DE2258942A1

DE2258942A1 - Kraftverstaerker

Info

Publication number: DE2258942A1
Application number: DE19722258942
Authority: DE
Inventors: Ray Clark
Original assignee: Applied Power Industries Inc
Current assignee: Enerpac Tool Group Corp
Priority date: 1971-12-03
Filing date: 1972-12-01
Publication date: 1973-06-14
Also published as: IT973740B; US3800663A; CA972659A; GB1360155A; NL7216148A; JPS4864397A; AU4919372A; FR2162204A1

Description

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Keg.-Nr. P 9I/I89 Dr.F/E

Applied Power Industries, Inc. Milwaukee, Wisconsin 53218, V.St.A.

Kraftverstärker

Sie Erfindung betrifft einen Kraftverstärker mit einem Gehäuse, in dem in einer zylindrischen Bohrung ein Kolben gleitend geführt ist.

Die Erfindung führt zu einem Servosystem beispielsweise hydraulischer Art, bei dem eine auf mechanisches Wege und von Hand bewirkte¹ Verschiebung eines Eingangsgliedes zu einer in Größe und Sichtung gleichen, aber mit wesentlich höherer Kraft verbundenen Bewegung eines Arbeitsgliedes führt. Beispielsweise läßt sich mit Hilfe der Erfindung eine mit einer Stellkraft von 1 bis 10 kp vorgenommene Bewegung in eine dazu proportionale Bewegung mit einer Stellkraft von 1OQ bis 1 kg umsetzen.

Dabei liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftverstärker der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß er bei für einen Einsatz in Industrie und Förderwesen geeignetem, einfachem und robustem Aufbau und ohne die Notwendigkeit eines Sückkopplungsgestanges eine genaue Steuerung der Bewegung des Arbeitsgliedes über eine der ¥erschiebestrecke des Eingangsgliedes angenähert gleiche Strecke ermöglicht, wobei ein etwa über das Arbeitsglied übertragener , Gegendruck innerhalb des Verstärkers aufgefangen und nicht an das Eingangsglied weitergegeben wird und bei einem Ausfall der Hydraulikkraft eine Betätigung von Hand möglich bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kolben die Bohrung im Gehäuse in eine erste und eine zweite Kammer unterteilt,

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denen er eine erete bzw. eine zweite Stirnfläche zuwendet, daß τοη den beiden einander gegenüberliegenden Stirnflächen dee Kolbens seine der ersten Kammer in der Bohrung zugewandte erste Stirnfläche etwa halb eo groß ist wie seine der zweiten Kammer in der Bohrung zugewandte zweite Stirnfläche, dafl aa Kolben eine durch eine Öffnung ie Gehäuse hindurch nach außen geführte Kolbenstange befestigt ist_t daß die erste. Kammer in der Bohrung über eine Einlaßöffnung mit einer Druckquelle verbunden ist, daß die Kolbenstange mit der Druckquelle und alt einem Tank verbindbar β Kfi"*Ί » enthält und daß an der Kolbenstange ein alt einem seiner Bewegung dienenden und seinerseits, von Hand betätigbaren Eingangsglied gekoppeltes Steuerglied angeordnet ist, das quer zu. den Kanälen in der Kolbenstange verläuft und diese zur selektiven Verbindung der zweiten Kammer in der Bohrung alt dea Tank bzw« alt der . Druckquelle zwecks Bewegung des Kolbens um eine der Bewegung des Eingangegliedes in Qro&e und Sichtung gleiche Strecke selektiv frei· gibt oder sperrt*

Beim Betriebe des erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftverstärkerβ wird eine relativ kleine mechanische Bingapgskralt zur Quelle für eine, alt relativ großer Kraft erfolgende gleichsinnige Bewegung eines Arbeiterliedes über eine der eingangsseitigen Verschiebung gleiche Strecke_t wobei die Kraftverstärkung auf eine beispielsweise hydraulische Servoeinrichtung zurückgeht.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ά·τ Erfindung sind in Vnteransprüchen gekennzeichnet.

In einer bevorzugten Aueführungsfora besitzt ein ex findungsgemäß ausgebildeter Kraftverstärker ein Gehäuse alt einer zylindrischen Bohrung darin, in der ein Kolben gleitend, geführt ist, der diese Bohrung in eine in ständiger Verbindung alt einer Druckquelle stehende erste oder Druckkammer und eine zweite oder Steuerkammer unterteilt. Der Kolben weist einander gegenüberliegende erste und zweite Stirnflächen auf, die der ersten bzw. der zweiten Kammer in der Bohrung zugekehrt sind und von denen die erste Stirnfläche etwa halb so groß

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ißt wie die zweite« Von Kolben geht eine Kolbenstange aus, die an einem Ende aus dem Gehäuse austritt und an ihrem freien Ende auf die Anbringung ah einer Betriebslast eingerichtet ist» Auf einem im Durchmesser !deiner gehaltenen Teil der Kolbenstange außerhalb des Gehäuses sitzt eine Manschette, die sich darauf zwischen einem vorderen und einem hinteren Anschlag verschieben kann, die durch den im Durchmesser kleiner gehaltenen Seil der Kolbenstange begrenzende Seitenwände gebildet sind. Die Manschette weist mit gegenseitigem Abstand in axialer Richtung angeordnete und nach innen gerichtete Wandabschnitte auf, die gleitend an der Kolbenstange anliegen, und begrenzt dazwischen rund um den Außenumfang der Kolbenstange eine ringförmige Kammer. Innerhalb der Kolbenstange sind Kanäle vorgesehen, von denen ein erster an einem Ende an einer Öffnung im Außenumfang der Kolbenstange mündet und an seinem anderen Ende Verbindung hat zu einem unter atmosphärischem Druck stehenden Sank. Ein zweiter Kanal in der Kolbenstange verbindet die ringförmige Kammer in der Manschette mit der zweiten oder Steuerkammer in der Gehäusebohrung, und ein dritter Kanal in der Kolbenstange bringt die erste oder Druckkammer in der Gehäusebohrung mit einer zweiten Öffnung am Außenumfang der Kolbenstange in Verbindung, Diese zweite Öffnung ist von der erstgenannten in axialer Sichtung eine dem axialen Abstand zwischen den nach innen gerichteten Wandabschnitten der Manschette entsprechende Strecke entfernt. Bei in Nullode r Gleichgewichtslage befindlichem Kraftverstärker werden beide Öffnungen durch die nach innen gerichteten Uandabschnitte der Manschette überdeckt. Die Manschette ist antriebsmäßig mit einem' von Band betätigbaren Eingangeglied verbunden und verschiebt sich in Entsprechung zu dessen Bewegung auf der Kolbenstange. Da, die nach innen gerichteten Wandabschnitte der Manschette genau so weit voneinander entfernt sind wie die beiden Öffnungen am Außenumfang der Kolbenstange, läßt schon die kleinste Bewegung der Manschette eine dieser Öffnungen frei werden und damit je nach der Bewegungsrichtung der Manschette die Steuerkammer in der Gehäusebohrung entweder mit der Dxuckquelle oder mit dem Tank in Verbindung-kommen, so daß eich ein Unterschied zwischen den in den beiden Kammern in der Gehäusebohrung auf den Kolben einwirkenden Druckkräften einstellt, der zu einer

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Verschiebung von Kolben und Kolbenstange führt. Die»β Bewegung von Kolben und Kolbenstange relativ zur Manschette hält so lange an, bia die Öffnungen an Außenumfang der Kolbenstange wieder durch die nach innen gerichteten Wandabechnitte der Manschette blockiert sind. Das Ausmaß der Verschiebung von Kolben und Kolbenstange entspricht daher dem dar anfänglichen Verschiebung der Manschette mittels des Eingangsgliedes, jedoch verschieben sich Kolben und Kolbenstange alt einer erheblich größeren Kraft.

In dar Zeichnung ist die Erfindung anhand eines, bevorzugten Aueführungsbeispiele veranschaulicht; dabei zeigt die einzige Figur der Zeichnung einen zu» größten Teil der Länge nach aufgeschnittenen Kraftverstärker in erflndungsgemäßer Ausbildung mit einen schema tisch angedeuteten tingangsglied.

Der dargestellte Kraftverstärker 10 weist als Hauptbestandteile einen von Hand betätigbaren ßteuermechanismus ale Eingangeglied und ein Gehäuse Λk nit einem eine zylindrische Längebohrung 18 umschließenden Zylindermantel 16 auf. An einem Ende ist der Zylindermantel durch einen Endetopfen 22 mit einer die Bohrung ld mit dem Außenraum verbindenden axialen Öffnung 2k und am anderen Ende durch einen Einlaßblock 20 abgeschlossen. In dar Bohrung 18 ist ein Kolben 26 gleitend geführt, an dem eine Kolbenstange 28 angebracht ist, die durch die Öffnung 2k hindurch aus dem Gehäuse 1*f ins freie tritt. Am freien Ende der Kolbenstange 2δ ist eine Koppeleinrichtung 30 vorgesehen, deren Ausbildung von der Art und Sichtung der an eine Last weiterzugebenden Bewegung abhängt. In ähnlicher Weise ist auch dar Einlaßblock 20 mit Befestigungeelementen für die Befestigung des Gehäuses 14 an einem geeigneten Träger ausgestattet. Der Kolben 26 und der Endetopfen 22 enthalten in Bingnuten eingelegt üblich· Sichtungeringe 32, 34 und 36, die einen fluiddurchtritt verhindern.

Der Kolben 26 unterteilt die Bohrung 18 in eine im folgenden als Druckkammer bezeichnete erste Kammer 38 und eine im folgenden als Steuerkammer bezeichnete zweite Kammer kO, Die Druckkammer 38 steht

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unter etatischem Systemdruck, da ihr über einen Einlaß 4-2 und einen Anschlußstutzen kk von einer Bruckquelle her unter Druck stehendes Hydraulikfluid zugeführt wird. Der Kolben 26 besitzt eine der Druckkammer 38 zugewandte erste. Stirnfläche k6 und eine der Steuerkammer kO zugewandte zweite Stirnfläche 48, deren Arbeitsfläche etwa doppelt so groß ist wie die der ersten Stirnfläche k6. Der Kolben 26 und die Kolbenstange 28 lassen sich durch Schaffung unterschiedlicher Druckkräfte mittels Variation iee Druckes in der Steuerkammer kO verschieben, wie dies unten noch im einzelnen erläutert wird.

Auf einem im Durchmesser kleiner gehaltenen Abschnitt 5k der Kolbenstange 28 außerhalb des Gehäuses \k sitzt ein Steuerglied in Form einer zur Kolbenstange 28 konzentrischen Manschette 68^ die mit gegenseitigem Abstand »in axialer Sichtung angeordnete und nach innen gerichtete Wandabschnitte 70 und 72 aufweist, die mit ihren Innenseiten am Außenumfang des im Durchmesser kleiner gehaltenen Abschnitts 5k der Kolbenstange gleitend anliegen, und die dazwischen rund um die Kolbenstange 28 eine ringförmige Kammer 7k begrenzt. Der im Durchmesser kleiner gehaltene Abschnitt 5k der Kolbenstange 28 wird durch Stirnwand· 55 und 51 begrenzt, die. als vorderer bzw· als hinterer Anschlag für die Begrenzung der gleitenden Bewegung der Manschette 28 auf der Kolbenstange 28 dienen. Sie, Manschette 68 besitzt weiterhin einen Befestigungsvorsprung 59, an dem ein Stellkabel 61 befestigt ist· Dieses Stellkabel führt zum Steuermechanismus 12, wo es mit einem Stellhebel 63 verbunden ist, so daß sich die Manschette 68 durch eine Bewegung dieses Stellhebels 63 von Hand in Richtung der eingezeichneten Pfeile auf der Kolbenstange 28 verschieben läßt.

In der Kolbenstange 28 ist ein Kanalsystem vorgesehen, zu dem ein erster Kanal 5°- gehört, der zentral und axial in der Kolbenstange 28 verläuft und an einem Ende über einen radial verlaufenden Kanal 56 mit einer Öffnung 52. am Außenumfang des Abschnitts 5k der Kolbenstang· verbunden ist. Das- andere Ende des Kanals 50 ist über einen in koaxialer Verlängerung dazu liegenden Kanal 58 in einem vom Einlaßblock 20 zur Bohrung 18 führenden und in diese hineinreichenden Anschlußstutzen

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von langgestreckter Form mit einem zu. einem unter Behälterdruck stehenden Tank führenden Auslaß 64 verbunden. Der Anechlußstutzen 60 ist im Kanal 50 gleitend und teleskopartig geführt, wobei ein Biahtungsring 62 einen Huiddurchtritt zwischen dem Jtußenumfang de· Anechlußstutzene 60 und der Innenseite des Kanals 50 bei einer Selativbewegung dea Kolbens 26 gegenüber dem Anschlußatutzen 60 verhindert. Ein weiterer Kanal 76, der axial in der Kolbenstange 28 verläuft, verbindet über eine Öffnung 80 die ringförmige Kammer 7k in der Manschette 68 mit der Steuerkammer kO in der Bohrung 18, und ein dritter axialer Kanal 82 in der Kolbenstange 28 schafft über einen radial verlaufenden Kanal 86 eine Verbindung swischen der Druckkammer 38 und einer weiteren Öffnung Bk am Außenumfang der Kolbenstange 28 in deren Abschnitt $k*

Die Kolbenstange 28 ist in ihrem Abschnitt 3k gegenüber der Manschette 68 durch in Bingnuten eingelegte Dichtungsringe 88 und 90· abgedichtet, wobei eine zwischen der Öffnung 84 und dem Dichtungering 90 rundumlaufend in die Kolbenstange 28 eingearbeitete und mit dem Kanal 5Q verbundene Bingnut 92 der Druckentlastung für den Dichtungsring 90 dient, da sie ständig auf dem niedrigen Behälterdruck liegt, der im Kanal 50« herrscht.

Beim Betriebe des dargestellten Kraftverstärkerβ 10 wird der Stellhebel 63 in Sichtung der eingezeichneten Pfeile entweder im Uhrzeigersinne oder entgegen dem uhrzeiger verschwenkt, woraus eich eine entsprechende Longitudinalbewegung für das nach beiden Richtungen wirksame Stellkabel 61 ergibt. Dadurch wird wiederum die Manschette auf der Kolbenstange 28 je nach der Bewegungerichtung für dem Stellhebel 63 nach rechte oder nach links verschoben. In der in der Zeichnung wiedergegebenen Null- oder Gleichgewichtslage des Kraftverstärker 10 blockiert die Manschette 68 sowohl die Öffnung 52 als auch die Öffnung 84, und der Kolben 26 und die Kolbenstange 28 behalten ihre Null- oder Gleichgewichtslage bei. Um nun den Kolben 26 und die Kolbenstange 28 nach rechte zu bewegen, wird der Stellhebel eine bestimmte Strecke, nach rechts verschwenkt, wodurch sieh auch die Manschette 68 nach rechts bewegt und die Öffnung 84 freigibt, so daß

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Fluid unter Druck aus der Druckkammer 38 in der Bohrung 18 in die ringförmige Kammer ¹Jk in der Manschette 68 gelangen kann. Der entstehende fluiddruck wird Über den Kanal 76 zur Steuerkammer hQ übertragen und läßt dort ein Übergewicht der auf die Stirnfläche 48 des Kolbens 26 wirkenden Druckkräfte entstehen, so daß sich der Kolben in der Bohrung 18 nach rechts verschiebt. Die so entstehende Bewegung des. Kolbens 26 und der Kolbenstange 28 relativ zur Manschette 68 hält so lange an, bis die Öffnung Bh erneut durch den Wandabschnitt der Manschette 68 abgedeckt wird, worauf der Zustrom von Fluid unter Druck zur Steuerkammer kQ aufhört. In diesem Zeitpunkt befindet sich der Kraftverstärker wieder in seiner Null.- oder Gleichgewichtslage. Ss versteht sich, daß jede Bewegung am Steuermechanismus 12 und damit der Manschette 68 eine gleich große Bewegung des Kolbens 26 und der Kolbenstange 28 zur Folge hat, d. h. also daß zwischen der eingangssei tigen Bewegung und der ausgangsseitigen Bewegung das Wegeverhältnis 1:1 herrscht. Eine mit der Kolbenstange verbundene Last wird somit unter Ausnutzung der Servowirkung im Kraftverstärker 10 um eine nach Größe und Sichtung durch die Bewegung des Stellhebels 63 bestimmbare gewünschte Strecke bewegt.

Bei einem Einsatz des dargestellten KraftVerstärkers 1Q in der oben beschriebenen Weise läßt sich die über das Stellkabel 61 übertragene Stellkraft um den Faktor 10 bis 100 vergrößern; beispielsweise kann eine auf den Stellhebel. 63 ausgeübte und über das Stellkabel 61 übertragene Stellkraft von 10 kp auf der Eingangsseite an der Kolbenstange eine Ausgangekraft von 1 000 kp entstehen lassen.

Wird auf die Kolbenstange 28 eine plötzliche Kraft ausgeübt, die zu einer plötzlichen Bewegung des Kolbens 26 führt, so wird dennoch keine Bewegung auf den Stellmechaniemue 12 rückübertragen. Dies resultiert hauptsächlich daraus, daß der Kolben 26 stets seine Nulloder Gleichgewichtslage relativ zur Manschette 68 anstrebt, die. ihrerseits in einer festen Stellung relativ zum Gehäuse 1*f und zur Kolbenstange 28 gehalten wird, bis sie durch den Steuermechanismus verschoben wird* Eine plötzlich an die Kolbenstange 28 angelegte Last

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kann so zwar eine kleine axiale Bewegung der Kolbenstange 28 selbst beispielsweise nach rechts verursachen, da sich dabei aber der Kolben 26 relativ zur Manschette 68, die ihre stationäre Lage beibehält, ebenfalls nach rechts verschiebt, wird die Öffnung 52 freigegeben, und die Steuerkammer 40 bekommt Verbindung sum niedrigen Behälterdruck im Tank. Der sieh damit zwischen den Kammern 40 und 38 einstellende Druckunterschied bringt den Kolben 26 und die Kolbenstange 28 Ku einer Bewegung zurück nach links, bis wieder beide Öffnungen und 84 durch die zugehörigen nach innen gerichteten Wandabsehnitte bzw. 72 der Manschette 68 überdeckt werden. Diese Stellung entspricht aber der Ausgangelage von Kolben 26 und Kolbenstange 28 vor der Anlage der plötzlichen Last an die Kolbenstange 28.

Der Abstand zwischen den Öffnungen 52 und 84 ist gleich dem Abstand zwischen den nach innen gerichteten Uandabsennitten 70 und 72 der Manschette 68. Eine solche Abstandsbemessung schaltet praktisch jeden toten Gang zwischen dem Kolben 26 und der Manschette 68 bei Freigabe der Öffnungen 52 und 84 aus. Auch sind die Durchmesser der Öffnungen 52 und 84 im Vergleich zum Hub des Kolbens 26 relativ klein; sie können beispielsweise 0,75 mm (3O/IOOO in.) im Vergleich zu 5 cm (2 in.) Kolbenhub betragen. Der Kolben 26 und die Manschette 68 buauchen sich daher nur eine sehr kleine Strecke relativ zueinander zu verschieben, um die Steuerkammer 40 voll mit dem Systemdruck oder dem Behälterdruck in Verbindung kommen zu lassen. Der erzielbare Druckanstieg in der Steuerkammer 40 ist daher im Vergleich zur Bewegungsatrecke für den Kolben 26 und die damit verbundene Kolbenstange 28 relativ groß.

Für den Fall eines Druckauefalle läßt sich die Kolbenstange 28 ohne ServounterStützung von Hand nach beiden Sichtungen verschieben, indem die Manschette 68 unter Betätigung durch den Stellhebel 63 zur Anlage entweder am vorderen Anschlag 55 oder am hinteren Anschlag 57 auf der Kolbenstange 28 gebracht wird, worauf dann der Stellhebel 63 unmittelbare mechanische Verbindung eur Kolbenstange 28 hat.

- Patentansprüche 3 09824/0365

Claims

Batentansprüche

1-/Kraftverstärker mit einem Gehäuse, in dem in einer zylindrischen Bohrung ein Kolben gleitend geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (26) die Bohrung (18) im Gehäuse (14) in eine erste und eine zweite Kammer (38 und 40) unterteilt, denen er eine erste bzw, eine zweite Stirnfläche (46 bzw. 48) zuwendet, daß von den beiden einander gegenüberliegenden Stirnflächen (46 und 48) des Kolbens (26) seine der ersten Kammer (38) in der Bohrung (18) zugewandte erste Stirnfläche (46) etwa halb so groß ist wie seine der zweiten Kammer (40) in der Bohrung (18) zugewandte zweite Stirnfläche (48), daß am Kolben (26) eine durch eine Öffnung (24) im Gehäuse (14) hindurch nach außen geführte Kolbenstange (28) befestigt ist, daß die erste Kammer (38) in der Bohrung (18) über eine Einlaßöffnung (42) mit einer Druckquelle verbunden ist, daß die Kolbenstange (28) mit der Druckquelle und mit einem Tank verbindbar« Kanäle (50, 76, 82) enthält und daß an der Kolbenstange (28) ein mit einem seiner Bewegung dienenden und seinerseits von Hand betätigbaren Eingangsglied (12) gekoppeltes Steuerglied (68) angeordnet ist, das quer zu den Kanälen (fJQ, 76, 82) in der Kolbenstange (28) verläuft und diese zur selektiven Verbindung der zweiten Kammer (4Q) in der Bohrung (18) mit dem Tank und mit der Druckquelle zwecks Bewegung des Kolbens (26) um eine der Bewegung des Eingangsgliedes (12) in Größe und Sichtung gleiche Strecke selektiv freigibt oder sperrt.
2. Kraftverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangsglied (12) eine Anordnung mit einem in beiden Sichtungen wirksamen Stellkabel (61) enthält.

3· Kraftverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das „Steuerglied eine konzentrisch auf der Kolbenstange (28) sitzende Manschette (68) ist, die erste und zweite nach innen gerichtete und gleitend an der Kolbenstange (28) anliegende Wandabschnitte (70 und 72) besitzt, die einen axialen Abstand voneinander aufweisen und zwischen sich eine die Kolbenstange (28) umgebende
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ringförmige Kammer (?4) einschließen, daß die Kanäle in dar Kolbenstange (28) ein erster Kanal (50)_t der an einem Inde in einer ersten Öffnung (52) auf der Außenseite der Kolbenstang·· (28) mündet und am anderen finde Verbindung zum Tank hat, ein zweiter Kanal (76), dar an einem Ende mit der ringförmigen Kammer (74) in des Manschette (68) und am anderen Ende mit der zweiten Kammer (40) in der Bohrung (18) verbunden ist, und ein dritter Kanal (82) sind, der an einem lade Bit der Druckquelle in Verbindung steht und am anderen Ende in einer zweiten Öffnung (84) auf der Außenseite der Kolbenstange (28) mündet, die von der ersten Öffnung (52) einen axialen Abstand avfweist, und daß die nach innen gerichteten Wandabschnitte (70 und 72) der Manschette (68) in der Null- und Gleichgewichtslag* des Kolbens (26) die erste und die zweite Öffnung (52 und 84) auf der Außenseite der Kolbenstange (28) abdecken.
4. Kraftverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kürzeste Axialabstand zwischen den beiden nach innen gerichteten Wandabschnitten (70 und 72) der Manschette (68) gleich dem kürzesten Axialabstand zwischen den beiden Öffnungen (52 und 84) auf der Außenseite der Kolbenstange (28) ist.

5· Kraftverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (28) einen im Durchmesser kleiner gehaltenen Abschnitt (54) aufweist, auf dem die Manschette (68) gleitend geführt ist und der an beiden Enden durch einen ersten bzw. einen zweiten Anschlag (55 bzw. 57) für die Begrenzung der Bewegung der Manschette (68) auf der Kolbenstange (28) begrenzt ist.

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