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Betätigungsvorrichtung für elektrische Einrichtungen
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Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung, und insbesondere
eine Betätigungsvorrichtung für elektrische Einrichtungen, nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1, bei der das Freiwerden einer gespeicherten Energie in sehr kurzer
Zeit benötigt ist, wie z. B. bei der Verwendung als Betätigung für einen Schaltkreisunterbrecher
oder ähnlichem.
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Es hat sich in den vergangenen Jahren, da die Übertragungssysteme
für Elektrizität in Richtung höherer Spannungen und größeren Kapazitäten entwickelt
wurden, ergeben, daß die elektrischen Vorrichtungen hierfür, wie beispielsweise
Schaltkreisunterbrecher oder ähnliches ebenfalls größer wurden. Hieraus hat sich
weiterhin ergeben, daß es mehr und mehr notwendig wurde, Betätigungsvorrichtungen
für derartige elektrische Einrichtungen zu verwenden, welche eine größere Ausgangsleistung
haben. Bisher wurden für derartige große Betätigungsvorrichtungen Betätigungsmechanismen
wie z. B. pneumatische oder hydraulische Betätigungsvorrichtungen in der Mehrzahl
der Fälle verwendet und federbetätigte Mechanismen, welche
von einer
Energie bewegt werden, die mittels eines elektrischen Motors in einer Feder gespeichert
wird, wurden nur für relativ kleine elektrische Vorrichtungen verwendet.
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Im Vergleich zu den federbetätigten Mechanismen sind jedoch die oben
erwähnten pneumatischen oder hydraulischen Betätigungsvorrichtungen weniger vorteilhaft,
da die pneumaischen Betätigungsvorrichtungen periodische Überprüfung und Wartung
des Kompressors benötigen und hydraulische Betätigungsmechanismen benötigen derartige
Serviceleistungen am hydraulischen Antriebssystem, so daß sie nicht im Gegensatz
zu den federbetätigten Mechanismen, welche derartige Nachteile nicht aufweisen,
im großen Rahmen verwendbar sind.
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Andererseits weisen jedoch die federbetätigten Mechanismen, von denen
die meisten eine Spiralfeder aus Metall als Betätigungselement aufweisen, dasim
folgenden erwähnte Problem auf: Herkömmliche, federbetätigte Mechanismen, die von
einem Elektromotor kommende Energie speichern, weisen z. B. für gewöhnlich einen
Federkipphebel-mechanismus auf, der durch Drehung um 1800 der Abtriebswelle des
Elektromotors ausgeschwenkt wird, wobei die Feder unter Druckspannung gesetzt wird.
Nach Beendigung der Kompression der Feder nimmt der Federkipphebelmechanismus eine
Totlage ein, aus der heraus er durch Weiterdrehung der Abtriebswelle des Motors
bewegt wird, wobei er schlagartig in die entgegengesetzte Richtung ausgeschwenkt
wird, sich die unter Druck stehende Feder ebenso schlagartig entspannt und über
ein geeignetes Umlenkgestänge beispielsweise den Schaltkreisunterbrecher betätigt,
das heißt, der Stromkreis wird entweder geschlossen, oder bei Reversierbetrieb des
Elektromotors geöffnet.
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Ein derartiger Betätigungsmechanismus mit einem Federkipp-
hebel
weist sowohl eine einfache Arbeitsweise als auch einen einfachen Aufbau mit einer
geringen Anzahl von Bauteilen auf und ist somit hinsichtlich Wartung und Wirtschaftlichkeit
der Herstellung vorteilhaft. Der oben beschriebene Betätigungsmechanismus weist
jedoch den Nachteil auf, daß die Betätigungseinrichtung von beachtlicher Größe sein
muß, um eine gewünschte große Ausgangsenergie zu erhalten. Das heißt, wenn ein Betätigungsmechanismus
mit einem Federkipphebel als Betätigungsvorrichtung mit einem Elektromotorantrieb
so ausgelegt wird, daß eine große Ausgangsleistung erhalten wird, werden aufgrund
der herkömmlichen Metallspiralfeder die Außenabmessungen notwendigerweise groß,
was ein Hindernis für praktisChen Einsatz darstellt.
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Eine wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit,
eine Betätigungsvorrichtung für eine elektrische Einrichtung oder ähnliches zu schaffen,
die federbetätigt ist und zumindest gleich große Ausgangsleistung bei geringeren
Abmessungen liefert.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruches 1.
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Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
zum Inhalt.
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Weitere Einzelheiten, erkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von mehreren Ausführungsformen anhand
der Zeichnung.
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Es zeigt: Fig. 1 in perspektivischer Explosionsdarstellung eine Ansicht
einer herkömmlichen Betätigungsvorrichtung
zusammen mit einem Schalter,
der von dieser Vorrichtung gesteuert wird; Fig. 2A - 2D in schematischer Aufrißdarstellung
die Arbeitsweise der Betätigungsvorrichtung gemäß Fig. 1 Fig. 3 in vergleichender
graphischer Darstellung aus dem Verhältnis von Druck zu Volumenkompression gewonnene
Kennlinien von verschiedenen Flüssigkeiten; Fig. 4 in perspektivischer Explosionsdarstellung
eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung zusammen mit
einem Schalter, der von dieser Betätigungsvorrichtung gesteuert wird; und Fig. 5A
- 5C Schnittdarstellungen von weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung
gemäß Fig. 4.
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Anhand der Fig. 1 und der Fig. 2A bis 2D soll die Arbeitsweise einer
herkömmlichen Betätigungsvorrichtung mit einer Metallfeder erläutert werden.
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Gemäß Fig. 1 ist ein Motorhebel 1 zur er Motorwelle la befestigt,
und dafür ausgelegt, mit einem Vorsprung 2a eines Federhebels 2 in Eingriff zu gelangen,
wobei der Federhebel 2 in einer Hebelwelle 2Oa gelagert und an einem seiner Enden
mit einer Spiralfeder 5 verbunden ist. Ein Abtriebshebel 3 ist auf einer Abtriebswelle
4 befestigt und dafür ausgelegt, mit einem anderen Vorsprung 2b in Eingriff zu gelangen.
Die Vorsprünge 2t und 2b sind auf einander gegenüberliegenden Flächen d.s Pederhebels
2 angeordnet. An der Abtriebswelle 4 sind ein weiterer Ab-
triebshebel
6 und ein Dämpfungshebel 41 angeordnet und ein Stoßdämpfer 42 ist zur Vermeidung
von unerwünschten Vibrationen an einem Ende des Dämpfungshebels 41 befestigt.
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Die Wellen la, 20a und 4 sind in zueinander koaxialer Anordnung drehbar
mittels verschiedener Lager gelagert, welche in der Zeichnung nicht dargestellt
sind. Die Abtriebsbewegung der Abtriebswelle 4 wir über einen Verbindungsstab 7
und eine Kurbel 8 einem beweglichen Kontakt 9 zugeführt, der mit einem festen Kontakt
10 in Eingriff bringbar ist und wieder von diesem Kontakt 10 lösbar ist, wenn er
in einer Richtung bewegt wird, die in der Fig. 1 mit dem Pfeil C bzw. dem Pfeil
0 bezeichnet ist.
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Anhand der Fig. 2A bis 2D soll die Arbeitsweise der oben erwähnten
herkömmlichen Betätigungsvorrichtung erläutert werden.
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Wenn ein Betätigungsbefehl gegeben wird, beginnt ein in der Zeichnung
nicht dargestellter Antriebsmotor zu drehen und treibt den Motorhebel 1 über die
Motorwelle la in eine Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn, wie in Fig. 2A dargestellt
ist.
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Während der Motorhebel 1 sich dreht, gerät er in Anlage mit dem Vorsprung
2a des Federhebels 2 und bewegt ihn in eine Richtung entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn,
wobei die Spiralfeder 5 nach unten gedrück wird, bis sie in einer Stellung gemäß
Fig. 2B ist, in der der Federhebel 2 in einer unteren Totpunktlage ist und die Spiralfeder
5 maximal zusammengedrückt ist. Das untere Ende der Spiralfeder 5 wird in einem
Behälter geführt, der von einem Bolzen 5a, der parallel zu der Hebelwelle 20a verläuft,
gehalten ist.
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In der unteren Totpunktlage der Spiralfeder 5 gerät der andere Vorsprung
2b des Federhebels 2 in Anlage mit dem Abtriebshebel 3.
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Wenn ein Verbindungsbolzen 21, der den Federhebel 2 und die Spiralfeder
5 verbindet, über eine gedachte Linie hinaus bewegt wird, die die Achse der Hebelwelle
20a und die Achse des Bolzens 5a verbindet, gibt die Spiralfeder 5 schlagartig ihre
Energie ab und der Vorsprung 2b schiebt den Abtriebshebel 3 in Richtung entgegengesetzt
dem Uhrzeigersinn, wobei die Abtriebswelle 4 schlagartig gedreht wird.
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Durch das Freiwerden der Energie der Spiralfeder 5 wird der Federhebel
2, wie in Fig. 2C dargestellt, entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht und beendet diese
Bewegung in einer oberen Totpunktlage, wie in Fig. 2D dargestellt. Dies bedeutet,
daß in diesem Moment die Bewegung des Federhebels entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn
angehalten wird und deshalb die Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn der Abtriebswelle
4 ebenfalls angehalten wir. Dies hat zur Folge, daß der bewegliche Kontakt 9 den
festen Kontakt 10 schlagartig berührt, was zur Folge hat, daß der geschlossene Zustand
eines Schalters erreicht ist, der von dem festen Kontakt 10 und dem beweglichen
Kontakt 9 gebildet wird, wie aus Fig. 1 ersichtlich.
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Eine umgekehrte Arbeitsweise wird erreicht, in dem die Abläufe der
Fig. 2A bis 2D in umgekehrter Reihenfolge ablaufen, wobei der Antriebsmotor in umgekehrte
Drehrichtung läuft, was zur Folge hat, daß der bewegliche Kontakt 9 schlagartig
von dem festen Kontakt 10 getrennt wird, um den Schalter zu öffnen.
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Aus dieser bekannten Ausführungsform ergeben sich die bereits eingangs
geschilderten Nachteile.
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Anhand der Fig. 3, 4 und 5A bis 5C soll nun die Arbeitsweise einer
erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung erläutert werden, wobei die Fig. 5A bis
SC weitere Ausführungsformen darstellen.
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Flüssigkeitsfedern, welche die Kompressionscharakteristik einer Flüssigkeit
verwenden, haben in verschiedenen Bereichen große Aufmerksamkeit erregt, da sie
im Vergleich zu ihrer großen Energiespeicherkapazität eine geringe Baugröße aufweisen.
Sie werden beispielsweise als Stoßdämpfereinrichtung in Flugzeugen oder ähnlichem
verwendet, wo eine hohe Federspeicherkapazität bei gleichzeitig geringen Platzbedarf
benötigt wird.
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Als technisches Problem bei der Entwicklung von Flüssigkeitsfedern
stellte sich heraus, daß es wichtig ist, einen extrem dichten Behälter und eine
Flüssigkeit mit hohem Kompressionsindex zu verwenden; diese Probleme wurden bereits
beide gelöst. Als Kompressionsflüssigkeit können verschiedene Substanzen verwendet
werden, die einen Volumenkompressionswert von ungefähr 7 % bei 981 bar (1000 Kg/cm2)
auf weisen, wie beispielsweise Kunstharz A auf Silikonbasis (Dow-Corning F 4029
"flüssig"), in Fig. 3 durch die Kurve a dargestellt, und Kunstharz B (Dow-Corning
F 200 Typ "flüssig"), das in Fig. 3 durch die Kurve b dargestellt ist.
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Durch die Verwendung derartiger Flüssigkeiten, die hohe Kompressionsindizes
aufweisen, kann das Innenvolumen und die Stärke der Zylinderwandungen in der Flüssigkeitsfeder
verringert werden, wodurch eine Verringerung der Größe der Flüssigkeitsfeder möglich
gemacht ist. In Fig. 3 ist mit der Kurve c die Charakteristik von Petroleumöl und
mit der Kurve d die Charakteristik von Glyzerin dargestellt.
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Anhand der Fig. 4 und der Fig. 5A bis 5C werden nun in folgenden Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung erläutert.
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Gemäß Fig. 4 ist ein Motormitnehmer 1 in Form eines Motorhebels mit
einer Motorwelle la verbunden, wobei der Motorhebel 1 mit einem Vorsprung 2a eines
Federhebels 2 in Anlage bringbar ist, der Federhebel 2 mit einem Ende
einer
Flüssigkeitsfeder 50 verbunden ist und von einer Hebelwelle 20a geführt ist. Ein
Ausgangsmitnehmer 3 in Form eines Abtriebshebels ist an einer Abtriebswelle 4 befestigt,
und ist mit einem Vorsprung 2b in Anlage bringbar. Die Vorsprünge 2a und 2b sind
aufeinander gegenüberliegenden Seiten des Federhebels 2 angeordnet. An der Abtriebswelle
4 sind ein weiterer Abtriebshebel 6 und ein Dämpfungshebel 41 befestigt, wobei ein
Stoßdämpfer 42 zur Verhinderung von unerwünschten Vibrationsbewegungen an einem
Ende des Dämpfungshebels 41 befestigt ist. Die Wellen la, 20a und 4 sind in zueinander
koaxialer Richtung drehbar in, in der Zeichnung nicht dargestellten,Lagern geführt.
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Die Abtriebsbewegung der Abtriebswelle 4 wird über einen Verbindungsstab
7 und eine Kurbel 8 auf einen beweglichen Kontakt 9 übertragen, der in der Lage
ist, mit einem festen Kontakt 10 verbunden zu werden, bzw. von diesem festen Kontakt
10 getrennt zu werden, wenn er in Richtungen bewegt wird, die in der Fig. 4 durch
einen Pfeil C bzw. einen Pfeil 0 dargestellt sind.
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Die Fig. 5A bis 5C sind Schnittansichten von verschiedenen Ausführungsformen
der Flüssigkeitsfeder 50 gemäß Fig. 4.
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Der Aufbau gemäß Fig. 5A ist von grundlegender Art, wobei ein Zylinder
12 eine Flüssigkeit 11 beinhaltet, die eine Charakteristik aufweist, welche sie
als Flüssigkeitsfeder geeignet macht. Ein Kolben 13 ist gleitbeweglich geführt und
mit einer Kolbenstange 14 verbunden. Der Kolben 13 weist eine Scheibe mit mehreren
Öffnungen 15 eines vorgegebenen Durchmessers auf, um so einen vorbestimmten Flüssigkeitswiderstand
bezüglich der Kolbenbewegung zu schaffen.
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In dieser Flüssigkeitsfeder 50 wird die Flüssigkeitsfederkraft nicht
durch Bewegung des Kolbens 13 erzeugt, sondern durch eine Volumenverringerung der
Federflüssigkeit 11 durch das Einführen der Kolbenstange 14 und dieser Flüssigdruck
erzeugt eine Federkraft in der Federflüssigkeit 11
entgegen einer
von außen ausgeübten Kraft, die durch einen Pfeil 16 dargestellt ist und die über
die Kolbenstange 14 ausgeübt wird. Dies hat zur Folge, daß die Rückstellkraft der
Flüssigkeitsfeder gleich dem Produkt des Flüssigkeitsdruckes und dem Querschnitt
der Kolbenstange 14 ist. Falls es erwünscht ist, kann ein Ablaß- oder rückwärtiges
Absperrorgan (Ventil) in dem Kolben 13 vorgesehen werden, um somit eine passende
Richtungscharakteristik in Form eines Stoßdämpfers zu erhalten. Mit dem Bezugszeichen
17 ist eine Dichtungseinrichtung gekennzeichnet.
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Fig. 5B zeigt eine andere Ausführungsform einer Flüssigkeitsfederanordnung,
welche als Zugfeder arbeitet. Diese als Zugfeder arbeitende Flüssigkeitsfeder weist
einen Zylinder 12 auf, der mit einer Federflüssigkeit 11 gefüllt ist. Weiterhin
ist ein Kolben vorgesehen, dessen vergrößerter Durchmesserbereich 14a gleitbeweglich
derart gelagert ist, daß im Falle des Herausziehens der Kolbenstange 14' der vergrößerte
Durchmesserbereich 14a in die Federflüssigkeit 11 hineingezogen wird. Dies bedeutet,
daß im Falle des Herausziehens der Kolbenstange 14' in eine Richtung gemäß eines
Pfeiles 16', und damit als Ergebnis des Hineinzienens des größeren Durchmesserbereiches
14a des Kolbens das Volumen der Federflüssigkeit 11 verringert wird und somit der
Innendruck in der Federflüssigkeit 11 erhöht wird. Da der größere Durchmesserbereich
14a der Kolbenstange 14' so gelagert ist, daß er die Bodenwandung des Zylinders
12 durchtritt, ist ein zweites Dichtungsbauteil 17' an dieser Bodenwandung angeordnet.
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Fig. 5C zeigt eine Flüssigkeitsfeder mit langem Arbeitshub, bei der
eine zylindrische Stange 148' so ausgebildet ist, daß sie einen inneren Hohlraum
141 aufweist, der über Öffnungen 15 mit einem Außenraum 11' verbunden ist, um die
Rückstellkraft pro Hub des Kolbens zu verringern. Das Ergebnis einer derartigen
Ausbildung ist, daß die Federkon-
stante verringert werden kann,
ohne daß die Festigkeit der zylindrischen Stange 14'' verloren geht. Selbstverständlich
muß bei dieser Ausbildungsform die obere Dichtung 17'' als koaxiale Doppelringdichtung
ausgebildet sein.
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Die bisher erläuterte Flüssigkeitsfeder wird im Vergleich zu herkömmlichen
Metallspiralfedern in der folgenden Tabelle verglichen, wobei sowohl die Metallfeder
als auch die Flüssigkeitsfeder so ausgebildet sind, daß sie eine Maximallast von
225,5 x 103N (23 Tonnen) bei einem Hub von 127 mm aufweisen, das heißt, daß die
Federrückstellkraft bei einer Federzusammendrückung von 127 mm 225,5 x 103N beträgt.
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Bei dem in der Tabelle angegebenen Beispiel wird die Federflüssigkeit
des synthetischen Harzes A, das in Fig. 3 durch die Kurve a dargestellt ist, verwendet,
wobei diese Federflüssigkeit um 18 % komprimiert werden kann, wenn ein Druck von
3,434 x 103 bar (3500 kg/cm2) aufgebracht wird.
| Kriterien Metall-Spiral- Flüss.-Feder |
| feder |
| Last (Minimum): 294x103N(.03 kg) 490 N (50 kg) |
| | Last (Maximum): 98,1 iO3 6 |
| Last ,96x10N(200 |
| c:.. |
| Bereich der Federkon- weit wählbar weit wählbar |
| g zu, *stante: |
| Hubbereich: n weitweit wählbar weit wählbar |
| Dämpfungscharakteristik. Niedrig weit wählbar |
| Herstellungskosten: Niedrig Hoch |
| Größe der Feder einer Maximal- Länge x Durch- Länge x Durch- |
| 3 (kesser: messer: |
| ast von 2,5 x 10 N (23 t) 920mm x1730mm 76mm x 430mm |
| mit einem Hub von 127 mm: |
Es sei angenommen, daß in der Flüssigkeitsfeder gemäß Fig. 5a
der Durchmesser der Kolbenstange 25 mm betragt; daß, wenn die Kolbenstange in den
Innenraum des Zylinders 12 mit einem Hub von 127 mm eingeführt wird, das Innenvolumen
des Zylinders 12 um 18 % abnimmt und daß das Gesamtvolumen V der Federflüssigkeit
wie folgt gegeben ist: 25 2 V = 127 x ( 2 )2 X t/0.18 =: 3,5 x 105 mm3 (1) Wenn
man von kleinen Veränderungen in der Stahlstruktur unter den hohen Druckbedingungen
absieht, bedeutet die obe erwähnte Gleichung, daß ein Zylinder 12 mit einem Innendurchmesser
von ungefähr 46 mm, einem Außendurchmesser von ungefähr 76 mm und einer Innenlänge
von ungefähr 218 mm verwendet werden kann. Wenn man annimmt, daß sowohl die obere
als auch die untere Bodenfläche je 43 mm dick sind und der Kolbenhub 127 mm betragt,
erhält man als Gesamtlänge etwa 430 mm.
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Im Falle des vergleichenden Beispiels gemäß der Tabelle weist eine
herkömmliche Metallspiralfeder einen Außendurchmesser von 920 mm auf, die Wicklung
ist aus Feder stahl mit einem Durchmesser von 76 mm gefertigt, die Windungslänge
beträgt 1730 mm und die Windung hat ein Gewicht von 186,4 x 103N (19 t).
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Wie sich aus obigem Beispiel ergibt, kann, wenn Federn mit der gleichen
Federenergiespeicher-Charakteristik gemacht werden sollen, die Flüssigkeitsfeder
mit einer Länge, die ungefähr 1/4 der Länge einer herkömmlichen Metallfeder hat
und einem Durchmesser, der ungefähr 1/12 des Durchmessers einer herkömmlichen Metallfeder
hat, verwendet werden. Dies bedeutet,daß die die Flüssigkeitsfeder bezüglich der
geringen Größe sehr vorteilhaft ist.
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Die Arbeitsweise der Betätigungsvorrichtung gemäß Fig. 4 ist gleich
derjenigen einer herkömmlichen Betätigungsvorrichtung mit einer Metallspiralfeder,
die bereits unter Bezugnahme auf die Fig. 2A bis 2D beschrieben wurde und somit
trifft auf diese Arbeitsweise die gleiche Beschreibung zu, mit der Ausnahme, daß
anstelle der Metallspiralfeder 5 eine Flüssigkeitsfeder 50 verwendet wird.
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Wie bisher beschrieben wurde, ist die erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung
aufgrund der geringen Abmessungen des Federteiles sehr vorteilhaft, da damit die
Gesamtabmessung der Vorrichtung verringert werden kann. Weiterhin sind bei der bisher
beschriebenen Flüssigkeitsfedervorrichtung im Gegensatz zu den herkömmlichen hydraulischen
Vorrichtungen keine Leitungsführung und keine Leitungsverbindungen notwendig; die
Anzahl der Dichtteile zum Abdichten der unter hohem Druck stehenden Flüssigkeit
ist gering und deshalb bestehen kaum Probleme bezüglich von Öl-Leckagen, selbst
nach einer Verwendung über einen langen Zeitraum hinweg.
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