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Kühlanordnung für den rotierenden Zylinder einer
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hydraulischen Betätigungsvorrichtung für ein Werkzeugmaschinen-Spannfutter
Die Erfindung bezieht sich auf eine hydraulische Betätigungsvorrichtung für ein
Spannfutter einer Werkzeugmaschine gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1.
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Dem rotierend betriebenen hydraulischen Zylinder der betroffenen
bekannten Betätigungsvorrichtungen haftet der Mangel an, daß die Lager der rotierenden
Wellen der Vorrichtung bei deren Betrieb mit einer 5000 U/min übersteigenden Drehzahl
im allgemeinen überhitzt werden und damit ein Ansteigen der Temperatur der ganzen
Vorrichtung und weiterhin eine Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit solcher rotierenden
Zylinder verursacht wird.
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Zur Vermeidung solcher Temperaturanstiege sind bisher folgende Wege
bekannt: 1) Das ganze Volumen des Betätigungs-ölkreislaufes wird vergrößert, um
mit einer entsprechenden Vergrößerung des Inhaltes eines zugeordneten öltankes eine
natürliche Kühlung zu erhalten, 2) durch eine reichliche Ausstattung der wärmeerzeugenden
Teile der Vorrichtung mit Kühlrippen wird eine Kühlung durch eine verbesserte Wärmeabgabe
nach außen erzielt und 3) auf dem Wege des
hydraulischen Kreislaufes
des Arbeitsöles wird ein Kühler angeordnet. Indessen sind die vorgenannten Ausrüstungen
entweder räumlich umfangreich oder in der Konstruktion kompliziert, wodurch solche
Ausrüstungen zugleich teuer ausfallen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt vor allem die Aufgabe zugrunde,
den Betrieb eines rotierenden Zylinders der betroffenen Vorrichtung mit einer hohen
Drehzahl bei einer nur einfachen Abär.derung zu ermöglichen, ohne daß kostspielige
oder viel Platz in Anaspruch nehmende und komplizierte änderungen erforderlich werden.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst.
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Die Erfindung führt darüberhinaus zu folgenden Vorteilen: Es kann
über eine lange Benutzungszeit der Vorrichtung eine große Arbeitspräzision gewährleistet
werden, indem ein Temperaturanstieg des Betriebsöles und der ganzen Vorrichtung
vermieden wird Es ist möglich, eine Senkung des in Abhängigkeit von der Drehzahl
erzeugten Temperaturniveaus der Vorrichtung zu erzielen. Die zulässige Benutzungsdauer
des Betriebsöles kann dadurch verlängert werden, daß es bei einem Betrieb der Vorrichtung
mit hoher Drehzahl an einer Alterung-oder sonstigen Beeinträchtigung seiner Eigenschaften
gehindert wird. Weiterhin können durch die Erfindung viele Arten von Mängeln beseitigt
werden, beispielsweise die Beschädigung eines Werkstückes, wie sie etwa durch eine
zu große Einspannkraft erfolgen kann, die durch eine Ausdehnung des im genannten
Zylinder befindlichen Jlvolumens verursacht werden kann, und eine möglichst kleine
und leichte Ausbildung des Zylinders erreicht eren, etwa durch eine dünne Bemessung
der Zylinderwandung und/oder durch eine Verkleinerung des Durchmessers des Zylinders.
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Außerdem ist durch die Erfindung eine Verringerung des Volumens des
Arbeitsöles ermöglicht, woraus sich eine kleine Bemessung des Ölbehälters des zugeordneten
Ölkreislaufes ergibt, und dadurch zugleich zur Energieeinsparung beizutragen, die
insbesondere gefordert worden ist Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen ek.,enn.ze2'chnet'.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter
Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.
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In der Zeichnung zeigen Fig. 1 die ganze erfindungsgemäße Vorrichtung
in einer perspektivisch gehaltenen Seitenansicht; Fig. 2 dieselbe Vorrichtung in
einem Längsschnitt, Fig. 3 eine der Fig. 1 entsprechende Ansicht einer.zylindrischen
Haube der Vorrichtung; Fig. 4 eine gleiche Ansicht eines Lüfterrades der Vorrichtung;
Fig. 5 ein den Temperaturanstieg des Betriebsöles der Vorrichtung in Abhängigkeit
von der Betriebs zeit veranschaulichendes Diagramm; Fig. 6 einen vergrößert dargestellten,
Einzelheiten eines im Kolben der Vorrichtung angeordneten Rückschlagventiles veranschaulichenden
Teilausschnitt der Fig. 2.
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Eine einen an ihr festgelegten und in einem Zylinder 1 längsverschiebbaren
Kolben 3 tragende Kolbenstange 2 ist in einer Bohrung 4 des Zylinders 1 verschiebbar
gelagert Auf der Kolbenstange 2 ist ein mit dem Zylinder 1 mittels Schrauben 7 verbundenes
und mitrotierendes Ventil 5 gelagert, das mit den Ölstrom sperrenden zapfenartigen
Sperrvorrichtungen 6 und 6 versehen ist, An den dargestellten Stellen vorgesehene
O Ringe 8, 9 und 10 sorgen für eine entsprechende Abdichtung. Am Kolben 3 ist ein
Führungsstift
11 festgelegt, von dessen beiden Enden P und P' je nach der Stellung des Kolbens
3 das eine in einer Bohrung 12 des Zylinders 1 und eines (gemäß der Darstellung
ventilseitig) im mitrotierenden Ventil 5 geführt ist, wodurch eine relative Drehung
des Kolbens 3 gegenüber dem Zylinder 1 begrenzt bzw. verhindert wird.
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Das gemäß Fig. 2 rechte Ende der Kolbenstange 2 ist in nicht besonders
dargestellter Weise mit einer Spannhülse gekuppelt, die zum Betätigen der Klauen
eines (nicht dargestellten) eigentlichen Spannfutters dient. Das anderseits befindliche
rotierende Ventil 5 weist einen gegenüber dem Außenumfang des Zylinders 1 in zwei
aufeinanderfolgenden Stufen K1 und K2 auf einen jeweils kleineren Durchmesser abgesetzten
Außenumfang auf und trägt auf der kleineren Stufe K2 einen Muffenkörper 13, in dem
in nachstehend näher beschriebener Weise eine Muffe 14 angeordnet ist. Eines (15)
von zwei an den beiden Enden der Muffe 14 eingesetzten Lagern 15 und 15' ist unmittelbar
in die Innenwandung der Muffe 14 eingepaßt, während das andere Lager (15') in die
Innenwandung eines mittels Schrauben 16 am Muffenkörper 13 festgelegten Abschlußringes
17 eingesetzt ist. Am äußeren Rand der kleineren Stufe K2 ist mittels Schrauben
19 ein Anschlagring 18 festgelegt. An ihren einander zugekehrten Umfangsteilen sind
der Anschlagring 18 und der Abschlußring 17 zur Bildung einer Labyrinthabdichtung
konvex-konkav geformt, während der Abschlußring 17 an einer unteren Stelle sowohl
eine aus einer äußeren Labyrinthkammer schräg nach unten außen verlaufende Abflußbohrung
20 als auch von einer inneren Labyrinthkammer eine schräg nach innen und unten in
einen Öl sumpf 22 des Muffenkörpers 13 ausmündende Abflußbohrung 21 aufweist. Infolgedessen
wird von außen kommendes Öl durch die Abflußbohrung 20 nach außen abgeleitet, während
an der Innenseite des Abschlußringes 17 anfallendes Lecköl im Ölsumpf 22 gesammelt
wird. An der Oberseite des Abschlußringes 17 befindet sich weiterhin ein Entlüftungsstopfen
23, durch den in einfacher und zuverlässiger Weise der getrennte Abfluß des Lecköles
nach außen und in den Ölsumpf 22 gesichert wird.
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Nachstehend wird die Arbeitsweise des Kolbens 3 im Zylinder 1 näher
beschrieben. Das von einer äußeren Ölquelle (für gewöhnlich ein Ölbehälter) in nicht
besonders dargestellter Weise zugeführte Öl gelangt durch eine äußere Anschlußstelle
24 des Muffenkörpers 13 in einen Ölkanal 25 des Ventils 5 r von dem aus es durch
die genannte Sperrvorrichtung 6 in einen im Zylinder 1 befindlichen Ölkanal 26 und
in den gemäß Fig. 2 rechten Zylinderraum 27 des Zylinders 1 gelangt, wodurch der
Kolben 3 nach links verschoben wird.
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Das hierdurch aus dem anderseits des Kolbens 3 befindlichen Zylinderraum
27' verdrängte Öl gelangt durch die zugeordnete Sperrvorrichtung 6' in einen weiteren,
im Ventil 5 befindlichen Ölkanal 25 aus dem es durch eine weitere Anschlußstelle
24 1 des Muffenkörpers 13 in nicht besonders dargestellter Weise nach der Ölquelle
(ölbehälter) hin geleitet und darin gesammelt wird.
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Wenn nach Beendigung des vorstehend beschriebenen Arbeitshubes des
Kolbens 3 dessen Rückhub beginnt , wird ein (nicht dargestelltes) Ventil so umgeschaXtetD
daß die vorgenannte Anschlußstelle 24 nun zur Ölzuführung und die vorgenannte Anschlußstelle
24 nunmehr zur Ölabführung dient. Dadurch wird der Rückhub des Kolbens 3 in gel.au
gegensätzlicher Weise wie der Arbeitshub durch geführt. Währenc der beschriebenen
Druckölbetätigung des Kolbens 3 gelangt zwischen der ortsfesten Muffe 14 und der
Stufe K2 des EO-rotierenden Ventils Lecköl einerseits durch einen Ringspalt T zu
dem Lager 15 und anderseits durch einen Ringspalt Tg zum Lager 15; wodurch beide
Lager geschmiert werden. Nach diesem Schmiervorgang kann das Lecköl von den Außenseiten
der beiden Lager 15 und 15' aus in den Öl sumpf 22 und von dessen Grunde aus in
nicht besonm ders dargestellter Weise zur genannten Ölquelle (Ölbehälter) abfließen.
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Wie in der vorstehenden Beschreibung er§hnt wurde, wird ein (nicht
dargestelltes) Werkstück mittcls durch den vorgenannten
Ölkreislauf
betätigter Klauen gespannt, wodurch die Möglichkeit seiner Bearbeitung sichergestellt
wird. Bei einer fortgesetzten Bearbeitung heizt die durch eine hohe Umlaufdrehzahl
des rotierenden Ventils 5 erzeugte Wärmeenergie das in den Kanälen 25, 25', 26 und
26' sowie in den Zylinderräumen 27 und 27' befindliche Betriebsöl zunehmend auf,
wobei die hauptsächlichen Quellen der Wärmeerzeugung (1) in den rotierenden Anteilen
des Betriebsöles erzeugte Wärme, (2) in den Lagern und durch das Mitreißen von in
den genannten Lagern 15 und 15' befindlichem Öl erzeugte Wärme sowie (3) von dem
während des Betriebes herausgeleckten Drucköl abgegebene Wärme sind.
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Der durch die so erzeugte Wärme bewirkte Temperaturanstieg des Öles
verringert die Viskosität des Betriebsöles und kann ein Vibrieren des Kolbens verursachen.
Außerdem können die Leckölverluste ansteigen und dadurch hydraulische Antriebsenergie
verlorengehen. Der Verlust an hydraulischer Antriebsenergie kann die Einspannkraft
der Klauen des Spannfutters und damit die Genauigkeit der Bearbeitung des Werkstückes
herabsetzen. Insbesondere der vergrößerte Leckölverlust wird häufig zur Ursache
mancher Störungen.
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Demgegenüber kann die nachstehend näher beschriebene Kühlvorrichtung
die ganze Kolben-Zylindereinheit und das Betriebsöl wirk sam vor einer Temperaturerhöhung
bewahren: Auf der gegenüber dem größten Außendurchmesser des rotierenden Ventils
5 in einer konkaven Krümmung auf einen verkleinerten Durchmesser abgesetzten Stufe
K1 ist ein Lüfterrad 29 festgelegt, und vom zylinderseitigen Ende des Muffenkörpers
13 geht eine die Stufe K1 zu einem Teil mit Abstand übergreifende zylindrische Haube
30 aus, die an ihrem freien Ende einen nach der Stufe K1 hin einwärts eingebördelten
Flanschteil Q aufweist, der gegenüber der Stufe K1 jedoch einen Ringspalt 35 frei
läßt. Infolgedessen wird beim Umlauf des Zylinders 1 nebst Ventil 5 äußere Luft
vom
Außenumfang des Zylinders 1 aus in einer konkaven Krümmung
durch den Ringspalt 35 entlang dem Außenumfang der Stufe Kq des Ventils 5 nach dem
Lüfterrad 29 hin angesaugt und von demselben nach hinten über den Muffenkörper 13
gedrückt. Da die äußere Umfangsfläche des Muffenkörpers 13 durch entlang dem Umfang
verteilt angeordnete Rippen 36 vergrößert ist, ergibt sich auf diese Weise eine
wirksame Wärmeabführung vom Muffenkörper 13 und entsprechende Kühlung der ganzen
dortigen Baugruppe der Betätigungsvorrichtung. Das Lüfterrad 29 ist mittels Schrauben
31 an der Stufe K1 des Ventils 5 und die Haube 30 mittels Schrauben 32 an den Außenkanten
der Rippen 36 festgelegt. Die Kühlwirkung kann noch vergrößert werden, wenn bei
einer praktischen Ausführung der beschriebenen Vorrichtung an der Innenseite der
zylindrischen Haube 30 ein wärmeabsorbierendes Material zirkuliert oder festgelegt
wird. Die Kühlwirkung kann auch durch eine Ausbildung des Lüfterrades 29 mit einer
(nicht dargestellten) Vorrichtung zur Veränderung seiner Flügelanordnung verbessert
werden. Besser und zugleich einfacher ist es jedoch, wenn das Lüfterrad 29 an der
Stelle der Schrauben 31 in der dargestellten Weise Langlöcher 33 und die Haube 30
an der Stelle der Schrauben 32 Langlöcher 34 aufweist (val. Fig. 3 und 4), wodurch
die Spaltgröße des an der Stelle des Ringspaltes 35 gebildeten Einströmungskanals
für die Luft zum Lüfterrad 29 verändert werden kann.
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Das in Fig. 4 im einzelnen dargestellte Lüfterrad 29 weist entlang
dem äußeren Umfang einer Nabe 29a in einer Reihe gleichmäßig verteilte und in gleicher
Richtung wie die Kolbenstange 2 verlaufende Flügel 29b auf, während die Nabe 29a
einen dem Außendurchmesser der äußeren Stufe K1 des rotierenden Ventils 5 gleichenden
Innendur-hmesser aufweist.
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Wesentlich ist, daß das Lüfterrad 29 einfach gestaltet ist und billig
hergestellt werden kann. Ausgezeichnet ist überdies, daß die Strömungsrichtung der
Kühlluft unverändert bleibt, selbst wenn die Drehrichtung der Kolben-Zylindereinheit
bei der Arbeit
der Werkzeugmaschine, beispielsweise zwischen einem
Vor- und Rücklauf geändert wird. Weiterhin vorteilhaft ist es auch, daß entlang
dem äußeren Umfang des Muffenkörpers 13 eine Vielzahl von Rippen 36 in Längsrichtung
des Zylinders 1 und zugleich in Bewegungsrichtung der Kolbenstange 2 parallel zueinander
angeordnet ist.
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Beim Betrieb der mit der hydraulischen Betätigungsvorrichtung versehenen
(nicht dargestellten) Werkzeugmaschine wird zunächst Luft aus der freien Atmosphäre
entlang dem Außenumfang des Zylinders 1 unter dessen entsprechender Kühlung nach
dem Ringspalt 35 hin angesaugt, wodurch zugleich zur Herabsetzung der Temperatur
des in den ölkanäle innerhalb des Zylinders 1 befindlichen Öles beigetragen wird.
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Nach vorstehendem wird durch die gegenüber dem größten Außen durchmesser
des rotierenden Ventils 5 über eine entsprechende Ringschulter auf einen kleineren
Durchmesser abgesetzte Stufe E und durch die Rippen 36 die von der Kühlluft angestrebte
Oberfläche vergrößert, wodurch eine wirksamere Kühlung gesichert ist.
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Besonders vorteilhaft ist es auch, daß die im Bereich des an der Außenseite
der Haube 30 befindlichen Ringspaltes 35 entlang der dortigen Wandung des rotierenden
Ventils 5 erzeugte Kühlwirkung eine nachteilige Beeinflussung der Kolbenarbeit durch
Wärme verhindert. Bezüglich der Bearbeitungsgenauigkeit der Werkzeugmaschine ist
dies von besonderer Bedeutung, weil dadurch die vorgesehene Einspannkraft am Werkstück
auch bei längerem Betrieb der Maschine mit hoher Umlaufdrehzahl des Werkstückes
unverändert eingehalten werden kann. Auch die Tatsache, daß die aus der freien Atmosphäre
angesaugte Kühlluft im allgemeinen vom Zylinder 1 nach dem Muffenkörper 13 hin strömt,
kann insbesondere bei Drehbänken vorteilhaft sein. Dadurch, daß auf diese Weise
ständig Luft von der Spindel seite der Werkzeugmaschine rückwärts nach der Antriebsseite
hin abgesaugt wird, ist es ausgeschlossen, daß der Kopfteil der Drehbank etwa durch
bei einer vorherigen Kühlung angewärmte Luft umgekehrt erhitzt werden kann. Es ist
also keine ungünstige
Beeinflussung des Kopfteiles der Drehbank
durch heiße Luft möglich.
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Während die um die Muffe 14 im Muffenkörper 13 herum und um die Lager
15 und 152 herum erzeugte Wärmeenergie im allgemeinen nach dem rotierenden Zylinder
1 hin übertragen wird, kann eine solche Wärmeübertragung durch das vorstehend beschriebene
Kühlsystem wirksam unterbunden werden, weil die Strömungsrichtung der Kühlluft gemäß
der vorstehenden Beschreibung der vorgenannten Wärmeübertragungsrichtung gerade
entgegengerichtet ist. Obgleich die Wärmeerzeugung proportional der Drehzahl der
Kolben-Zylindereinheit ansteigt, kann eine der ansteigenden Wärmeerzeugung wirksam
begegnende Kühlung erwartet werden, weil auch das Strömungsvolumen der Kühlluft
proportional der genannten Drehzahl wächst (vergrößert wird) Bei dem beschriebenen
Kühlsystem wird keine gesonderte Antriebsquelle benötigt und es erübrigt sich jegliche
Regelvorrichtung für die Umlaufdrehzahl. Überdies besitzt das Lüfterrad 29 mit seinen
Flügeln 29b eine zusätzliche wärmeabstrahlende Wirkung.
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Bei dem beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser
des Ventils 5 nach dem Muffenkörper hin mit den beiden Stufen K1 und I2 aufeinanderfolgend
auf einen jeweils kleineren Durchmesser abgestuft Indessen könnten die beiden Stufen
Ka und K2 auch auf einen jeweils größer werdenden Durchmesser abgestuft oder in
Beziehung zum relativen Maß des rotierenden Teils und des Muffenkörpers der ganzen
Vorrichtung gebracht sein. In allen diesen Fällen muß das Lüfterrad 29 am äußeren
Umfang des rotierenden Teils der ganzen Vorrichtung nahe dem Muffenkörper 13 angeordnet
sein Wenn entlang dem Außenumfang des Muffenkörpers 13 lediglich Kühlrippen angeordnet
sind und kein Lüfter vorgesehen ist, wurde an einer mit einer Drehzahl von 7000
U/min arbeitenden Drehbank bei einer Außentemperatur von 300C eine obere Temperatur
von 700C bis 80°C gemessen, wogegen die obere Temperatur unter den gleichen
Bedingungen,
jedoch zusätzlich mit dem beschriebenen Lüfter, auf 50°C begrenzt blieb, woraus
die zusätzliche Kühlwirkung des Lüfters ersichtlich ist Das in Fig 5 dargestellte
Diagramm veranschaulicht den Temperaturanstieg des Betriebsöles mit zunehmenden
Betriebsstunden, und zwar zum einen mit einem bisher üblichen rotierenden Zylinder
ohne das vorstehend beschriebene Kühlsystem und zum anderen mit einem das beschriebene
Kühlsystem aufweisenden rotierenden Zylinder.
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Im Diagramm der Fig 5 zeigt H die höchstzulässige Arbeitstemperatur
des Betriebsöles an, während die Kurven a1 und a2 den Temperaturverlauf an einer
Drehbank mit einer in der beschriebenen Weise gekühlten Betätigungsvorrichtung bei
einem Betrieb mit einer Drehzahl von 3500 U/min bzw mit einer Drehzahl von 7000
U/ min veranschaulichen. Demgegenüber zeigen die beiden Kurven b1 und b2 den entsprechenden
Temperaturverlauf bei einer Drehzahl von 2500 U/min bzw. 7000 U/mn an einer Drehbank,
die lediglich mit einem bisher üblich ausgebildeten rotierenden Zylinder versehen
ist.
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Aus dem Diagramm der Fig. 5 ist weiterhin ersichtlich, daß die Bltemperatur
bei einer Ausbildung der Betätigungsvorrichtung mit einem vorstehend beschriebenen
Kühlsystem selbst bei einer Verdoppelung der Axbeitsdrehzahl kaum noch ansteigt
und bereits nach einer kurzen Betriebszeit auf einem unterhalb der höchstzulässigen
öltemperatur liegenden Wert gehalten werden kann. Ganz im Gegensatz hierzu entsteht
bei einer konventionellen Ausbildung der Betätigungsvorrichtung durch eine Drehzahlvergrößerung
von 3500 U/mn auf 7000 U/min ein ganz erheblicher Temperaturanstieg, der über die
Zeit fortdauert, so daß die Temperatur bald die höchstzulässige öltemperatur übersteigt
und überhaupt schwer auf einem gleichbleibenden Wert gehalten werden kann, wodurch
zahlreiche, bereits vorstehend erwähnte Störungen verursacht werden können.
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Aus Fig 2 geht auch hervor, daß der Kolben 3 mit Rückschlagventilen
40 und 40' versehen ist, die in Fig 6 näher dargestellt sind.
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Ein einerseits mit einem Außenbund versehenes, im wesentlichen zylindrisches
Gehäuse 41 durchsetzt eine zugeordnete achsparallele Bohrung des Kolbens 3,.während
ein im Gehäuse 41 verschiebbares und durch eine Feder 42 vorgespanntes Nadelventil
43 einen am einen Ende des Gehäuses 41 befindlichen Ölkanal 44 steuert. An seinem
kopfseitigen Ende ist das Nadelventil 43 durch eine Bohrung 45 nach seinem Innern
hin durchbohrt, während die Feder 42 an ihrem dem Nadelventil 43 abgelegenen Ende
an einem im Gehäuse 41 geführten Ring 46 abgestützt ist, der seinerseits nach außen
an einem im Gehäuse 41 gehaltenen Sprengring 47 abgestützt ist.
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Das Gehäuse 41 ist weiterhin in der Bohrung des Kolbens 3 mittels
eines O-Ringes 48 abgedichtet und an dem seinem Außenbund gegenüberliegenden, die
Bohrung des Kolbens 3 nach außen durchsetzenden Ende durch einen äußeren Sprengring
49 gesichert.
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Beide im übrigen völlig gleich ausgebildeten Rückschlagventile 40
und 40 sind im Kolben 3 gemäß Fig. 6 lediglich mit jeweils gegensätzlicher Durchströmungsrichtung
(Öffnungs- und Schließrichtung) montiert. Sofern zwischen der Außenlufttemperatur
und der Temperatur des im Zylinder 1 befindlichen Betriebsöles ein beträchtlicher
Unterschied auftreten sollte, arbeiten die beiden Rückschlagventile 40 und 40 t
derart, daß sie den Zylinder 1 vor einem Reißen oder einer sonstigen Beeinträchtigung
durch einen abnormalen Druck schützen, der durch eine mit einer Temperaturerhöhung
verbundenen Ausdehnung des Betriebsöles hervorgerufen werden könnte.
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L e e r s e i t e