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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Endlagendämpfung des
Kolbens eines fluidischen Arbeitszylinders, mit Mitteln, die vor
Erreichen der mechanisch vorgegebenen Kolbenendlage unter Mitwirkung
einer zur Energieanpassung dienenden Druckreguliereinrichtung ab
einer bestimmten Dämpfungsposition
des sich in einer Richtung bewegenden Kolbens einen Druckanstieg
in der abströmseitigen Zylinderkammer
hervorrufen, so dass der sich zuvor ungedämpft bewegende Kolben zwischen
der Dämpfungsposition
und der Kolbenendlage eine Dämpfungsstrecke
durchläuft,
in der er bis zum Stillstand abbremsbar ist, wobei die den Druckanstieg
hervorrufenden Mittel wenigstens einen Abströmkanal und wenigstens einen
Dämpfungskanal
aufweisen, die jeweils mit der abströmseitigen Zylinderkammer verbunden
sind, wobei der Abströmkanal
bei Erreichen der Dämpfungsposition
des Kolbens von diesem oder einem mit diesem verbundenen Bauteil
abgesperrt wird, so dass das weitere Ausströmen des Fluids nur noch über den
Dämpfungskanal
erfolgen kann, dem die Druckreguliereinrichtung zugeordnet ist,
und wobei die Druckreguliereinrichtung wenigstens ein Überdruck ventil
aufweist, mit einem Ventilglied mit Dichtfläche, die über ein Federelement mit einer
Vorspannung b gegen eine Ventilsitzfläche eines Ventilsitzes in einer
Schließstellung
des Überdruckventils
in Anlage gehalten wird.
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Aus
der
DE 196 37 297
C2 ist eine Vorrichtung zur Endlagendämpfung der eingangs erwähnten Art
bekannt, bei der die Dämpfungswirkung
entweder gemäß einer
ersten Alternative auf einer einstellbaren Drosselstelle oder gemäß einer
zweiten Alternative auf der Wirkung eines Überdruckventils basiert. In
dieser Druckschrift ist erwähnt,
dass es schwierig ist, eine Einstellung für die Druckreguliereinrichtung zu
finden, bei der der Kolben sanft aperiodisch abgebremst wird und
bei Erreichen der Kolbenendlage kein Überdruck mehr in der abströmseitigen
Zylinderkammer herrscht, so dass der Kolben keine Bewegungsumkehr
erfährt.
Daher ist, um dies zu erreichen, zusätzlich zu den den Druckanstieg
hervorrufenden Mitteln ein Entlüftungsventil
vorhanden, das mit der abströmseitigen
Zylinderkammer in Wirkverbindung steht. Dieses Entlüftungsventil
besitzt einen Betätigungsstößel, der
die Kolbenendlage vorgebende Anschlagfläche überragt. Wenn der Kolben in
die Endlage einfährt,
läuft er
auf den Betätigungsstößel auf,
wodurch das Entlüftungsventil
in die Entlüftungsstellung
geschaltet wird. Dadurch kann das noch in der abströmseitigen
Zylinderkammer eingeschlossene Druckmedium schlagartig über einen
Entlüftungskanal
entweichen. Dadurch werden Nachschwingungs- bzw. Rückpralleffekte
des Kolbens vermieden.
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Um
die vorgenannten Effekte zu vermeiden, ist also eine Kombination
von Überdruckventil
und Entlüftungsventil
bzw. Drosselstelle und Entlüftungsventil
notwendig.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Endlagendämpfung des
Kolbens eines fluidischen Arbeitszylinders der eingangs erwähnten Art zu
schaffen, die einfach aufgebaut ist und mit der die Dämpfung des
in die Endlage einfahrenden Kolbens auch bei veränderten Betriebsbedingungen
einfach und zuverlässig
möglich
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Endlagendämpfung des
Kolbens eines fluidischen Arbeitszylinders mit den Merkmalen des
unabhängigen
Anspruchs 1 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zeichnet sich dadurch aus, dass die Dichtfläche des Ventilglieds und die
damit kooperierende Ventilsitzfläche des
Ventilsitzes derart aufeinander abgestimmt sind, dass beim weiteren
Ausströmen
des Fluids über
den Dämpfungskanal
infolge des in der abströmseitigen Zylinderkammer
vorherrschenden Druckes P zwischen dem Ventil sitz und dem Ventilglied
ein Auslassquerschnitt A mit der Funktion A = (P ± b)2 gebildet wird, wobei 1 ≤ z ≤ 4 gilt.
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Dadurch
ist es möglich,
das durch die Bewegungsenergie komprimierte, abströmende Fluid
eines Zylinderantriebs in einem internen oder auch externen Dämpfungsvolumen
so zu dosieren, dass der Kolben die Kolbenendlage in einer kontinuierlich
verlangsamten Abbremsbewegung stoßfrei erreicht. Nachschwingungs-
bzw. Rückschwingungseffekte werden
dadurch vermieden.
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Der
Auslassquerschnitt folgt also der Funktion A = (P ± b)2, wobei diese Funktion auch als progressives Öffnungsgesetz
bezeichnet werden könnte.
Der Auslassquerschnitt A ist also druckabhängig, wodurch auch von einer
druckabhängigen
Verstellung des Überdruckventils
gesprochen werden kann. Dadurch funktioniert die Vorrichtung zur
Endlagendämpfung
in einem weiten Anwendungsbereich selbsteinstellend und gewährleistet
auch bei veränderten
Betriebsbedingungen ein vergleichsweise robustes Dämpfungsverhalten.
Das Überdruckventil kann
auch als Drosselventil bezeichnet werden, da im Falle, dass die
Dichtfläche
vom Ventilsitz abgehoben ist, ein Drosseleffekt des abströmenden Fluids stattfindet.
Das Überdruckventil
besitzt also eine druckgesteuerte Drosselcharakteristik.
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In
besonders bevorzugter Weise handelt es sich hierbei um eine nichtlineare
Drosselcharakteristik, die durch die Funktion A = (P ± b)2 gebildet wird, wobei 1,4 ≤ = z ≤ = 3,6, gilt.
In besonders bevorzugter Weise gilt 2 ≤ = z ≤ = 3.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist die Ventilsitzfläche des
Ventilsitzes ringförmig
ausgestaltet und im Querschnitt konvex ausgebildet.
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In
bevorzugter weise verbreitert sich die Dichtfläche des Ventilgliedes in Ausströmrichtung des
Fluids. Beispielsweise kann die Dichtfläche im Querschnitt konkav ausgebildet
sein. Es können
also eine konvex ausgebildete Ventilsitzfläche und eine konkav ausgebildete
Dichtfläche
miteinander kooperieren.
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Alternativ
ist es jedoch auch möglich,
andersartige Geometrien zu verwenden, die die Funktion A = (P ± b)2, mit 1 ≤ =
z ≤ = 4 erfüllen, beispielsweise
die Dichtfläche
konisch bzw. als Kegelfläche auszubilden,
während
die Ventilsitzfläche
als damit kooperierende Hohlkegelfläche ausgebildet sein kann.
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Besonders
bevorzugt ist der Dichtfläche
des Ventilglieds ein zapfenartiger Kopfabschnitt vorgelagert. Insbesondere
ist dieser Kopfabschnitt nach Art einer Kugelkappe ausgestaltet. Prinzipiell
sind jedoch auch andere Kopfabschnitts-Geometrien denkbar.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung weist der Arbeitszylinder ein
Zylindergehäuse
auf, das zumindest einenends durch einen Abschlussdeckel verschlossen
ist, in den die Druckreguliereinrichtung integriert ist. Alternativ
ist es jedoch auch möglich, eine
externe Druckreguliereinrichtung zu verwenden, beispielsweise eine
solche, die an der Peripherie des Arbeitszylinders angebracht ist.
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Es
ist möglich,
zwei parallel geschaltete Dämpfungskanäle mit jeweils
wenigstens einem Überdruckventil
vorzusehen.
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Ferner
ist es möglich,
eine stufenweise Drosselung vorzusehen, beispielsweise durch wenigstens zwei
in Reihe in dem wenigstens einem Dämpfungskanal angeordnete Überdruckventile.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden
näher beschrieben.
Die einzige Zeichnungsfigur zeigt:
einen Teillängsschnitt
durch einen Arbeitszylinder mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Endlagendämpfung.
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Die
Zeichnungsfigur zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 zur
Endlagendämpfung.
Bei dem Ausführungsbeispiel
liegt ein fluidischer, insbesondere pneumatisch betätigter Arbeitszylinder 12 vor,
der über
ein rohrförmiges
Zylindergehäuse 13 verfügt, das
zumindest an einer Stirnseite durch einen Abschlussdeckel 14 verschlossen
ist. Die Darstellung beschränkt
sich auf einen stirnseitigen Endabschnitt des Arbeitszylinders 12.
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Im
Innern des Zylindergehäuses 13 ist
ein Kolben 15 in Richtung der Zylinderlängsachse 16 hin und
her bewegbar geführt.
Der Kolben 15 ist mit einer Kolbenstange 17 verbunden.
Der Kolben 15 unterteilt den ihn aufnehmenden Zylinderraum
in zwei Zylinderkammern 18, 19. Indem der einen
oder anderen Zylinderkammer 18, 19 Druckmedium,
vorzugsweise Druckluft, zugeführt
wird, wobei gleichzeitig aus der anderen Zylinderkammer 18, 19 Druckmedium
bzw. Fluid entweicht, lässt
sich der Kolben 15 zu einer Axialbewegung veranlassen.
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Dem
Abschlussdeckel 14 des Arbeitszylinders 12 ist
eine Vorrichtung 11 zur Endlagendämpfung des Kolbens 15 zugeordnet.
Besitzt der Arbeitszylinder 12 beidenends jeweils einen
Abschlussdeckel 14, können
diesen auch jeweils eine Vorrichtung 11 zur Endlagendämpfung zugeordnet
sein. In diesem Fall wären
also zwei Vorrichtungen zur Endlagendämpfung vorgesehen. Die Kolbenendlage
wird mechanisch durch eine Anschlagfläche 20 vorgegeben.
Ohne besondere Maßnahmen
würde der
Kolben 15 bei Erreichen der Kolbenendlage hart auf die Anschlagfläche 20 aufschlagen.
Die Vorrichtung zur Endlagendämpfung
verhindert dies. Zusätzlich
kann noch, wie in der Zeichnungsfigur gezeigt, ein Anschlagelement 21 aus
weicherem Material, beispielsweise aus Kunststoffmaterial, vorgesehen
sein, das ein hartes Auftreffen des Kolbens 15 verhindert.
Die Anschlagfläche 20 befindet
sich in diesem Fall an der dem Kolben 15 zugewandten Seite
des Anschlagelementes 21. Das Anschlagelement 21 kann
kappen- oder haubenartig ausgestaltet sein, wobei es zweckmäßigerweise über einen
in das Zylindergehäuse 13 hineinragenden
Fortsatz des Abschlussdeckels 14 gesteckt wird und dort
mit Rastmitteln 22, beispielsweise ineinander greifende
Rastnasen und Rastausnehmungen, fixiert wird. Ferner befindet sich
an dem Anschlagelement 21 eine Öffnung 23, durch die
abströmendes
Fluid hindurchtreten kann.
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Während des
Kolbenhubes in eine Richtung nähert
sich der Kolben 15 seiner Kolbenendlage bzw. der diese
vorgebende Anschlagfläche 20 an.
Dabei verdrängt
der Kolben 15 aus der der Anschlagfläche 20 zugeordneten
abströmseitigen
Zylinderkammer 18 das Fluid, so dass dieses abströmt. Das
Wirkprinzip der Vorrichtung zur Endlagendämpfung basiert im Wesentlichen
darauf, dass in der abströmseitigen
Zylinderkammer 18 gegen Ende des Kolbenhubes ein Druckanstieg
hervorgerufen wird, der dem Kolben 15 praktisch eine Bremskraft
entgegensetzt, so dass der Kolben 15 abgebremst wird. Die
bei Beginn des Dämpfungsprozesses
vorliegende Position des Kolbens 15 sei als Dämpfungsposition
bezeichnet, die Hubstrecke zwischen der Dämpfungsposition und der Kolbenendlage
als Dämpfungsstrecke.
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Die
Mittel, die den Druckabstieg in der abströmseitigen Zylinderkammer 18 hervorrufen
umfassen wenigstens einen Abströmkanal 24 und
wenigstens einen Dämpfungskanal 25.
Gemäß bevorzugtem
Ausführungsbeispiel
sind ein einziger Abströmkanal 24 und
ein einziger Dämpfungskanal 25 vorgesehen.
Abströmkanal 24 und
Dämpfungskanal 25 münden jeweils
in die abströmseitige
Zylinderkammer 18. Der Dämpfungskanal 25 kommuniziert
an der der abströmseitigen
Zylinderkammer 18 abgewandten Seite mit dem Abströmkanal 24.
Der Abströmkanal 24 wiederum
kann an seinem der abströmseitigen
Zylinderkammer 18 abgewandten Ende zur Atmosphäre ausmünden.
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Im
Bereich der der abströmseitigen
Zylinderkammer 18 zugewandten Mündung 26 des Abströmkanals 24 ist
ein Dichtring 27 festgelegt. Sein Durchmesser ist so bemessen,
dass er ein zum Beispiel von einer Hülse gebildetes, vom Kolben 15 koaxial wegragendes
zylinderisches Verschlussteil 28 dichtend umfassen kann.
Der Durchmesser des Verschlussteils 28 ist größer als
derjenige der Kolbenstange 17, die vom Dichtring 27 nicht
berührt
wird.
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Bewegt
sich der Kolben 15 ausgehend von seiner nicht dargestellten
rechten Endstellung nach links, so befindet sich das Verschlussteil 28 zunächst noch
außerhalb
des Dichtrings 27 und das verdrängte Druckmedium kann über den
Abströmkanal 24 ungehindert
abströmen,
so dass sich der Kolben 15 mit normaler Geschwindigkeit
fortbewegt.
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Zum
Ende des Kolbenhubes hin taucht das Verschlussteil 28 in
den Dichtring 27 ein, so dass verdrängtes Druckmedium nicht mehr
von der abströmseitigen
Zylinderkammer 18 in den Abströmkanal 24 gelangen
kann. Die hierbei vom Kolben 15 eingenommene Position ist
die schon erwähnte
Dämpfungsposition.
Von nun an kann das Fluid bzw. das Druckmedium nur noch über den
Dämpfungskanal 25 ausströmen, was
wegen des reduzierten Strömungsquerschnittes
zu einer Druckerhöhung
in der abströmseitigen
Zylinderkammer 18 führt.
Die Folge ist eine Verlangsamung des Kolbens 15 im Verlauf der
von ihm zur Anlage an der Anschlagfläche 20 zurückgelegten
verbleibenden Dämpfungsstrecke.
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Dem
Dämpfungskanal
ist eine allgemein mit 29 bezeichnete Druckreguliereinrichtung
zugeordnet, mit der sich der in Ab hängigkeit von der abzubremsenden
kinetischen Energie in der abströmseitigen Zylinderkammer 18 während des
Zurücklegens
zur Dämpfungsstrecke
qualitativ einstellende Druckverlauf zur Energieanpassung einstellt.
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Die
Druckreguliereinrichtung 29 besitzt ein Überdruckventil 30,
mit einem Ventilglied 31 mit Dichtfläche 32, die über ein
Federelement 33 mit einer Vorspannung b gegen eine Ventilsitzfläche 34 eines
Ventilsitzes 35 in einer Schließstellung des Überdruckventils
in Anlage gehalten wird.
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Das
Ventilglied 31 besitzt einen Ventilgliedkopf 36,
an dem sich die Dichtfläche 32 befindet
und eine insbesondere einstückig
mit dem Ventilgliedkopf 36 verbundene Ventilgliedstange 37 mit
gegenüber dem
Ventilgliedkopf 36 kleineren Durchmesser. Die Ventilgliedstange 37 ist
in einem Führungselement 38 verschieblich
geführt.
Das Führungselement 38 ist ortsfest
im Abschlussdeckel 14 gelagert. Das Federelement 33 ist
als Schraubenfeder ausgebildet und sitzt auf der Ventilgliedstange 37.
Die Schraubenfeder stützt
sich einenends am Ventilgliedkopf 36 und anderenends am
ortsfesten Führungselement
ab. Zur Lagefixierung des Führungselements 38 im
Abschlussdeckel 14 dient ein Befestigungselement 39, beispielsweise
eine Schraube, die einenends auf das Führungselement 38 drückt und
dieses gegen eine Anlagefläche
im Abschlussdeckel 14 presst. Gegebenenfalls kann bei alternativer
Strömungsführung abströmendes Fluid über im Führungselement 38 ausgebildete
Durchbrüche
hindurch- und dann abströmen.
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Dichtfläche 32 des
Ventilglieds 31 und damit kooperierende Ventilsitzfläche 34 des
Ventilsitzes 35 sind derart aufeinander abgestimmt, dass
beim weiteren Ausströmen
des Fluids über
den Dämpfungskanal 25 infolge
des in der abströmseitigen
Zylinderkammer vorherrschenden Druckes P zwischen dem Ventilsitz
und dem Ventilglied ein Auslassquerschnitt A mit der Funktion A
= (P ± b)2 gebildet wird, wobei 1 ≤ z ≤ 4 gilt. Zweckmäßigerweise
gilt 2 ≤ z ≤ 3. Diese Funktion
wird auch als progressive Öffnungsfunktion gezeichnet.
Berücksichtigt
man die Leckage, zwischen dem zylindrischen Verschlussteil 28 und
dem Dichtring 27 mit dem Faktor c und andere den Öffnungsquerschnitt
beeinflussende Faktoren mit dem Faktor a, so erweitert sich die
progressive Öffnungsfunktion
zu A = a(P ± b)2 + c, wobei 2 ≤ z ≤ 3 gilt.
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Eine
der Geometrien, mit der die vorgenannte progressive Öffnungsfunktion
erreicht wird, ist beispielhaft im bevorzugten Ausführungsbeispiel
dargestellt. Die am Ventilgliedkopf 36 ausgebildete Dichtfläche 32 ist
im Querschnitt konkav ausgebildet. Ferner ist dieser Dichtfläche 32 ein
zapfenartiger Kopfabschnitt 40 in Form einer Kugelkappe
vorgelagert. Kor respondierend hierzu ist die Ventilsitzfläche 34 am
Ventilsitz 35 ringförmig
ausgestaltet und im Querschnitt konvex ausgebildet.
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Bei
der Dämpfung
des in die Kolbenendlage einfahrenden Kolbens 15 taucht
nun wie erwähnt
zunächst
das zylindrische Verschlussteil 28 in den Dichtring 27 ein,
wobei in der abströmseitigen
Zylinderkammer 18 verdrängtes
Druckmedium lediglich noch über
die Öffnung 23 des
Anschlagelements 21 in den Dämpfungskanal 25 abströmen kann.
Aufgrund der Querschnittsverengung kommt es zu einer Druckerhöhung in
der abströmseitigen
Zylinderkammer 18. Die Folge ist eine Verlangsamung des
Kolbens 15 im Verlauf der von ihm zur Anlage an der Anschlagfläche 20 zurückgelegten
verbleibenden Dämpfungsstrecke.
Das abströmende
Druckmedium drückt
mit dem Druck P gegen den Ventilgliedkopf 36 des Ventilglieds 31.
Gegen diesen Druck wirkt die Vorspannung b der Schraubenfeder, die
die Dichtfläche
am Ventilgliedkopf 36 an die Ventilsitzfläche 34 des
Ventilsitzes 35 drückt. Übersteigt
der vom abströmenden Druckmedium
bzw. Fluid verursachte Druck P die Vorspannung b, so wird die Dichtfläche 32 von
der Ventilsitzfläche 34 abgehoben
und es öffnet
sich ein Auslassquerschnitt A. Die Größe des Auslassquerschnitts
A ist gemäß obiger
allgemeiner Formel A = (P ± b)2 also in erster Linie abhängig vom
Druck P des Druckmediums und von der Federvorspannung b. Dies ergibt
eine druckabhän gige
Drosselverstellung, wobei die Vorrichtung zur Endlagendämpfung in
einem weiten Anwendungsbereich selbsteinstellend wirkt, da sich
ja der Auslassquerschnitt A je nach anstehendem Druck P ändert.
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Abströmendes Druckmedium
strömt
also zunächst
auf die vorderseitig angeordnete Kugelkappe, umströmt diese
und gelangt dann zwischen der im Querschnitt konkav ausgebildeten
Dichtfläche 32 und
der im Querschnitt konvex ausgebildeten Ventilsitzfläche 34 hindurch,
strömt
dann weiter in einen Zweigkanal und von dort in einen Kanalabschnitt
des Abströmkanals 24,
der der Austrittsmündung
des Abströmkanals 24 zugeordnet
ist.
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Insgesamt
lässt sich
das Dämpfungsvolumen
so dosieren, dass der Kolben die Kolbenendlage in einer kontinuierlich
verlangsamten Abbremsbewegung stoßfrei erreicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Endlagendämpfung
kommt mit relativ wenig bewegten Teilen aus, wodurch sie insgesamt einfach
aufgebaut ist. Außerdem
kommt sie ohne elektronische Komponenten aus, was den Aufwand bei
der Herstellung, Installation und Inbetriebnahme reduziert.