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Die Erfindung betrifft einen fluidischen Stellantrieb gemäß der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.
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Fluidische Stellantriebe dienen beispielsweise zum Öffnen und Schließen von Stellventilen und somit zum Öffnen und Schließen von durchströmten Leitungen oder aber dem Einstellen von Drosseln und somit zum Einstellen der Durchflussmenge von durchströmten Leitungen. Derartige Stellantriebe sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt.
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Ein gattungsgemäßer fluidischer Stellantrieb weist beispielsweise einen Zylinder und einen im Zylinder beweglichen Kolben auf. Der Kolben ist über eine Kolbenstange mit einem Stellglied verbunden, beispielsweise einem Ventilkegel einer Drossel. Über die Bewegung des Kolbens und der Kolbenstange wird das Stellglied entsprechend gesteuert. Der Kolben trennt den Zylinder in zwei mit Fluid gefüllten Druckkammern. Die Druckkammern sind über eine Steuerleitung fluidisch miteinander verbunden. In die Steuerleitung ist eine Pumpe zum Fördern des Fluides von einer Druckkammer zur anderen Druckkammer eingebracht. Die Pumpe dient somit zum Bewegen des Kolbens im Zylinder, je nach Pumprichtung zum Bewegen des Kolbens in die eine oder andere Richtung. Die durch den Kolben getrennte erste und zweite Druckkammer sind in radialer Richtung gleich dimensioniert, um ein kontinuierliches Bewegen des Kolbens im Zylinder zu ermöglichen. Die zweite Druckkammer wird dabei von der Kolbenstange durchgriffen.
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Das Volumen der einsinkenden Kolbenstange in das Fluid bei einem Bewegen des Kolbens in Richtung auf die erste Druckkammer muss innerhalb des Zylinders ausgeglichen werden, da in der Regel ein inkompressibles Fluid verwendet wird. Normalerweise wird zum Volumenausgleich ein Ausgleichsbehälter für das Fluid verwendet, siehe beispielsweise
US 3 677 001 . Durch Verschiebung des trennenden Kolbens im Zylinder übernimmt der Ausgleichsbehälter den Volumenausgleich beim Einfahren der Kolbenstange.
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Nachteilig an dieser Ausführung ist, dass durch den Ausgleichsbehälter der konstruktive Aufwand des fluidischen Stellantriebs erhöht wird.
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Aus der
DE 635 171 A ist ein Stellantrieb bekannt, welcher in der durch einen Ansatz verlängerten ersten Druckkammer einen Schalterplatte aufweist, die über eine Membran mit dem Zylindergehäuse verbunden ist. Der Schalterplatte ist über eine Schalterstange mit einem Schalter verbunden und ist zudem in Richtung Kolben mit einer Druckfeder belastet. Aus dem Kolben ragt das Ende einer Kolbenstange heraus, auf der eine Mutter zum Fixieren des Kolbens auf der Kolbenstange angeordnet ist. Das freie Ende der Kolbenstange drückt ab einer bestimmten Stellung des Kolbens auf die Schalterplatte und schaltet die Pumpe aus. Hierbei handelt es sich somit um eine Abschaltvorrichtung, welche verhindert, dass der Kolben über ein bestimmtes Maß verfahren wird.
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Des Weiteren sind auch mit kompressiblem Gas gefüllte Gaskammern aus dem Bereich der Fahrwerksdämpfung bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen fluidischen Stellantrieb gemäß der im Oberbegriff des Schutzanspruches 1 angegebenen Art derart weiterzubilden, dass eine einfache Konstruktion und Ausbildung ermöglicht wird.
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Diese Merkmale werden durch die kennzeichnenden Merkmale des Schutzanspruches 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
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Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine Integration eines federbelasteten Druckkörpers in den Zylinder auf einfache Weise ein Volumenausgleich durch Kompression des Druckkörpers erreicht werden kann. Hierdurch ergeben sich weitgehende Konstruktionsvereinfachungen.
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Nach der Erfindung weist daher der fluidische Stellantrieb einen Zylinder und einen im Zylinder beweglichen doppeltwirkenden Kolben auf, der über eine Kolbenstange mit einem Stellglied verbunden ist. Durch die Bewegung des Kolbens wird das Stellglied gesteuert, wobei der Kolben den Zylinder in zwei mit Fluid gefüllte Druckkammern trennt. Die Druckkammern sind über eine Fluidleitung fluidisch miteinander verbunden. In die Leitung ist eine Pumpe zum Fördern des Fluides von einer Druckkammer zur anderen und somit zum Bewegen des Kolbens im Zylinder vorgesehen. Eine erste Druckkammer und zweite Druckkammer sind zumindest über den maximal möglichen Hubweg des Kolbens in radialer Richtung gleich dimensioniert. Die zweite Druckkammer wird von der Kolbenstange durchgriffen. Erfindungsgemäß ist zum Volumenausgleich des durch die Kolbenstange sich ergebenden geringeren Volumens an Fluid in der zweiten Druckkammer beim Verfahren des Kolbens in Richtung erste Druckkammer ein durch eine Feder belasteter Druckkörper in der ersten Druckkammer angeordnet, der sich zum Volumenausgleich entsprechend bewegt. Auf einfache Weise kann dadurch der fluidische Stellantrieb kompakter gebaut und in seiner Konstruktion vereinfacht werden. Separate Ausgleichskammern sind nunmehr nicht mehr notwendig.
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Insbesondere im Hinblick einer einfachen Montage ist es von Vorteil, wenn der Druckkörper durch einen Ausgleichskolben gebildet ist, der mit einer Feder in Richtung Kolben belastet ist.
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Vorzugsweise trennt der Druckkörper die erste Druckkammer von einer dritten Druckkammer dichtend ab. Hierdurch ergeben sich insbesondere im Hinblick auf die auf den Druckkörper wirkende Feder weitergehende Gestaltungsmöglichkeiten.
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Um insbesondere eine einfache Fertigung des Zylinders zu ermöglichen, weist die dritte Druckkammer die gleiche radiale Erstreckung auf wie die erste und zweite Druckkammer. Der Zylinder umfasst somit die erste, zweite und dritte Druckkammer mit zumindest einer gleichen radialen Erstreckung.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die dritte Druckkammer gas dicht abgeschlossen. Hierdurch ist es beispielsweise möglich die Feder durch ein kompressibles Fluid, beispielsweise ein Gas, vorzugsweise Luft oder Stickstoff, zu bilden. Über den Gasdruck kann dabei einfach die Federkennlinie eingestellt werden.
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Alternativ kann die Feder auch durch zumindest eine Druckfeder gebildet sein. Je nach Größe des Druckkörpers bieten sich auch mehrere Druckfedern an. Zum einen kann die Druckfeder als auch ein kompressibles Fluid auf den Druckkörper wirken, oder nur die Druckfeder. In letzterem Fall weist die dritte Druckkammer eine Gasausgleichsöffnung auf. Eine exakte Einstellung der Federkraft an die Betriebsbedingungen ist hierdurch möglich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Druckkörper durch eine Gasblase mit flexibler Wandung gebildet ist, wobei in der Gasblase ein kompressibles Gas enthalten ist. Hierdurch wird durch den zunehmenden Druck der Druckkörper verkleinert und somit der Volumenausgleich herbeigeführt. Die Wandung der Gasblase kann dabei aus Gummi, Metallbalg oder Elastomere gebildet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausbildung ist der Kolben über eine Membran mit dem Zylinder verbunden ist und dadurch die erste und zweite Druckkammer dichtend voneinander getrennt. Hierdurch wird der Kolben leichtgängiger. Reibungsverluste beim Bewegen des Kolbens werden verhindert. Zudem ist diese Art der Abdichtung besonders leicht zu montieren.
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Vorzugsweise ist ein Ventil zum zumindest Öffnen und Schließen der Fluidleitung und somit zum Halten des Kolbens in einer Position eingebracht. Hierdurch wird vermieden, dass durch Pumpenkraft eine Position gehalten werden muss. Vielmehr ist es möglich durch ein geschlossenes Ventil ein Bewegen des Fluids von einer Druckkammer zur anderen Druckkammer zu stoppen und somit den Kolben zu halten. Die Pumpe braucht dann nicht mehr aktiv zu sein, wodurch Energie gespart wird.
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Insbesondere ist das Fluid eine inkompressible Flüssigkeit, wie Hydrauliköl, da dieses einfach zu erhalten und preisgünstig ist.
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Das Stellglied kann durch eine Drossel zur Steuerung eines Durchflusses in einem Drosselventil, oder ein Absperrorgan zum Schließen eine Sperrventils oder ein Schaltorgang, beispielsweise zum Schalten eines mehr Wegeventils, gebildet sein.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung bedeutet:
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1 eine schematische Schnittansicht durch einen fluidischen Stellantrieb gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 eine schematische Schnittansicht durch einen fluidischen Stellantrieb gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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3 eine schematische Schnittansicht durch einen fluidischen Stellantrieb gemäß einer dritten Ausführungsform, und
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4 eine schematische Schnittansicht durch einen fluidischen Stellantrieb gemäß einer vierten Ausführungsform.
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Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines fluidischen Stellantriebs 10. Der Stellantrieb 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das einen Zylinder 14 mit konstantem Innendurchmesser sowie einen oberen Deckel 16 und einen unteren Deckel 18 umfasst. Der obere Deckel 16 und der untere Deckel 18 sind jeweils mit dem Zylinder 14 verschraubt. in dem Zylinder 14 ist ein Kolben 20 angeordnet, der den Innenraum des Zylinders 14 in eine erste Druckkammer 22 und eine zweite Druckkammer 24 teilt. Die erste Druckkammer 22 ist gegenüber der zweiten Druckkammer 24 über einen im Kolben 20 angeordneten Dichtungsring 20a abgedichtet. Konzentrisch zum Zylinder 14 ist eine Kolbenstange 26 vorgesehen, welche mit dem Kolben 20 fest verbunden ist. Die Kolbenstange 26 ist mit einem hier nicht dargestellten Stellglied verbunden. Hierfür durchgreift die Kolbenstange 26 die zweite Druckkammer 24 sowie den unteren Deckel 18. Um die zweite Druckkammer 24 abzudichten umgreift ein im Deckel 18 eingebrachter Dichtungsring 18a die Kolbenstange 26.
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Die Längsachse der Stellantriebs 10 ist mit den Bezugszeichen 28 versehen.
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Im unteren Bereich der zweiten Druckkammer 24 ist eine Öffnung 30 im Zylinder 14 vorgesehen, an die sich eine Hydraulikleitung 32 anschließt. Die Hydraulikleitung 32 verbindet über die Öffnung 30 die zweite Druckkammer 24 mit einer Hydraulikpumpe 34. Über eine weitere Hydraulikleitung 36 ist die Hydraulikpumpe 34 über eine Öffnung 38 im oberen Bereich der ersten Druckkammer 22 verbunden. In die Hydraulikleitung 36 ist ein Schaltventil 40 zwischengeschaltet, um einen Durchfluss zu ermöglichen oder zu blockieren.
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Im oberen Bereich der ersten Druckkammer 22 in Richtung oben nach der Öffnung 38 ist ein Ausgleichskolben 42 in den Zylinder 14 eingebracht, welcher die erste Druckkammer 22 von einer dritten Druckkammer 44 trennt. Ein Dichtring 42a, der am Umfang des Ausgleichskolbens 42 angeordnet ist und an der Innenwand des Zylinders 14 anliegt, dichtet die erste Druckkammer 22 und die dritte Druckkammer 44 gas dicht voneinander ab. In der dritten Druckkammer 44 befindet sich ein kompressibles Gas, beispielsweise Stickstoff. Der Ausgleichskolben 42 ist auf der dem Kolben 20 zugewandten Seite mit Abstandshaltern 42b versehen, um zu verhindern, dass der Kolben 20 die Öffnung 38 blockiert.
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Um die Kolbenstange 26 und das mit der Kolbenstange 26 verbundene Stellglied, beispielsweise eine Drosselung, ein Schließorgan oder ein Schaltorgan, vorbestimmt zu bewegen, wird das Schaltventil 40 in eine Öffnungsposition elektrisch verfahren.
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Für ein Verfahren der Kolbenstange 26 nach oben pumpt die Hydraulikpumpe 34 daraufhin Hydrauliköl aus der ersten Druckkammer 22 in die zweite Druckkammer 24. Dabei bewegt sich der Kolben 20 nach oben und der Ausgleichskolben 42 wird durch den höheren Druck nach oben in einen Gleichgewichtszustand mit der ersten Druckkammer 22 verfahren. Der Verfahrweg bezogen auf die Grundfläche des Ausgleichskolbens entspricht dabei dem Volumen, welches die Kolbenstange 26 in der zweiten Druckkammer 24 aufweist. Analog dem Eindringen der Kolbenstange 26 in die zweite Druckkammer 24 erfolgt somit ein Verfahren des Ausgleichskolbens 42 nach oben.
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Ist die vorbestimmte Position des Stellglieds erreicht, schließt das Schaltventil 40 und die Hydraulikpumpe 34 wird in den Ruhezustand überführt.
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Bei einer Bewegung in umgekehrter Richtung, wenn also der Kolben 20 nach unten verfahren werden soll, pumpt die Hydraulikpumpe 34 Hydrauliköl aus der zweiten Druckkammer 24 in die erste Druckkammer 22. Dadurch wird die Kolbenstange 26 zunehmend aus der zweiten Druckkammer 24 verfahren. Der Ausgleichskolben 42 verfährt durch die durch das komprimierte Gas in der dritten Druckkammer 44 erzeugte Kraft daraufhin ebenfalls nach unten in einen Gleichgewichtszustand mit der ersten Druckkammer 22.
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In 2 ist in einer schematischen Schnittansicht eine zweite Ausführungsform eines fluidischen Stellantriebs 10 dargestellt, der im Wesentlichen der ersten Ausführungsform entspricht. Zusätzlich zu dem kompressiblen Gas sind noch die linke Druckfeder 46 und eine rechte Druckfeder 48 in die dritte Druckkammer eingebracht und zwischen Deckel 16 und Ausgleichskolben 42 gespannt. Die Druckfedern 46 und 48 dienen zusätzlich der Einstellung des Verhaltens bei der Volumenausgleichsbewegung.
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Durch die Wahl der Art der Druckfedern 46, 48 und die Anzahl der Druckfedern 46, 48 auf der einen Seite als auch durch die Wahl des Gases und des Vordruckes in der dritten Druckkammer 44 auf der anderen Seite kann auf einfache Weise das Ausgleichsverhalten beim Bewegen des Kolbens 20 in die eine oder andere Richtung festgelegt werden. Zudem dienen die Druckfedern 46, 48 als auch das kompressible Gas in der dritten Druckkammer 44 zum Ausgleich von Belastungsspitzen am Stellglied.
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In 3 ist eine dritte Ausführungsform eines fluidischen Stellantriebs 10 dargestellt. Statt eines Ausgleichskolbens 42 ist eine Gasblase 50 in die erste Druckkammer 22 eingebracht. Die Gasblase 50 weist eine flexible Wandung 54 auf, welche ein kompressibles Gas in einer dritten, durch die Wandung 54 begrenzten Druckkammer 52 aufweist. Mit steigendem Druck wird die Gasblase 50 im Sinne eines Verkleinerns bewegt und stellt dadurch das Ausgleichsvolumen in der ersten Druckkammer 22 zur Verfügung. Mit fallenden Druck für die Gasblase 50 im Sinne eines Vergrößerns bewegt gleich damit das Volumen in der ersten Druckkammer 22 wieder aus. Die Vergrößerungs- und Verkleinerungsbewegung der Gasblase 50 erfolgt bis zum Gleichgewichtszustand mit dem Druck in der ersten Druckkammer 22. Ansonsten ist der fluidischen Stellantrieb 10 entsprechend der ersten Ausführungsform ausgebildet.
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In 4 ist eine vierte Ausführungsform eines fluidischen Stellantriebs 10 dargestellt, welche vom Prinzip entsprechend der dritten Ausführungsform mit Gasblase 50 ausgebildet ist. Lediglich das Gehäuse 12' weist ein Obergehäuse 56 und ein Untergehäuse 58 auf, die jeweils über einen Flansch 56a, 58a miteinander verschraubt sind. Das Obergehäuse 56 und das Untergehäuse 58 bilden zusammen einen Zylinder. Konzentrisch zum Gehäuse 12' ist ein Kolben 60 vorgesehen, der über eine Membran 62 zwischen mit den Flanschen 56a und 58a verbunden und dort befestigt ist. Die Membran 62 ist so ausgelegt, dass der maximale Hub des Kolbens 60 nicht behindert wird und die erste Druckkammer 22 von der zweiten Druckkammer 24 dichtend getrennt ist.
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Die Kolbenstange 26 ist an seinem freien Ende mit einem Ventilkegel 66 verbunden, welcher mit einem Ventilsitz 68 eines Drosselventils 70 zusammenwirkt.
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Ansonsten ist diese Ausführungsform entsprechend der dritten Ausführungsform ausgebildet. Die Gasblase 50 gewährleistet das Ausgleichsvolumen für ein Bewegen des Kolbens 60.
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Die Erfindung betrifft somit einen fluidischen Stellantrieb 10 mit einem doppelwirkenden Kolben 20, 60. Eine Kolbenstange 26 ragt einseitig zur Kraft- und Hubübertragung aus dem Gehäuse 12, 12' heraus. Die Kolbenstange 26 durchgreift die zweite Druckkammer 24. Das Hubvolumen der beiden Druckkammern ist dadurch nicht gleich. Durch Vorsehen eines Ausgleichkolbens 42 gemäß den ersten und zweiten Ausführungsformen oder durch Vorsehen einer Gasblase 50 in der ersten Druckkammer 22 gemäß der dritten und vierten Ausführungsform wird auf einfache Weise das Differenzvolumen, welches sich durch die Kolbenstange 26 in der zweiten Druckkammer 24 ergibt, ausgeglichen. Da sich die Drücke zwischen der dritten Druckkammer 44, 52 und der ersten Druckkammer 22 ausgleichen, bis auf ein vernachlässigbar kleinen Differenzdruck hervorgerufen durch Reibung, kann die Dicke des Ausgleichskolbena 42 bzw. der Wandung 54 der Gasblase 50 klein gehalten werden. Aufgrund der ausgeglichenen Drücke hat das Gas in der dritten Druckkammer 44, 52 auch kein Bestreben, aus der dritten Druckkammer 44, 52 auszutreten und Störungen, zum Beispiel in der Hydraulikpumpe 34, zu verursachen.
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Als Nebeneffekt ergibt sich noch eine Dämpfungsfunktion für Belastungsspitzen am Stellglied 66, Das Verhalten des Ausgleichskolbens 42 bzw. der Gasblase 50 kann bei der Erstbefüllung der dritten Druckkammer 44, 52 gesteuert werden, in dem ein entsprechender Gasdruck eingestellt wird. Das Verhalten des Ausgleichskolbens 42 bzw. Gasblase 50 wird dadurch „steifer”. Der entsprechende Gasdruck und die damit verbundene Vorkomprimierung kann auch eine definierte Reserve für das Fluid beinhalten, um Temperatureinflüsse oder Verluste im System, hervorgerufen durch kleinste Undichtigkeiten, ausgleichen zu können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Stellantrieb
- 12
- Gehäuse
- 14
- Zylinder
- 16
- oberer Deckel
- 18
- unterer Deckel
- 18a
- Dichtungsring
- 20
- Kolben
- 20a
- Dichtungsring
- 22
- erste Druckkammer – oben
- 24
- zweite Druckkammer – unten
- 26
- Kolbenstange
- 28
- Längsachse
- 30
- Öffnung – unten
- 32
- Hydraulikleitung – unten
- 34
- Hydraulikpumpe
- 36
- weiterer Hydraulikleitung
- 38
- Öffnung – oben
- 40
- Schaltventil
- 42
- Ausgleichskolben
- 42a
- Dichtungsring
- 42b
- Abstandshalter
- 44
- dritte Druckkammer
- 46
- Druckfeder – links
- 48
- Druckfeder – rechts
- 50
- Gasblase
- 52
- Innenraum
- 54
- flexible Wandung der Gasblase 50
- 56
- Obergehäuse
- 56a
- Flansch des Obergehäuses
- 58
- Untergehäuse
- 58a
- Flansch des Untergehäuses
- 60
- Kolben
- 62
- Membran
- 66
- Ventilkegel
- 68
- Ventilsitz
- 70
- Drosselventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3677001 [0004]
- DE 635171 A [0006]
