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Die Erfindung betrifft einen Fluidantrieb und insbesondere einen Fluidantrieb nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Fluidantriebe umfassen Pneumatik- und Hydraulik-Systeme mit einem Pneumatik-Zylinder oder einem Hydraulikzylinder als Arbeitszylinder. Pneumatikantriebe basieren auf einem Gas, insbesondere Umgebungsluft als Arbeitsfluid. Hydraulikantriebe basieren dementsprechend auf einer Flüssigkeit, insbesondere Öl als Arbeitsfluid.
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Hydraulikantriebe für lineare Bewegungen sind allgemein bekannt. Über einfache Expansions- und Kontraktionsbewegungen hinaus werden Hydraulikantriebe im Stand der Technik auch eingesetzt, um Dreh- oder Schwenkbewegungen zu erzeugen. Dazu muss grundsätzlich auf Gelenke wie Getriebe, Gelenklager, Hebel, zurückgegriffen werden, die auf das zu schwenkende Teil wirken. Durch die Umwandlung von der geradlinigen Bewegung des Hydraulikzylinders mit Hilfe der Getriebe, Gelenklager und Hebel wird die geradlinige Bewegung des Kolbens des Hydraulikantriebs in eine Schwenkbewegung umgewandelt, bei der beispielsweise der Kolben auf eine Zahnstange mit einem Ritzel wirkt und auf diese Art eine Drehbewegung einer Abtriebswelle erzeugt.
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Alternativ zu einem schwenkbar gelagerten Hydraulikzylinder mit gelenkig an einer Last verbundenen Kolbenstange kann eine Abtriebswelle auch mit Schwenkflügeln gedreht werden. Dabei überträgt eine drehbare Abtriebswelle die Schwenkbewegung pneumatisch. In einer weiteren Alternative wandeln Kolben, Zahnstange und Ritzel eines Schwenkantriebs eine Linear- in eine Schwenkbewegung um, und die drehbare Abtriebswelle überträgt die Schwenkbewegung pneumatisch. Auch mit einer Kombination aus Drehzylinder und Schwenkflügel und Linearzylinder kann eine drehbare Abtriebswelle die Schwenkbewegung pneumatisch übertragen.
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Der Stand der Technik hat u.a. den Nachteil, dass Konstruktions-, Kombinations- und Anwendungsvarianten bestimmten Einschränkungen unterliegen, die im Weiteren erläutert werden. Wenn an Hebeln mit Drehpunkt befestigte Teile vor und zurück geschwenkt werden sollen, wird im Stand der Technik ein linear wirkender Zylinder mit Schwenkbefestigung und Gelenkkopf eingesetzt. Der Nachteil eines solchen Aufbaus besteht darin, dass die Zylinderkraft nicht gleichmäßig auf das zu bewegende Bauteil wirkt. Die geradlinige Bewegung des Zylinders wird stattdessen in eine Schwenkbewegung umgewandelt, so dass immer nur eine Kraft resultiert, die geringer ist als die vom Zylinder bereitgestellte Kraft. Ferner müssen der Zylinder und die daran befindlichen Teile schwenkbar um einen Drehpunkt gelagert sein, wodurch mehrere Bauteile wie Lagerbock, Schwenkflansch, Gelenkkopf erforderlich sind. Außerdem muss darauf geachtet werden, dass der Zylinder während der Schwenkbewegungen nicht mit anderen Teilen kollidiert. Die Medienzuführung muss ebenfalls für die Schwenkbewegungen ausgeführt sein.
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Wenn Achsen bzw. Wellen um ihre eigene Mittelachse geschwenkt werden sollen, wird dies im Stand der Technik üblicherweise mit Schwenkzylindern gelöst. Ein Beispiel hierfür sind Schwenkantriebe mit Schwenkflügel oder mit Kolben, Zahnstange und Ritzel. Der Nachteil hierbei ist, dass in axialer Richtung der zu schwenkenden Welle ausreichend Platz vorhanden sein muss, um den Schwenkantrieb anbauen zu können. Alternativ kann man zusätzlich auf Hebel, Getriebe, Riementriebe, Kettentriebe usw. zurückgreifen. Ist dieser Platz nicht vorhanden, greift man auf den Aufbau für das Vor- und Zurückschwenken von an Hebeln mit Drehpunkt befestigten Teilen zurück.
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Beispiele für den Stand der Technik sind die folgenden Patentanmeldungen. Aus
DE 10 2015 206 399 A1 ist ein Hydraulikantrieb mit integriertem Getriebe bekannt, der ein hydraulisches Betätigungssystem umfasst. Um den Antriebsstrang mit einem Hydraulikantrieb zu vereinfachen, ist das Hydrauliksystem mit dem hydraulischen Betätigungssystem des Getriebes kombiniert.
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Aus
DE 10 2015 211 078 A1 ist ein Hydrauliksystem mit zusätzlichem Motor bekannt. Das Hydrauliksystem ist mit einer Niederdruckseite und mit einer Hochdruckseite, auf der ein Hochdruckspeicher angeordnet ist, sowie mit mindestens einer Hydraulikmaschine zwischen der Niederdruckseite und der Hochdruckseite versehen. Um das Hydrauliksystem funktionell zu verbessern, ist auf der Niederdruckseite eine zusätzliche Motor-Pumpen-Einheit angeordnet.
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Aus
DE 20 2015 002 812 U1 ist ein Containerdeckel mit einem Hydraulikantrieb bekannt. Der Containerdeckel umfasst eine Betätigungseinrichtung zur Betätigung des mit einem Container schwenkbar verbunden Containerdeckels, wobei eine über einen fest mit dem Containerdeckel verbundenen Schwenkhebel doppelt beaufschlagbare Kolbenstange eines Hydraulikkolbenantriebes vorgesehen ist, der entweder durch einen über einen Handhebel betätigbaren Hydraulikdruckgeber oder über einen externen mit der notwendigen Antriebsenergie versorgbar ist, die aus einem ortsfesten örtlichen stationären Elektroenergienetz entnehmbar ist.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Fluidantrieb zu schaffen, mit dem eine Schwenkbewegung ermöglicht wird, wobei der Fluidantrieb mit weniger beweglichen Teilen auskommen sollte als der Stand der Technik und eine möglichst große Beweglichkeit aufweist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das die Fluidantriebsvorrichtung nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung schlägt vor, dass der Kolbens statt wie in herkömmlichen Pneumatik- oder Hydraulikzylindern eine lineare Bewegung eine bogenförmige Bewegung macht und somit die Schwenkbewegung direkt erzeugt.
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Ausgangspunkt der Erfindung ist damit ein Fluidantrieb für den Vortrieb einer Last mit
- – einem Druckgehäuse für die Aufnahme von Arbeitsfluid und
- – einem in dem Druckgehäuse beweglichen Kolben mit einer Kolbenstange zum Vortrieb der Last.
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Um der Last eine bogenförmige Bewegung aufzuzwingen, ist vorgesehen, dass das Druckgehäuse und die Kolbenstange eine gemeinsame Achse aufweisen, die einen Kreisbogenabschnitt beschreibt, und der Kolben eine bogenförmige Bewegung durchläuft.
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Vorzugsweise sind Stabilisierungsmittel in dem Druckgehäuse vorgesehen zum Führen der Kolbenstange entlang dem Kreisbogenabschnitt.
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Insbesondere ist der Querschnitt des Druckgehäuses kreisförmig oder oval. Dadurch lässt sich die Herstellung von Zylinder und Kolben vereinfachen. Ferner wird eine Verdrehung der Komponenten gegeneinander vermieden, und der Aufbau ist besonders platzsparend.
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Alternativ ist der Querschnitt des Druckgehäuses rechteckig. Damit wird ein Zusammenbau des Druckgehäuses aus einzelnen gebogenen Platten möglich. Dabei können mehrere Platten übereinander angeordnet werden, so dass ein stabilerer Aufbau für größere Kräfte hergestellt werden kann.
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Der Fluidantrieb ist sowohl geeignet für den Fall, dass das Fluid ein Gas ist, als auch für den Fall, dass das Fluid eine Flüssigkeit ist.
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Die Erfindung hat neben der Verbesserung des Standes der Technik durch die Lösung der Aufgabe die folgenden Vorteile. Es werden weniger zu montierende Bauteile benötigt als im Stand der Technik, es besteht ein geringerer Platzbedarf als im Stand der Technik, zu jedem Zeitpunkt und in jeder Stellung wirkt immer die gleiche Kraft auf das zu bewegende Bauteil. Schwenkbewegungen des Druckgehäuses sind nicht notwendig, was die Stabilität des Aufbaus begünstigt.
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Die Erfindung kann darüber hinaus nicht nur als Antrieb für das Schließen und Öffnen von Klappen bzw. Türen genutzt werden, sondern auch als Stoßdämpfer eingesetzt werden. Wenn man außerdem mehrere der erfindungsgemäßen Fluidantriebe kombiniert, so lassen sich um mehrere Achsen bewegliche Antriebe herstellen, die z.B. als Schulter-, Ellbogen-, Kniegelenk für Roboter geeignet sind. Mit anderen Worten, der erfindungsgemäße Bogenantrieb lässt sich als eine Baugruppe herstellen, bei der das Gelenk gleichzeitig auch der Schwenkantrieb ist. Die Schwenkbewegung kann um eine Achse erfolgen wie bei einem Ellbogen- oder Kniegelenk. Alternativ kann das Schwenken um zwei Achsen wie beim Schultergelenk erfolgen. Dabei kann ein aus zwei Zylindern aufgebauter Antrieb so konstruiert sein, dass die beiden Zylinder einen gemeinsamen Schwenkpunkt besitzen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, bei der Bezug genommen wird auf die beigefügte Zeichnung.
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1 zeigt schematisch und in Seitenansicht eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fluidantriebs in Ruheposition.
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2 zeigt schematisch und in Seitenansicht die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fluidantriebs nach 1 in Arbeitsposition.
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3A bis 3C zeigen einen herkömmlichen Hydraulikzylinder zwischen einem Drehlager und einem Hebel zum Umwandeln der Linearbewegung in einer Drehbewegung.
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4A bis 4C zeigen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fluidantriebs zwischen einem Widerlager und einem Hebel zum Erzeugen einer Drehbewegung.
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5A bis 5D zeigen eine Ausführungsform eines mehrachsigen Aufbaus aus zwei erfindungsgemäßen Fluidantrieben.
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Die Zeichnung ist nicht maßstäblich. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen, soweit nichts anderes gesagt ist.
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1 zeigt schematisch und in Seitenansicht eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fluidantriebs 1 in Ruheposition. Der Fluidantrieb 1 umfasst ein bogenförmiges Druckgehäuse 5, das einen Kreisbogenabschnitt mit einem Radius R beschreibt. Mit dem Gehäuse 5 ist ein Kolben 2 formschlüssig verbunden, so dass Gehäuse 5 und Kolben 2 zueinander beweglich sind. Der Kolben 2 beschreibt ebenfalls einen Kreisbogenabschnitt mit dem Radius R. Der Kolben 2 und das Gehäuse 5 bewegen sich relativ zueinander, sobald ein Arbeitsfluid bzw. Medium, z.B. Druckluft oder Hydrauliköl, durch einen Medienanschluss 3 auf der einen Seite in das Gehäuse geleitet wird. Die andere Seite des Gehäuses ist dabei drucklos oder mit einem geringeren Druck beaufschlagt. Sowohl das Gehäuse als auch der Kolben können dabei als feststehend bzw. als beweglich angesehen werden. In der zeichnerischen Darstellung ist das Gehäuse als bewegliches Gehäuse gezeigt.
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Der Kolben 2 ist einerseits mit einem beweglichen Gehäuseteil 5 und andererseits mit einer Kolbenstange 6 verbunden. Die Kolbenstange 6 überträgt die Kolbenbewegungen auf die zu bewegenden (nicht gezeigten) Teile. Das Gehäuseteil 5 und der Kolben 2 weisen dabei eine gemeinsame gekrümmte Achse 4 auf. Der bewegliche Gehäuseteil 5 ist formschlüssig mit dem bogenförmigen Kolben 2 verbunden, so dass beide gleichzeitig einander als Führung dienen, die Scherkräfte aufnehmen kann. Diese Führung kann als Gleit- oder Wälzführung ausgebildet sein.
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2 zeigt schematisch und in Seitenansicht die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fluidantriebs nach 1 in Arbeitsposition. In der Arbeitsposition des Fluidantriebs befinden sich der Kolben 2 und das bewegliche Gehäuseteil 5 in einer maximal ausgelenkten Position. In der gezeigten Darstellung entspricht dies einem Winkel zwischen den beiden Komponenten von 180°. Auf diesen Bereich ist der Fluidantrieb aber nicht beschränkt. Es ist ebenso möglich, dass ein kleinerer Winkel als 180° abgedeckt wird, z.B. 30°, 45°, 70°, 90°, 120°... usw.. Ebenso ist es möglich, mittels eines Teleskopaufbaus des Kolbens einen größeren Winkel als 180° abzudecken, z.B. 240° oder 270°.
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In einer weiteren bevorzugten (nicht gezeigten) Ausführungsform ist der Fluidantrieb gänzlich in einem Außengehäuse untergebracht, und die Übertragung der Kraft von dem beweglichen Teil auf einen Gegenstand erfolgt berührungslos beispielsweise über eine magnetische Kupplung. Das Außengehäuse deckt sowohl das Gehäuse als auch den Kolben der Fluidantriebs über deren gesamten fahrbaren Weg ab. Ein Schlitten, der außen auf dem Außengehäuse angeordnet ist, wird über Magnetkräfte von dem beweglichen Teil des Fluidantriebs, also entweder dem beweglichen Gehäuse oder dem Kolben mitgenommen. Der Schlitten macht somit auf dem Außengehäuse liegend die Bewegung des Fluidantriebs mit, ohne dass er mechanisch in Kontakt mit dem Fluidantrieb steht. Damit entfallen besondere Vorkehrungen, die möglicherweise nötig werden, wenn der Fluidantrieb in einer chemisch oder mechanisch rauhen und aggressiven Umgebung zum Einsatz kommt. Besondere Dichtungen, die den Übergang zwischen den beweglichen Teilen des Fluidantriebs schützen, sind in einem solchen Fall nicht mehr notwendig.
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3A bis 3C zeigen einen linear arbeitenden Fluidantrieb nach dem Stand der Technik zur Erzeugung einer Schwenkbewegung. Mit der Schwenkbewegung soll eine (nicht gezeigte) Last 7 durch einen Linearzylinder 8 über einen Lasthebel 9 aus einer Anfangsposition, die in 3A gezeigt ist, in eine Endposition, die in 3C gezeigt ist, gebracht werden. Der Lasthebel ist an einer Seite mit der Last 7 verbunden, und an seiner anderen Seite ist er drehbar in einem Lasthebellager 10 gelagert. Dazwischen ist er über einen Gelenkkopf 11 mit dem Kolben des Linearzylinders 8 verbunden. Damit der Linearzylinder 8 der Bewegung des Lasthebels 9 folgen kann, ist der Linearzylinder auf seiner Zylinderseite über ein Zylinderlager drehbar gelagert.
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4A bis 4C zeigen einen Fluidantrieb nach 1 und 2 zum Erzeugen einer Schwenkbewegung in den entsprechenden Positionen. Aus der Gegenüberstellung von 3A bis 3C und 4A bis 4C ergibt sich, dass die in 1 und 2 gezeigte Ausführungsform des Fluidantriebs problemlos einen größeren Arbeitsbereich abdeckt, als es nach dem Stand der Technik möglich ist. Während der Antrieb in 3A bis 3C einen Arbeitsbereich von etwa 75° aufweist, ist mit dem Antrieb in 4A bis 4C ein Bereich von nahezu 90° realisierbar. Der Antrieb in 4A bis 4C kann jedoch auch für Bereiche über 90° hinaus ausgedehnt werden, wenn ein Teleskopkolben statt eines einfachen Kolbens in dem Fluidantrieb verwendet wird. Dies ist in 3A bis 3C grundsätzlich nicht möglich. Außerdem wird in dieser Darstellung deutlich, dass der Fluidantrieb nach 1 und 2 mit weniger beweglichen Teilen auskommt als der Stand der Technik. Ferner ist dem Fachmann klar, dass bei dem Fluidantrieb nach 4A bis 4C die übertragene Kraft immer gleich bleibt, während sich die übertragene Kraft in 3A bis 3C abhängig von der Hebelstellung des Hebels 9 ändert. So erreicht der Aufbau mit Linearzylinder seinen optimalen Wirkungsgrad nur in der mittleren Stellung, die in 3B gezeigt ist. Die übertragene Kraft ist hingegen in 4A, 4B und 4C immer die gleiche.
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Der Fluidantrieb nach 1 und 2 ermöglicht auch Bewegungen um mehr als eine Achse. Dies ist in 5A bis 5D anhand von zwei Fluidantrieben gezeigt. Hier ist das schwenkbare Gehäuse 26 eines ersten Fluidantriebs fest mit dem schwenkbaren Gehäuse 28 eines zweiten Fluidantriebs verbunden. Ihre Medienanschlüsse 3 zu den Anschlussstellen der Zylinderseiten, und auch zu anderen angebauten und mitschwenkenden Zylindern oder Teilen sind verdeckt im Inneren möglich, so dass keine Schläuche oder Kabel die Optik oder die Bewegungen beinträchtigen, oder hängenbleiben und abreißen können, und sind vorzugsweise an einer gemeinsamen Stelle zusammengeführt. Bei Verwendung von Verbindungs- oder Adapterstücken 29 mit Kanälen für die Medienführung und Dichtungen minimiert sich der Aufwand für Verschlauchungen zwischen mehreren Zylindern. Dabei ist die verdeckte Führung von Schläuchen und Kabeln aber nicht zwingend erforderlich, die Schläuche und Kabel können auch wie bei vielen herkömmlichen Zylindern der Einfachheit halber und wenn sie die Funktion und Optik nicht beeinträchtigen auch außen angebracht und sichtbar sein.
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Wenn sich das schwenkbare Gehäuse 26 des ersten Fluidantriebs bewegt, nimmt es das Gehäuse des zweiten Fluidantriebs mit. Dadurch bewegt sich das Gehäuse des zweiten Fluidantriebs auf einer Kreisbahn und wird folglich um eine Achse 24 geschwenkt. Wenn auch das Arbeitsfluid des zweiten Gehäuses mit Druck beaufschlagt wird, so fährt der Kolben des zweiten Fluidantriebes aus, so dass eine Last am Ende des Kolbens des zweiten Fluidantriebes ebenfalls eine Kreisbahn beschreibt. Die sich ergebende Gesamtbewegung der Last am Ende des Kolbens des zweiten Fluidantriebes ist eine Drehung um einen Polarwinkel und um einen Azimuthwinkel um einen Ursprung 23. Die Befestigung der Gehäuse des ersten und zweiten Fluidantriebs aneinander ist an verschiedenen Positionen und für gleiche oder verschiedene Bewegungsrichtungen möglich. Die Bewegung der Gehäuse kann unabhängig voneinander erfolgen, so dass die Bewegungen um die gemeinsame Schwenkachse 22 oder den gemeinsamen Schwenkpunkt 23 erfolgt. Die Bewegungen könne, müssen jedoch nicht um eine gemeinsame Achse oder um einen gemeinsame Punkt erfolgen, je nach Anwendung können Drehachse und Drehpunkt aber auch unterschiedlich sein. Es können auch weitere Fluidantriebe oder andere Antriebe hinzukommen, um z.B. Mehrstellungszylinder oder in mehrere Richtungen bewegliche Gelenke darzustellen.
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Der Fluidantrieb ist auf vielen Gebieten gewerblich anwendbar, wie z.B. im Maschinenbau, in der Fördertechnik, in der Automation, Handhabung, Robotik, etc. Das Arbeitsfluid kann aus der Pneumatik, Vakuumtechnik oder Hydraulik stammen. Der Vorteil des hier dargestellten Fluidantriebs ist das Fehlen von Getriebe, Zahnstange mit Ritzel, Gelenke, Drehflügel, Schwenkflügel, Schraubgewinde und ähnliches zur Herstellung der Schwenkbewegung. Stattdessen wird die bogenförmige Bewegung bzw. Schwenkbewegung direkt im Bogenantrieb erzeugt, und der Kolben bewegt sich mit dem Radius R um einen Schwenkpunkt. Das Gelenk mit Schwenkpunkt und Antrieb bilden eine Einheit. Dadurch sind eine kompakte Bauweise und der Einsatz als Robotergelenk möglich für Bewegung in einer oder mehreren Achsen. In Kombination mit angebauten oder integrierten Weg- oder Winkelmesssystemen sind auch servopneumatische oder servohydraulische Antriebe möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fluidantrieb
- 2
- Kolben im Inneren des Fluidantriebs
- 3
- Medienanschlüsse
- 4
- gemeinsame Achse
- 5
- Druckgehäuse
- 6
- Kolbenstange
- 7
- Last bzw. Lager für Anbringung von Last
- 8
- Linearzylinder
- 9
- Lasthebel
- 10
- Lasthebellager
- 11
- Gelenkkopf
- 12
- Zylinderlager
- 20
- Bogenantrieb
- 21
- Bogenantriebe miteinander gekoppelt
- 22
- Schwenkachse von erstem Antrieb
- 23
- gemeinsamer Schwenkpunkt
- 24
- Schwenkachse von zweitem Antrieb
- 25
- feststehendes Gehäuse von erstem Antrieb
- 26
- schwenkbares Gehäuse von erstem Antrieb
- 27
- Schwenkrichtung von erstem Antrieb
- 28
- schwenkbares Gehäuse von zweitem Antrieb
- 29
- Verbindungsstück
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015206399 A1 [0007]
- DE 102015211078 A1 [0008]
- DE 202015002812 U1 [0009]
