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Die Erfindung betrifft einen Arbeitszylinder, insbesondere mit besonderer Eignung zur Verwendung bei Exposition gegenüber Fluiden oder Kondensaten.
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Aus dem Stand der Technik sind Arbeitszylinder verschiedener Bauarten bekannt, beispielsweise als hydraulische oder pneumatische lineare Druckstromverbraucher, wobei sich der grundlegende Aufbau im Regelfall aus einem Zylinderrohr mit an beiden Ende anschließenden Verschlussteilen, einem Kolben sowie einer Kolbenstange zusammensetzt.
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Teilweise werden Arbeitszylinder unter Betriebsbedingungen eingesetzt, die mit einer erhöhten Exposition gegenüber Spritzwasser, Seewasser oder anderen, teilweise aggressiven, Fluiden verbunden sind. Da an dem Kolbendurchtritt der Stirnfläche eine Zugangsstelle ins Innere des Arbeitszylinders vorliegt, besteht somit die Gefahr, dass schädigende Fluide ins Innere eindringen und letztlich Schäden an der Führung und Abdichtung der Kolbenstange des Arbeitszylinders bewirken.
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Ein Ansatz zur Verbesserung des Schutzes der Abdichtung eines gattungsgemäßen Arbeitszylinders ist beispielsweise aus der Druckschrift
DD 243 738 A5 bekannt. Dabei wird als stirnseitiger Abschluss eines Zylinders ein Abdichtsystem beschrieben, welches sich aus einem Gewindering und einem Führungsstück zusammensetzt. In dem Gewindering ist ein Abstreifring eingesetzt, welcher sich auf einem Wellendichtring abstützt. Nachteilig ist auch hier, dass bei dauerhafter Belastung Fluide oder Verschmutzungen von dem Abstreifring nicht vollständig zurückgehalten werden können.
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Es die Aufgabe der Erfindung, unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik, einen Arbeitszylinder bereitzustellen, der auch bei erhöhter Exposition gegenüber Fluiden eine große Betriebssicherheit und hohe Lebensdauer aufweist und der einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Die Aufgabe wird durch die im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein erfindungsgemäßer Arbeitszylinder weist ein Zylinderrohr, eine Kolbenstange und einen Kolben, der mit der Kolbenstange verbunden ist, sowie ein Führungsteil auf. Das Zylinderrohr verfügt über eine Innenwandung und eine Außenwandung und ist als Hohlzylinder ausgebildet. In dem inneren Hohlraum des Zylinderrohrs ist ein Kolben und eine Kolbenstange aufgenommen. Die Kolbenstange wird während einer Hubbewegung parallel zur Innenwandung axial geführt.
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Das Führungsteil ist mit dem Zylinderrohr verbunden und weist eine axiale Durchsetzung zur Aufnahme und axialen Führung der Kolbenstange auf. Die axiale Durchsetzung definiert durch ihren Außenumfang eine Führungsteilinnenwandung, an welcher ein Abstreifer und ein Dichtring angeordnet sind. Während der Abstreifer im Wesentlichen das Eindringen von Fluiden und Verschmutzungen in den Innenraum des Arbeitszylinders unterbinden soll, wird mit Hilfe des Dichtrings ein Druckausgleich zwischen dem Innenraum und außen und somit ein Austritt eines Arbeitsmedium, beispielsweise Hydrauliköl, verhindert.
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Des Weiteren weist das Führungsteil außen eine stirnseitige Ringfläche auf, welche radial innen durch eine Innenumlaufkante und radial außen durch eine Außenumlaufkante begrenzt wird. Dabei wird die Innenumlaufkante durch die Führungsteilinnenwandung bestimmt, während die Außenumlaufkante durch die äußere Mantelfläche des Führungsteils gebildet wird. Die stirnseitige Ringfläche umgibt damit die aus dem Führungsteil herausragende Kolbenstange.
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Ein erfindungsgemäßer Arbeitszylinder ist dadurch gekennzeichnet, dass die stirnseitige Ringfläche im Gegensatz zum Stand der Technik nicht eine rechtwinklig zur Hauptlängsachse stehende Planebene bildet, sondern vielmehr eine Abtropfgeometrie und die Außenumlaufkante einen Abtropfpunkt aufweist.
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Dabei wird der Abtropfpunkt durch einen unteren Schnittpunkt zwischen einer senkrechten Längsmittelebene des Arbeitszylinders und der Außenumlaufkante gebildet. Als Abtropfpunkt ist über ein streng mathemisches Verständnis hinaus auch eine Ausbildung zu verstehen, bei der die Außenumlaufkante beispielsweise zur Verminderung eines Verletzungsrisikos durch einen Radius oder eine Fase von wenigen Millimetern gebrochen ist. Dies gilt sinngemäß auch für den nachfolgend beschriebenen Vorsprungpunkt.
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Durch einen Schnittpunkt zwischen der senkrechten Längsmittelebene des Arbeitszylinders und der Innenumlaufkante wird ferner ein Vorsprungpunkt gebildet. Zur Ausbildung der Abtropfgeometrie ist die stirnseite Ringfläche so ausgebildet, dass der Abtropfpunkt gegenüber dem Vorsprungpunkt einen Rückversatz aufweist. Der Rückversatz wird durch den von einer Verbindungslinie zwischen dem Vorsprungpunkt und dem Abtropfpunkt sowie einer Lotrechten von dem Abtropfpunkt zur Längsachse in der senkrechten Längsmittelebene eingeschlossenen Neigungswinkel definiert, welcher erfindungsgemäß zwischen 7° und 16° beträgt.
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Als Abtropfgeometrie wird die Ausbildung von stirnseitiger Ringfläche, Außenumlaufkante, Innenumlaufkante, Abtropfpunkt, Vorsprungpunkt und äußerer Mantelfläche des Führungsteils als Gesamtheit bezeichnet.
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Der Erfindung liegt die Überlegung zu Grunde, dass die Betriebssicherheit und die Lebensdauer entscheidend abhängig von der Menge des am Kolbenstangenaustrittsbereich anströmenden Fluids ist. Als Kolbenstangenaustrittsbereich ist der Bereich der an die Durchsetzung außen angrenzenden Oberflächen der Kolbenstange und des Führungsteils zu verstehen.
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Es wurde überraschend gefunden, dass das Zusammenwirken von Benetzungsverhalten, Oberflächenspannung, Kantenflucht und Strömungsverhalten eines Fluids es ermöglichen, durch Schaffung einer speziellen Abtropfgeometrie das Fluid optimiert abzuleiten und insbesondere in einem wesentlich höheren Mengenanteil an dem Kolbenstangenaustrittsbereich vorbeiströmen zu lassen, als dies nach dem Stand der Technik der Fall ist. Infolge des Rückversatzes des Abtropfpunktes wird das Fluid auch bei einer kolbenstangenaustrittsseitig nach unten geneigten Arbeitslage des Arbeitszylinders entlang der Abtropfgeometrie um den Kolbenstangenaustrittsbereich herum abgeleitet. An dem in der nach unten geneigten Arbeitslage tiefsten Punkt der Abtropfgeometrie erreicht das Fluid den Abtropfpunkt und tropft von dem Arbeitszylinder ab.
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Ein erfindungsgemäßer Arbeitszylinder weist insbesondere die nachfolgenden Vorteile auf.
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Ein erster Vorteil besteht darin, dass ein Eintreten von schädigenden Fluiden und Verschmutzungen in den Innenraum des Arbeitszylinders erheblich reduziert wird. Der zu schützende Innenraum umfasst dabei insbesondere die Führungsteilinnenwandung an der Durchsetzung des Führungsteils und den im Führungsteil gleitenden Abschnitt der Kolbenstange. Somit werden letztlich Schäden, insbesondere an der Lagerung und Abdichtung, vermieden, so dass die Lebensdauer des Arbeitszylinders erhöht wird.
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Als zweiter Vorteil ergibt sich zudem, dass die zur Abdichtung und zum Schutz des Innenraums des Arbeitszylinders dienenden Bauteile entlastet werden. Die zu diesem Zweck verwendeten Bauteile sind insbesondere der Im Bereich des Führungsteils integrierte Abstreifer sowie der Dichtring. Folglich verringert sich der Verschleiß dieser Bauteile, was einen Ersatz seltener notwendig macht und eine Kosteneinsparung mit sich bringt.
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Ein weiterer, dritter Vorteil ergibt sich dahingehend, dass bedingt durch die Abtropfgeometrie bei einem erfindungsgemäßen Arbeitszylinder die Reduzierung der Belastung des Kolbenaustrittsbereichs mit Fluiden in nahezu sämtlichen Arbeitslagen und Winkelstellungen wirksam ist.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist die stirnseitige Ringfläche des Arbeitszylinders als Kegelstumpfmantelfläche ausgebildet. Somit ergibt als Teil der Abtropfgeometrie die Linie, welche den Abtropfpunkt mit dem Vorsprungpunkt verbindet, eine Mantellinie. Diese Mantellinie weist wie zuvor beschrieben einen Neigungswinkel von 7° bis 16° gegenüber der Lotrechten zur senkrechten Längsmittelebene auf.
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Der Vorteil dieser Weiterbildung ist insbesondere, dass eine gleichmäßige Abführung des auf die Stirnseite des Arbeitszylinders auftreffenden Fluids erzielt werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt in der technologisch einfachen Herstellbarkeit.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die stirnseitige Ringfläche als konvex gekrümmte Oberfläche ausgebildet ist. Die gekrümmte Verbindungslinie zwischen dem Abtropfpunkt und dem Vorsprungpunkt liegt als ein Kreisbogen vor. Die Gerade zwischen Abtropfpunkt und Vorsprungpunkt stellt somit die Sehne des Kreissegments dar, das durch den Kreisbogen und die Sehne gebildet wird. Der Radius des Kreisbogens, auch zu bezeichnen als Radius der Krümmung, ist dabei größer oder gleich dem Quotienten aus der Länge des Abstandes von Abtropfpunkt zu Vorsprungpunkt und dem Zweifachen des Sinuswertes des Neigungswinkels.
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Somit kann eine optimale Ableitung von Fluiden gewährleistet werden, was sich als besonderer Vorteil einer gekrümmten stirnseitigen Ringfläche als Teil der Abtropfgeometrie mit einem oberhalb des genannten Schwellenwertes gewählten Radius ergibt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die stirnseitige Ringfläche zwei verschiedenartige, durch eine konzentrische Ringlinie aneinander angrenzende konzentrische Teilabschnitte auf. Dabei liegt die Schnittlinie des inneren Teilabschnitts mit der senkrechten Längsmittelebene als Senkrechte zu der Längsachse des Arbeitszylinders vor. Der innere Teilabschnitt ist somit als senkrecht zu der Längsachse des Arbeitszylinders stehende Planebene ausgebildet. Die außenseitige Begrenzung dieses inneren Teilabschnitts ist in der Schnittlinie zu der senkrechten Längsmittelebene durch einen Knickpunkt gekennzeichnet, welcher den Übergang zu dem als Kegelstumpfmantelfläche vorliegenden äußeren Teilabschnitt der stirnseitigen Ringfläche bildet. Der Knickpunkt ist der Schnittpunkt der konzentrischen Ringlinie mit der senkrechten Längsmittelebene.
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Die Lage des Vorsprungpunktes bleibt gegenüber den zuvor aufgeführten Varianten gleich, so dass dieser durch den Schnittpunkt zwischen der senkrechten Längsmittelebene des Arbeitszylinders und der Innenumlaufkante gebildet wird. Des Weiteren wird der Abtropfpunkt auch in dieser Weiterbildung durch den Schnittpunkt zwischen der senkrechten Längsmittelebene des Arbeitszylinders und der Außenumlaufkante gebildet. Der Abstand von dem Vorspungspunkt zu dem Knickpunkt beträgt höchstens 20 Prozent der Summe des Abstandes von dem Vorspungspunkt zu dem Knickpunkt und des Abstandes von dem Knickpunkt zu dem Abtropfpunkt.
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Mittels dieser Weiterbildung wird das Ableitungsverhalten des Fluids besonders vorteilhaft beeinflusst und zugleich ein spitzer Winkel direkt am Vorsprungpunkt vermieden.
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Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele anhand von
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1a teilweise geschnittene Ansicht des Arbeitszylinders mit einer als Kegelstumpfmantelfläche ausgebildeten stirnseitigen Ringfläche,
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1b teilweise geschnittene Ansicht des Arbeitszylinders mit einer als Kegelstumpfmantelfläche ausgebildeten stirnseitigen Ringfläche mit zusätzlichen Hilfslinien zur Darstellung der geometrischen Beziehungen,
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2a teilweise geschnittene Ansicht des Arbeitszylinders mit einer als konvex gekrümmten Oberfläche ausgebildeten stirnseitigen Ringfläche,
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2b teilweise geschnittene Ansicht des Arbeitszylinders mit einer als konvex gekrümmten Oberfläche ausgebildeten stirnseitigen Ringfläche mit zusätzlichen Hilfslinien zur Darstellung der geometrischen Beziehungen,
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3a teilweise geschnittene Ansicht des Arbeitszylinders mit einer zwei Abschnitte aufweisenden stirnseitigen Ringfläche,
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3b teilweise geschnittene Ansicht des Arbeitszylinders mit einer zwei Abschnitte aufweisenden stirnseitigen Ringfläche mit zusätzlichen Hilfslinien zur Darstellung der geometrischen Beziehungen, näher erläutert.
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1a und 1b zeigen ein Ausführungsbeispiel mit einer als Kegelstumpfmantelfläche ausgebildeten stirnseitigen Ringfläche. In 1a und 1b wird der vordere und somit der kolbenstangenaustrittsseitige Abschnitt eines erfindungsgemäßen Arbeitszylinders dargestellt. Das Führungsteil 1 ist hierbei mit dem Zylinderrohr 3 verschweißt, wobei die vorhandene Schweißnaht in sämtlichen Figuren übereinstimmend als ausgefüllte Fläche dargestellt ist. Zudem weist das Führungsteil 1 eine axiale Durchsetzung auf, in welcher eine Kolbenstange 2 aufgenommen wird. Der äußere Umfang der Durchsetzung bildet dabei die Führungsteilinnenwandung. In der gezeigten Darstellung ist die Kolbenstange 2 teilweise aus dem Führungsteil 1 ausgetreten, was im Rahmen der Hubbewegung durch eine axiale Verschiebung der Kolbenstange 2 parallel zur Führungsteilinnenwandung bewirkt wird.
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Entlang der Führungsteilinnenwandung sind ein Abstreifer 4 sowie ein Dichtung 5, ausgebildet als Dichtring, vorgesehen. Beide Bauteile sind ringförmig ausgeführt und in das Führungsteil 1 in Nuten eingelassen.
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Das Führungsteil 1 weist eine stirnseitige Ringfläche auf, welche hierbei als Kegelstumpfmantelfläche ausgebildet ist. Diese wird durch den Vorsprungpunkt 6 sowie den Abtropfpunkt 7 begrenzt, wobei der Abtropfpunkt 7 gegenüber dem Vorsprungpunkt 6 einen Rückversatz Rü aufweist, so dass eine Abtropfgeometrie gebildet wird. Die zwischen diesen beiden Punkten als Gerade vorliegende Verbindungslinie der Länge L weist gegenüber der Lotrechten zur senkrechten Längsmittelebene im Ausführungsbeispiel einen Neigungswinkel α von 15° auf.
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Entlang der Abtropfgeometrie kann das stirnseitig auf den Arbeitszylinder auftreffende Fluid abgeleitet werden, wobei der Bereich des Kolbenstangenaustritts umgangen wird und somit geschützt wird. Letztlich erreicht das Fluid den, in einer nach unten geneigten Arbeitslage des Arbeitszylinders als tiefsten Punkt der Abtropfgeometrie vorliegenden, Abtropfpunkt 7 und fließt oder tropft von dort aus ab.
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Anhand der konkreten Abmessungen des Arbeitszylinders nach dem Ausführungsbeispiel werden nachfolgend die mathematischen Beziehungen der Abtropfgeometrie, insbesondere von Rü, L, α und der Lotrechten, erläutert.
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Der Außendurchmesser des Führungsteils
1 beträgt im vorliegenden Beispiel 84 mm und wird im Folgenden als D
1 bezeichnet. Der Innendurchmesser des Führungsteils
1, welcher zugleich dem Außendurchmesser der Kolbenstange
2 entspricht, im Folgenden als D
2 bezeichnet, beträgt 40 mm. Für die Lotrechte gilt damit
was im Ausführungsbeispiel 22 mm entspricht.
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Der Rückversatz R
ü, die Strecke L von Abtropfpunkt
6 zu Vorsprungpunkt
7, sowie die Lotrechte zur senkrechten Längsmittelebene bilden ein rechtwinkliches Dreieck, wobei L die Hyoptenuse darstellt. Da ferner der Rückversatz R
ü hierbei die Gegenkathete zum Neigungswinkel α darstellt und die Strecke
der Lotrechten entspricht, welche die Ankathete zum Neigungswinkel α darstellt, ergeben sich unter Berücksichtigung des Neigungswinkels α von 15° für das betrachtete Dreieck die nachfolgenden Beziehungen.
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Infolgedessen hat bei den gegebenen Größen im Ausführungsbeispiel der Rückversatz R
ü einen Wert von 5,895 mm. Unter Berücksichtigung des nun erhaltenen Rückversatzes R
ü sowie des Neigungswinkels α berechnet sich somit die als Hypotenuse des Dreiecks vorliegende Länge L der Verbindungslinie zwischen Vorsprungpunkt
6 und Abtropfpunkt
7 gemäß:
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Dabei ergibt sich eine Länge L von 22,777 mm.
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2a und 2b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Arbeitszylinders, bei welchem die stirnseitige Ringfläche des Führungsteils 1 als konvex gekrümmte Oberfläche vorliegt. Die Verbindungslinie zwischen dem Vorsprungpunkt 6 und dem Abtropfpunkt 7 auf der Oberfläche der stirnseitigen Ringfläche ist somit ebenfalls gekrümmt und liegt nicht wie im vorhergehenden Fall als eine gerade Linie, sondern als ein Kreisbogen vor. Die Strecke als gerade Linie im Raum zwischen dem Vorsprungpunkt 6 und dem Abtropfpunkt 7 bildet somit die Sehne zu dem Kreisbogen.
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Der Radius des Kreisbogens beträgt im Ausführungsbeispiel 44 mm.
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Wie in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel betragen der Außendurchmesser des Führungsteils 1 auch hier 84 mm und der Innendurchmesser des Führungsteils 1 ebenfalls 40 mm. Zudem beträgt der Neigungswinkel α der Strecke als gerade Linie im Raum zwischen dem Vorsprungpunkt 6 und dem Abtropfpunkt 7 auch hier 15°.
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Für den gemäß Anspruch 3 definierten Mindestradius gilt für das Ausführungsbeispiel nach 2 das Folgende. Bei dem vorliegenden Neigungswinkel α von 15° und der bekannten Länge L der Strecke zwischen dem Vorsprungpunkt 6 und dem Abtropfpunkt 7 von 22,777 mm ergibt sich der minimal zulässige Radius r gemäß: r = L / 2sinα
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Als Resultat ergibt sich in diesem Fall ein Wert von 44 mm, so dass im Ausführungsbeispiel exakt der minimal zulässige Radius gemäß Anspruch 3 vorliegt.
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In einem modifizierten Ausführungsbespiel betragen der Außendurchmesser des Führungsteils 1 gleichfalls 84 mm und der Innendurchmesser des Führungsteils 1 ebenfalls 40 mm. Allerdings beträgt der Neigungswinkel α der Strecke zwischen dem Vorsprungpunkt 6 und dem Abtropfpunkt 7 lediglich 10°. In diesem Fall beträgt der minimal zulässige Radius r 64,324 mm.
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Für den minimal zulässigen Radius r gilt zudem, dass der Kreismittelpunkt den Schnittpunkt einer Lotrechten von dem Mittelpunkt der Strecke zwischen dem Vorsprungpunkt 6 und dem Abtropfpunkt 7, also der Sehne des Kreisbogens, mit der Führungsteilinnenwandung in der senkrechten Längsmittelebene bildet. Der minimal zulässige Radius r ist die Strecke zwischen dem Kreismittelpunkt und dem Vorsprungpunkt sowie zugleich die Strecke zwischen dem Kreismittelpunkt und dem Abtropfpunkt.
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Entscheidend ist dabei, dass der Radius r den durch den Anspruch 3 definierten Mindestwert nicht unterschreitet, so dass eine optimierte Ableitung des Fluids stattfinden kann. Eine Überschreitung des Mindestwertes wird jedoch als erfindungsgemäß angesehen.
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3a und 3b betreffen ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei wie zuvor der kolbenstangenaustrittsseitige Abschnitt eines erfindungsgemäßen Arbeitszylinders dargestellt wird. Die stirnseitige Ringfläche ist hierbei in zwei Teilabschnitte unterteilt, wobei der innere Teilabschnitt eine Planebene bildet, die senkrecht zu der Längsachse verläuft und der äußere Teilabschnitt als Kegelstumpfmantelfläche vorliegt.
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Im Schnitt mit der senkrechten Längsmittelebene des Arbeitszylinders liegt zwischen dem Vorsprungpunkt 6 und dem Abtropfpunkt 7 somit ein Knickpunkt 8 vor, welcher den Übergang zwischen den beiden Teilabschnitten der stirnseitigen Ringfläche kennzeichnet. Bezüglich des Neigungswinkels α stellt die Länge L der direkten Verbindungslinie zwischen Vorsprungpunkt 6 und Abtropfpunkt 7 die Hypothenuse des Dreiecks dar. Somit ist der vorhandene Knickpunkt 8 für den Neigungswinkel und die damit in Zusammenhang stehenden Berechnungen der weiteren Größen nicht relevant. Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 beträgt der Abstand zwischen dem Vorsprungpunkt 6 und dem Knickpunkt 8 etwa 3 mm.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Führungsteil
- 2
- Kolbenstange
- 3
- Zylinderrohr
- 4
- Abstreifer
- 5
- Dichtung
- 6
- Vorsprungpunkt
- 7
- Abtropfpunkt
- 8
- Knickpunkt
- α
- Neigungswinkel
- Rü
- Rückversatz
- L
- Länge der Verbindungslinie
- r
- minimal zulässiger Radius
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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