit des zu bearbeitenden Werkstückes führen. Ausserdem sind fast immer Unebenheiten »durch die Steigung der Schraubenspindel auf dem Werkstück erkennbar. Ferner ergeben sich durch sehr kleine Abfluchtungsfehler periodisch auftretende störende Kräfte in der Maschine, die auf der zu bearbeitenden Oberfläche dee Werkstückes sichtbar sind. Wenn jedoch hOhere Anforderungen gestellt werden, wie eine Kasstoleran* von 0,1 μα und eine Istrauhtiefe innerhalb -? ru > ca* O₁CI um, so lassen sich diese Qualitätsforderungen mit einem Schraubenspindelantrieb nicht erfüllen· Ein Antrieb durch eine Kolben-Zylinderkombination ist dann die geeignete Lösung. Beim Abdrehen parabolischer Spiegel aus Metall hat sich beispielsweise herausgestellt, dass bei einem Kolben-Zylinder-™ antrieb die Lichtreflexion um 20 °ß> höher ist als bei einem Schraubenspindelantrieb des Werkstücks una/oder des spanhebenden Werkzeugs, selbst wenn für die genaue Arbeitsweise des Schraubenspindelantriebe Sondermasenahraen getroffen werden. Mit einer derartigen Kolben-Zylinderkombination lässt sich eine konstante Kolbengeschwindigkeit mit Geschwindigkeitsabweichungen innerhalb 0,1 $ erzielen, wenn

1* der Zylinderdurchmesaer an jeder Stelle seines Querschnitts gleich ist;

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2* der Speieedruck der Fttssigkait auf den Kolben und die

Suesere Belastung konstant bleiben» und

3* der Leokstroa am Kolben entlang konstant und so klein wie nur oOglich ist·

Die unter 2 genannt« Bedingung läset eich, ziemlich einfach erfüllen; die Bedingungein unter 1 und 3 lassen sich jedoch schwieriger verwirklichen, da dl· dynamisch· Abdichtung des Kolbens gegen die ganze Zylinderwand die Laufeigenschaften des Kolbens nicht beeinflussen darf·

Sie Erfindung schafft nun eine Lösung für das Problem der guten Abdichtung des Kolbens und ist dadurch gekennzeichnet, dass in des hydrostatisch gelagerten Kolben ein kontinuierlich verstellbares Element vorhanden ist, wodurch bei jeder Kolbenlage in der zweiten Nut ein Flüssigkeitsdruck auftritt, der dem Flüssigkeitsdruck im Raun zwischen dea in der NKhe dieser Nut liegenden Kolbenboden und dem ihm gegenüberliegenden Zylinderdeckel nahezu entspricht, und die Lage des Elementes ausschliesslich durch einen auf das Element ausgeübten Fluss igkei te druck tx»stiarat wird, der dem Flüeeigkeitedruckunterschied «wischen den an beiden Kolbenboden anschiieseenden Räumen entspricht*

Nach einer'Ausführungsform der Erfindung werden die Lagerung und die Abdichtung noch dadurch verbessert, wenn zwischen den Nuten im Kolbenumfang eine Anzahl Kammern geringer Tiefe vorhanden ist, die durch je einen nut einem festen Widerstand versehenen Kanal mit dem Raum zwischen den Kolbenboden mit der darauf befestigten Nutzarbeit leistenden Kolbenstange und dem diesen gegenüberliegenden Zylinderdeckel verbunden sind, wobei diesem Raum die Flüssigkeit, die den

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Kolben bewegt) unter Druck zugeführt wird.

Eine weitere Verbesserung der Abdichtung wird dadurch erhalten, wenn nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ein Kanal zwischen der ersten Nut und einem ausserhalb des Zylinders liegenden Raum vorhanden ist, in dem ein Druck herrsoht, der kleiner ist als der auf den Kolben ausgeübte Flüssigkeitsdruck und vorzugsweise dem atmosphärischen Druck entspricht) wobei in dem Kanal ein

Widerstand vorhanden ist, der sich durch die Bewegung dee Elementes

einstellen lässt·

fc Eine einfache Ausbildung dieses Elementes wird dadurch

erhalten, wenn dieses Element nach einer weiteren Ausführungeform der Erfindung aus einem im Kolben flussigkeitsdicht befestigten einseitig abgeschlossenen Zylinder mit drei darin beweglichen miteinander fest verbundenen und in einem Abstand voneinander liegenden Kolben besteht, wobei die Verbindungestangen zwischen den einzelnen Kolben einen kleineren Durchmesser haben als die Kolben, und die

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Zylinderwand eine etwa radial laufende Öffnung enthalt, die sich einerseits an den Kanal der ersten Nut anschließet und andererseits in eine zwischen zwei Kolben liegende Kammer mündet, und die Kammer ™ durch ein durch die Bewegung des Kolbengefüges einstellbares AusstrSmungetor, das den einstellbaren Widerstand bildet, mit einer ringförmigen Kammer in der Innenwand des Zylinders verbunden ist, und wobei der Umfang des mittleren Kolbens eine Wand dieser Kammer bildet, während die Kammer immer und unabhängig von der Lage der Kolben mit demjenigen Raum, in dem ein niedrigerer Druck herrscht als der Arbeitsdruck, verbunden ist*

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wodurch ein einfacher und zweckdienlicher Druckaufbau in der zweiten Nut

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und eine genaue Eineteilung der drei Kolben erhalten wird,bildet ein Boden eines äusseren Kolbens des Elementes eine Wand einer Kammer, in die der Kanal der zweiten Nut mündet, während der Boden des anderen Susseren Kolbens in einer Kammer liegt, die durch einen offenen Kanal mit demjenigen Raum verbunden ist, der einerseits durch den Kolbenboden, an der die Nutzarbeit leistende Kolbenstange befestigt ist, und andererseits durch einen Zylinderdeckel begrenzt wird, und wobei in der letztgenannten Kammer der Arbeitsdruck herrBcht.

Ein AusführungsbeiBpiel der Erfindung ifct ir. der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben*

In der Zeichnung ist mit 1 ein Zylinder angegeben, der mit zwei Zylinderdeckeln 2 und 3 versehen ist. Der Zylinderdeckel 2 enthalt eine FlüssigkeitsabfOhrungsöffnunt; 4 und eine Flüseigkeitszuführungsöffnung 51 die mit einem in der Zylinderwand vorhandenen Kanal 6 verbunden ist· Dieser Kanal 6 schließet sich wieder an einen Kanal 7 im Deckel 3 an*

Im Zylinder liegt ein Kolben 8 mit einer daran befestigten Kolbenstange 9> die durch den Deckel 3 hindurch hinausgeführt ist· Sowohl der Kolben 8 als auch die Stange 9 sind hydrostatisch gelagert; die Lagerung des Kolbens 8 wird näher beschrieben·

In der Nähe des Bodens 10 des Kolben« 8 ist am Kolbenumfang eine ringförmige Nut 11 vorhanden· In der Nähe der Endfläche 12, an der die Stange 9 befestigt iat, liegt am Kolbenumfang eine entsprechende ringförmige Nut 13·

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Der Kolben enthält einen durch eine Öffnung 16 in den Kolben

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eingeführten Zylinder 14· Die Öffnung ist nach dem Einführen des Zylinder β durch eine Abdeckplatte 1J> verschlossen worden· Ein Ende 17

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dee Zylinders hat einen etwas kleineren Aussen-Durchmesser, so dass hier eine Kammer 18 entsteht, die durch einen Kanal 15 mit der Nut verbunden ist. Weiter ist im Zylinder eine Öffnung 20 vorhanden, die durch einen Kanal 21 mit der Nut 13 verbunden ist. Das gegenüberliegende Ende 17 des Zylinders, hat einen kleineren Innendurchmesser 22. Perr.or hat der Zylinder 14 in der Innenwandung eine Kammer 23» die durch einen Kanal 24, der durch die Kolbenstange hindurch geht, mit der Aussenluft verbunden ist.

Im Zylinder 14 liegen somit drei Kolben 2i>, 26 und 271 von

^ denen die Kolben 25 und 26 denselben Durchmesser haben, während der Kolben 27? der im Zylinderteil 22 mit einem kleineren Innendurchmesser liegt, einen entsprechenden kleineren Durchmesser hat als die Kolben 2> und 26. Die Kolben 25 und 26 sind durch eine Stange 28 feet miteinander verbunden; die Kolben 26 und 27 durch eine Stange 29· Ee dürft« einleuchten, dass zwischen den Kolben auf diese Weise Kammern gebildet werden. Diese Kammern sind mit 30 und 31 bezeichnet. Der Kolben 26 hat an seinem Umfang mindestens eine V-fSrmige endende Vertiefung

Am Umfang des Kolbens δ liegen weiter zwischen den Ringnuten 11 und 13 eine Anzahl Kammern 33 geringer Tiefe, die durch

w je einen Kanal 34 mit eingebautem festen Widerstand 35 Bit äem Raum zwischen der Kolbenendfläche 12 und dem Deckel 3 verbunden sind. In diesen Raum mündet auch der Kanal 7. Weiter hat der Deckel 3 einen in den Zylinder 1 hineinragenden verlängerten Teil, in dem eine (nicht dargestellte) Vorrichtung vorhanden ist, mit der die Kolbenstange hydrostatisch gelagert und gewünechtenfalls eingeklemmt werden kann.

Obsohon die dargestellte Vorrichtung viele Anwendungen

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haben kann, eignet sie sich insbesondere sum Gebrauch bei einer Drehbank für äutsserst feine Bearbeitungen, wobei beispielsweise eine Masstoleranz von 0,1 μΐη und eine Oberflächengüte mit eine Rauhtiefe der bearbeiteten Oberfläche von — ru - ca· 0,01 um gefördert wird. An der Endfläche der Kolbenstange 9 kann beispielsweise ein Diaaantaeissel cdar der zu bearbeitende Gegenstand befestigt werden* Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende· Durch die Öffnung 5 wird Flüssigkeit unter Druck, bei-

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cpielsweiue Cl, über die Kanäle C und 7 tie an die rechte Seitenfläche des Kolbens in den Raum B gebracht· Der Druck betrug bei einer nach der Erfindung ausgebildeten Zylinder- Kolbenkombination ca· 40 atu.

Das 01 kann den Raum B wieder durch eine Ausnehmung 36 in Kolben und einen Kanal 37 in der Kolbenstange verlassen· Hii.ter dem Kolben

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im Rau« A wird 01 unter Druck durch eine Öffnung 4 zugeführt· Es dürfte einleuchten, dass die Lage des Kolbens nur durch den Druckunterschied vor und hinter deai Kolben und der GrBsse der Oberflächen, auf welche diese Drücke arbeiten bestimmt wird. Durch eine Druckänderung beispielsweise in A kann eine rein lineare Kolbenbewegung erhalten werden· Aber, die Geschwindigkeit des Kolbens kann nur konstant sein, wenn die obengenannten Bedingungen erfüllt werden, wobei die zweite Bedingung sich auf einfache Weise erfüllen lässt, die Bedingungen 1 und 3 jedoch nicht· Ohne Sondercaaenahmen können Geschwindigkeitsänderungen von 1 bis 2 % entstehen, während jedoch nur eine Geschwindigkeitsänderung von 0,1 S zulässig ist* Was die erste Bedingung angelangt ist dafür Sorge zu tragen, dass bei einem Zylinderdurchmesser von 80 mm die Abweichungen im Durchmesser höchstens nur 4 μα sein dürfen· Durch die unterschiedlichen Druokpegel im

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Zylinder bei einem Speisedruok von 40 attl treten durch die Verformung des Zylinders, unterstützt durch Bearbeitungefehler in der Innenoberfläche schon bald Durchmesseränderungen von 10 μω auf. Dies zu verhindern lassen sich Konstruktionsmassnahmen treffen, auf welche in diesem Zusammenhang nicht näher eingegangen wird· Auch dürfen, wie bereite erwähnt, die Laufeigenschaften des Kolbens durch die Kolbenabdichtung nicht beeinflusst werden·

Nun herrscht in der Ringnut 11 der mittlere Lagerkammer— druck, der somit auch über den Kanal 19 in» Raum 18 hinter dem Kolben _ des Ventile steht. Auf den Kolben 2? arbeitet der Speisedruck. Die

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Ringnut 13 ist, wie gesagt, durch den Kanal 21 und die Öffnung 20 mit dem Raum 30 zwischen den Kolben 25 und 26 verbunden. Die Flüssigkeit in diesem Raum übt keine Kraft auf die Kolbenkombination 25, 26, 27 aus. Der Druck der Flüssigkeit in der Ringnut 13 wird durch die

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Öffnung des AusstrOmungstors geregelt, die duroh die Vertiefung 32 und die Kammer 23 gebildet ißt. Das Ausströmungstor bildet einen Widerstand, dessen Grosse von der Einstellung der Kolbenkombination 2ti 26, 27 la Zylinder 14 abhängig ist.

Wenn keine aus sere "Belastung auf die· Kolbenstange ° wirkt, ψ und. der Kolben 8 sich in eix.eis Olfci ohgewichtszustand befindet, wird

der Druck der Flüssigkeit irr. Raun A in eineo festen Verhältnis zuo Druck der Flüssigkeit im Raun B stehen. Dieses Verhältnis wird durch die Grosse der Oberflächen 10 und 12 des PCclbens 8, auf den die Flüssigkeit .im Raum A und B arbeitet, bestimmt·- Wenn nun die grössender Oberflächen der Kolben 25 und 2? des Ventils ir. desgleichen Verhältnis zu einander stehen, wird die Kolbenkoabination 25, 26, 27 eine Gleichgewichtslage einnehmen, wobei der Flüssigkeitsdruck im Kaum 18 dem

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Druck im Raum A entsprechen muss· Der Flussigkeistdruck im Raum 18 herrecht auch in der Ringnut 11 und der Druck an der Ringnut 11 entspricht wieder dem Druck in den Lagerkammern 33· Somit wird in den Lagerkammern 33 auch ein Druck herrschen, der dem Druck im Raum A entspricht· In der Gleichgewichtslage des Kolbens 8 und des Ventils tritt also kein Heglecken aus dem Raum A über den Kolben auf· Sollte nun beispielsweise der Druck in den Lagerkammern aus irgendeinem Grund sinken, so wird auch der Druck in der Ringnut 11, (der dem Lagerkammerdruck entspricht) und in der Kammer 18 niedriger· Die Kolbenkombination 25» 26, 27 bewegt sich dann nach links. Dabei wird das Ausströmungstor, das durch die Vertiefung 32 und die Kammer 23 gebildet ist, kleiner und der Widerstand für die duroh den Kanal 21 strömende Flüssigkeit grosser, wodurch also der Druck in der Ringnut ansteigt· Damit steigt auch wieder der Druck in den Lagerkammern 33 an und die Kolbenkombination 25, 26, 27 nimmt somit wieder eine Gleichgewichtslage ein, wobei der Druck in den Lagerkammern 33 dem Druck im Raum A entspricht· Das Regelventil sorgt also dafür, dass bei einer äusseren Belastung der Kolbenstange 9 gleich Null, kein Weglecken aus dem Raum A über den Kolben 8 auftritt.

Falls eine äussere Kraft auf die Kolbenstange 9 arbeitet wird der Druck im Raum A dem Druck in den Lagerkammern 33 nicht entsprechen· Die äussere Belastung ist ,je do ca beispielsweise bei geringer Spanabhebung mit der angegebenen grossen Genauigkeit sehr klein und ausserdem konstant. Ee wird daher nur eine sehr geringe und konstante Leckströmung vom Raum A am Kolben 8 entlang auftreten, so dass keine ungleichförmige Geschwindigkeit des Kolbens 8 entstehen wird.

Die dritte Bedingung wird somit erfüllt: denn die Leck-

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strömung am Kolben entlang ist konstant und so klein wie möglich. Damit braucht aber auch der ersten Bedingung nicht mehr eine entscheidende Bedeutung beigemessen werden; denn UnregelmSssigkeiten im Zylinderdurchmesser werden durch die Druckregelung dadurch ausgeglichen, dass am Kolben entlang die Leckströmung konstant und 30 gering wie nur möglich bleibt.

Es fällt auf, dass die Stelle, an der der Druck gemessen wird (hinter dem Kolben 25) von der Stelle, an der der Druck geregelt ^ wird (Vertiefung 32, Kammer 23) getrennt ist. Die Flüssigkeit, deren Druck geregelt werden muss (in Kammer 18) strömt nicht· Die Flüssigkeit, die durch den Kanal 21 strömt und mit der geregelt wird, ist vom Druck in der Kammer }} abhängig; sie übt keine Kraft auf die Kolbenkombination 25, 26, 27 aus. Dadurch wird eine sehr günstige Fehler vermeidende Wirkung des Regelventils erhalten·

Auch bei eingeklemmter Kolbenstange 9 ist die beschriebene Vorrichtung äusserst wichtig, da eine konstante Stellung des Kolbens mit einer zulässigen Abweichung innerhalb eines Bereiches von beispielsweise 0,1 iim niemals nur durch Einklemmung gewahrleistet werden P kann. Dies ist bei Anwendung des Regelventils jedoch möglich.

Die Vorrichtung ist bei Werkzeugmaschinen für äusserst genaue Bearbeitungen verwendbar, wie bei Präzisionsdrehbänken, Fräsmaschinen und Schleifmaschinen, aber auch in anderen Bereichen der Technik ist sie anwendbar. Dabei wird insbesondere auf Mikrotome, Elektronenmikroskope, Messanordnungen u. dgl· verwiesen.

Es dürfte klar sein, dass der Kolben auch auf beiden Seiten mit einer Kolbenstange versehen werden kann, wobei die zweite Kolbenstange beispielsweise für eine zusätzliche Zentrierung des Kolbens dienen oder ebenfalls Arbeit leisten kann·

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Claims

PATENTAN SPRÜCHE:

1. ) Vorrichtung zum Abdichten eines hydrostatisch gelagerten

Kolbens gegen die Wand eines beidseitig geschlossenen Zylinders, wobei auf beide Kolbenboden ein Flüssigkeitsdruck steht und die Kolben an mindestens einer Seite mit einer Nutzarbeit leistenden Kolbenstange versehen ist, die ebenfalls hydrostatisch gelagert, duroh einen Zylinderdeckel aus dem Zylinder hinausgeführt wird, und bei der der Kolben am Umfang mit mindestens zwei Nuten vereehen ist, von denen die erste in der Nähe des jenigen Kolbenbodens liegt, an dem die Nutzarbeit leistende Kolbenstange befestigt ist, und die zweite Nut in der Nähe des anderen Kolbenbodens liegt, dadurch gekennzeichnet, das* im Kolben ein kontinuierlich verstellbares Element vorhanden ist, wodurch bei jeder Kolbenlage in der zweiten Nut ein Flüssigkeit«druck auftritt, der dem Flüssigkeitsdruck im Raum zwischen den in der Nähe dieser Nut liegenden Kolbenboden und dem ihxn gegenüber liegenden Zylinderdeckel nahezu entspricht, und die Lage des Elementes ausschlieBslich durch einen auf das Element ausgeübten Flüssigkeitsdruck bestimmt wird, der dem FlussigkeitsdruckunterBchied zwischen den an beiden Kolbenboden ausschliessenden Räumen entspricht·

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass

zwischen den beiden Nuten im Kolbenumfang eine Anzahl Kammern geringer Tiefe vorhanden iet, die durch je einen mit einem festen Widerstand versehenen Kanal mit de?. Kaum zwischen den Kolbenboden mit der daran befestigten Nutzarbeit leistenden Kolbenstange un dem diesen gegenüberliegenden Zylinderdeckel verbunden sind, wobei diesem Raum die Flüssigkeit, die den Kolben bewegt, unter Druck zugeführt wird· 3* Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

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zwischen der ersten Nut and einem ausserhaib des Zylinders liegenden Raum ein Kanal vorhanden, ist, in dem ein Druck herrscht, der kleiner ist ale der auf den Kolben ausgeübte Flüssigkeitsdruck und vorzugsweise dem atmosphärischen Druck entspricht, wobei in dem Kanal ein Widerstand vorhanden iBt, der sich durch die Bewegung des Elementes einstellen lässt·

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Element aus einem im Kolben flüssigkeitsdicht befestigten,einseitig abgeschlossenen Zylinder mit drei darin beweglichen miteinander fest verbundenen und in einem Abstand voneinander liegenden

P Kolben besteht, wobei die Verbindungsstangen zwischen den einzelnen Kolben einen kleineren Durchmesser haben als die Kolben, und die Zyli.iderwand eine Öffnung hat, die sich einerseits an den Kanal der erßten Nut anschliesst ana. andererseits in eine zwischen zwei Kolben liegende Kammer mündet, welche Kammer durch ein durch die Bewegung des KolbengefUges einatelbares AusBtrömungstor, das den einstelbaren Widerstand bildet, mit einer ringförmigen Kammer in der Innenwand des Zylinders verbunden ist, und wobei der Umfang des mittleren Kolbens eine Wand dieser Kammer bildet, während die Kammer immer und

^ unabhängig von der Lage der Kolben wit dec jenigen Raum, in dem ein niedrigerer Druck herrscht als der Arbeitsdruck, verbunden ist.

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Vorrichtung naoh Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass

ein Boden eines Susseren Kolbens des Elementes eine Wand einer Kammer bildet, in die der Kanal der zweiten Nut raündet, während der Boden dee anderen äusseren Kolbens in einer Kammer liegt, die durch einen offenen Kanal mit dem jenigen Raum verbunden ist, der einerseits durch den Kolbenboden , an der die Nutzarbeit leistende Kolbenstange befestigt ist, und andererseits durch einen Zylinderdeckel begrenzt wird, und wobei'in der letztgenannten Kammer der Arbeitsdruck herrscht.

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