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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung, die mit einem durch Fluidkraft und insbesondere pneumatisch betätigbaren Doppelhubzylinder ausgestattet ist.
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Mit Fluidkraft betätigte Arbeitszylinder sind immer häufiger verwendete Antriebselemente für Linear- und Drehbewegungen in allen Bereichen der Industrie. Sie sind in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Die meisten Zylinder sind als doppelt wirkende Zylinder ausgebildet. Das Zylindergehäuse enthält einen Kolben, der mit einer einen Kraftangriff ermöglichenden Kolbenstange starr verbunden ist. Der Kolben unterteilt den Innenraum des Zylindergehäuses in zwei Zylinderkammern, die abwechselnd mit einem Betätigungsfluid beaufschlagbar oder entlüftbar sind, um den Kolben und die Kolbenstange zu einer Hubbewegung anzutreiben. Dabei lassen sich Arbeitszyklen realisieren, die sich aus einer Ausfahrbewegung und einer sich daran anschließenden Einfahrbewegung zusammensetzen. Die Kolbenstange hat zwei Endpositionen, nämlich die vollständig zurückgezogene Position und die vollständig ausgefahrene Position (auch „Zweistellungszylinder“).
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In der Praxis wird aber oft verlangt, dass die Kolbenstange als Antriebselement mehrere Stellen anfahren kann, um dort bestimmte Operationen durchzuführen. Um die Kolbenstange in einer vorbestimmten Zwischenposition zu halten, ist ein Sensor erforderlich, um die Position der Kolbenstange zu detektieren, ferner sind Haltemittel erforderlich, um die Kolbenstange in der beabsichtigten Zwischenposition zu fixieren. Bekannte Haltevorrichtungen weisen beispielsweise eine Klemmvorrichtung auf. Eine andere bekannte Lösung zum Fixieren der Kolbenstange besteht darin, mittels hydraulisch betätigbarer Ventile zu verhindern, dass Fluid aus den Kammern strömt, so dass die Kolbenstange hydraulisch an Ort und Stelle gehalten werden kann.
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Ferner sind aus dem Stand der Technik so genannte Tandemzylinder bekannt, bei denen zwei Zweistellungszylinder, meist mit unterschiedlichen Hüben, in einer Reihe miteinander verbunden sind. Eine derartige Konstruktion hat gegenüber der vorerwähnten Lösung den Vorteil, dass ein Sensor und eine zugeordnete Schaltung zum Detektieren der Zwischenposition der Kolbenstange nicht notwendig sind. Nachteilig ist aber, dass sie eine verhältnismäßig große Baulänge aufweisen und eine ausreichende Unterstützung und sichere Führung erfordern.
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In der Praxis haben sich Doppelhubzylinder bewährt, bei dem die Kolbenstange an einer mittleren Position angehalten werden kann. Diese Doppelhubzylinder dienen allgemein dazu, einen ersten Vorhub und sodann einen gegenüber dem Vorhub recht kurzen Arbeitshub auszuführen. Um nun diese Bewegungen, d. h. den Vorhub, den Arbeitshub und den jeweiligen Rückhub, zu steuern, ist eine Ventilanordnung vorgesehen, über die die Druckräume der Kolben-Zylinder-Anordnung gesteuert mit Druckmittel, vorzugsweise mit Druckluft, beaufschlagt werden.
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Ein solcher Doppelhubzylinder der gattungsgemäßen Art ist z. B. aus der
DE 38 09 461 A1 bekannt. Der Doppelhubzylinder besteht aus einem Zylindergehäuse, in dem ein erster Vorhubkolben verstellbar gelagert ist, sowie aus einem relativ zu dem Vorhubkolben verstellbaren Arbeitshubkolben, an dem eine Kolbenstange gehaltert ist. Der Vorhubzylinder ist als Hohlzylinder ausgebildet, in dem der Arbeitshubkolben verschiebbar gelagert ist. Für den Vorhubkolben und den Arbeitshubkolben sind jeweils getrennte Fluidzu- und -ableitungen vorgesehen, wodurch die Kolben voneinander unabhängig umsteuerbar sind. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass eine Mehrzahl von Ventilen benötigt wird, um die Zuführung und Abführung des Fluids zu und von den vier Kammern des Doppelhubzylinders zu steuern. Die Bewegungsenergie eines derartigen Antriebes hängt vom Volumenstrom des fluidischen Mediums ab, welcher der jeweiligen Seite des Kolbens im Doppelhubzylinder zugeleitet wird.
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Je nach Anwendungsfall besteht bei den Antriebsvorrichtungen nicht selten die Anforderung für sehr geringe Zykluszeiten und eine dementsprechend hohe Arbeitsgeschwindigkeit speziell des Arbeitshubkolbens. Sehr hohe Arbeitsgeschwindigkeiten des Arbeitshubkolbens sind aber mit dem vorgeschlagenen Doppelhubzylinder nicht erreichbar.
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Aus der
DE 42 17 405 A1 ist ein druckmittelbetätigter Stellmotor mit einem Hauptzylinder mit einem im Hauptzylinder verschiebbaren ersten Hohlkolben und einem in dem ersten Hohlkolben verschiebbaren Hauptkolben bekannt.
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Aus der
DE 72 36 508 U ist ein Drei-Stellungs-Betätigungszylinder mit zwei ineinandergeschachtelten, hintereinandergeschalteten Betätigungskolben bekannt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung mit einem Doppelhubzylinder zu schaffen, die bei einfachem Aufbau eine gegenüber der Arbeitsgeschwindigkeit des Vorhubkolbens sehr hohe Arbeitsgeschwindigkeit des Arbeitshubkolbens gestattet.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des 1. Anspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen wie auch besonders vorteilhafte Verwendungen der Antriebsvorrichtung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch besondere Ausbildung des Vorhubkolbens als Hülse und einen in der Hülse verschiebbar gelagerten Arbeitshubkolben mit zwei unterschiedlichen zur Beaufschlagung von Betätigungsfluid vorgesehenen Arbeitshubkolbenflächen eine Antriebsvorrichtung geschaffen wird, die eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit des Arbeitshubkolbens ermöglicht. Zum Steuern des Doppelhubkolbens sind lediglich zwei Verbindungen zum Zu- und Abführen des Betätigungsfluids notwendig. In vorteilhafter Ausgestaltung wird nur eine einzige Fluidleitung benötigt, über die die Zufuhr und der Rückfluss des Druckmittels verläuft. Dabei stehen die beiden Zylinderkammern im beaufschlagten Zustand stets unter gleichem Druck. Dies ermöglicht eine Reduzierung von Steuerventilen. Neben der hohen Arbeitsgeschwindigkeit des Arbeitshubkolbens zur Erzielung einer geringen Zykluszeit ermöglicht der erfindungsgemäße Aufbau der Antriebsvorrichtung auch einen Betrieb mit relativ geringem Luftverbrauch. Dies führt im Vergleich zu konventionellen Betriebsweisen zu beträchtlicher Energieeinsparung.
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Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung ist vielfältig im Maschinen- und Anlagenbau einsetzbar. Besonders vorteilhaft ist sie einsetzbar im Druckmaschinenbau für den Antrieb von Anschlägen, insbesondere von Vorderanschlägen in der Auslage einer Bogendruckmaschine.
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Im Folgenden soll die Erfindung beispielhaft erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnungen stellen dabei dar:
- 1: Längsschnitt durch eine bevorzugte erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung in eingefahrener Position
- 2: Antriebsvorrichtung nach 1 in Arbeitshubbetrieb
- 3: Antriebsvorrichtung nach 1 in ausgefahrener Position
- 4: eine alternative Bauform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung
- 5: eine schematische Darstellung einer Auslage einer Druckmaschine, bei der die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung zur Anwendung kommt
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Die 1 bis 3 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung. Wie ersichtlich, umfasst die Antriebsvorrichtung einen durch Fluidkraft betätigbaren Doppelhubzylinder 1. Die Fluidkraft wird von einem Betätigungsfluid geliefert, das über eine geeignete Druckquelle P zur Verfügung gestellt wird. Beim Ausführungsbeispiel ist als Betätigungsfluid Druckluft vorgesehen, so dass es sich um einen pneumatisch betätigbaren Doppelhubzylinder 1 handelt.
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Der Doppelhubzylinder 1 besteht aus einem Zylindergehäuse 2, in dem ein Vorhubkolben 3 entlang der Längsachse des Zylindergehäuses 2 gleitend verschiebbar angeordnet ist. Der Vorhubkolben 3 ist als eine zu beiden Seiten offene Hülse ausgebildet und er wirkt über eine weiche Dichtung 4 dichtend mit der Innenfläche des Zylindergehäuses 2 zusammen. Der hülsenförmige Vorhubkolben 3 weist in axialer Richtung zwei Abschnitte auf. Der erste Abschnitt 3.1 ist durch einen kleineren Hülseninnendurchmesser gegenüber dem Hülseninnendurchmesser des zweiten Abschnittes 3.2 gekennzeichnet. In dem Vorhubkolben 3 ist ein Arbeitshubkolben 5 gleitend verschiebbar angeordnet. Der Arbeitshubkolben 5 weist ebenfalls in axialer Richtung zwei Abschnitte 5.1, 5.2 mit unterschiedlichen Querschnittsflächen auf, die den inneren Querschnittsflächen des hohlen Vorhubkolbens 3 in den zwei Abschnitten 3.1, 3.2 entsprechen. Der Arbeitshubkolben 5 wirkt über die Dichtungen 8, 6 dichtend mit der Innenfläche des Vorhubkolbens 3 zusammen. Am Arbeitshubkolben 5 ist auf der Seite mit der kleineren Querschnittsfläche eine Kolbenstange 7 befestigt. Die Kolbenstange 7 erstreckt sich vom Arbeitshubkolben 5 durch das Zylindergehäuse 2. Die Kolbenstange 7 ist im Zylindergehäuse 2 gleitend verschiebbar und gegen dieses durch Dichtungen 9 abgedichtet. Am äußeren Ende vom zweiten Abschnitt 3.2 des Vorhubkolbens 3 kann am inneren Umfang ein Anschlagmittel zum Anhalten des Arbeitshubkolbens 5 angeordnet sein. Das Anschlagmittel ist vorzugsweise als Flanschabschnitt ausgebildet. Der durch die unterschiedlichen Hülseninnendurchmesser zwischen ersten und zweiten Abschnitt 3.1, 3.2 gebildete Absatz 11 bildet das zweite Anschlagmittel und begrenzt die Verschiebung des Arbeitshubkolbens 5 zur anderen Richtung.
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Der Doppelhubzylinder 1 wird durch den Vorhubkolben 3 und den Arbeitshubkolben 5 in eine kolbenstangenlose Zylinderkammer 12 und in eine kolbenstangenseitige Zylinderkammer 13 unterteilt. In beide Zylinderkammern 12, 13 mündet an den Stirnseiten des Zylindergehäuses 2 jeweils ein eigener Fluidkanal 14, 15. Die Fluidkanäle 14, 15 sind über Fluidleitungen 18, 19 mit einer Druckquelle P verbunden. In beiden Fluidleitungen 18, 19 sind Wegeventile 16, 17 eingeschaltet als Steuermittel zur gesteuerten Beaufschlagung und Entlastung bzw. Entlüftung der Zylinderkammern 12, 13. Vorzugsweise sind beide Zylinderkammern 12, 13 mit der gleichen Druckquelle P verbunden. Die Wegeventile 16, 17 sind vorzugsweise elektromagnetisch oder piezoelektrisch aktivierbare Ventile. Die Kolbenstange 7 ist in axialer Richtung hohl ausgebildet. Über eine Bohrung 21 steht der entsprechende Hohlraum 20 der Kolbenstange 7 in Verbindung mit einem Raum 22, der sich bei Durchführung des Arbeitshubes zwischen Arbeitshubkolben 5 und Vorhubkolben 3 bildet. Der Raum 22 wird dadurch zur Atmosphäre hin entlüftet.
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In der kolbenstangenlosen Zylinderkammer 12 ist das Betätigungsfluid in der Lage, den Arbeitshubkolben 5 mit einer Beaufschlagungsfläche A zu beaufschlagen. Das in die kolbenstangenseitige Zylinderkammer 13 eingespeiste Betätigungsfluid kann, bedingt dadurch, dass der Arbeitshubkolben 5 auf dieser Seite eine kleinere Querschnittsfläche aufweist und eine zentrale Fläche von der Kolbenstange 7 belegt ist, lediglich eine Beaufschlagungsfläche B beaufschlagen. Es handelt sich bei dieser Beaufschlagungsfläche B um eine Ringfläche, deren Außenkontur von der Außenkontur des Arbeitshubkolbens 5 im Abschnitt 5.1 und deren Innenkontur von der Außenkontur der Kolbenstange 7 definiert ist. Das Zylindergehäuse 2, die Kolbenstange 7, der Vorhubkolben 3 und der Arbeitskolben 5 weisen vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf. Aber auch andere Konturen sind möglich.
Als vorteilhaft hat sich erwiesen, die Beaufschlagungsfläche B in einer Größenordnung zu wählen, die zwischen 20% und 60% der Beaufschlagungsfläche A beträgt.
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4 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung. Das Anschlagmittel 10, das am inneren Umfang des Vorhubkolbens 3 am äußeren Ende des Abschnitts 3.2 befestigt ist, ist in Form eines Ringes ausgebildet. Der Ring ragt in axialer Richtung über den Vorhubkolben 3 heraus und taucht in eine entsprechende Vertiefung des Zylindergehäuses 2 ein. Bei der Durchführung des Arbeitshubes wird durch Wegfall der Wirkung der Beaufschlagungsfläche der Vorhubkolben 3 sicher in der hinteren Endlage gehalten.
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5 zeigt in schematischer Darstellung einen Bogenausleger 23 einer bogenverarbeitenden Druckmaschine mit einem Bogenstapel 24. Auf einer Vorderanschlagwelle 26 sind Vorderanschläge 25 fest angeordnet, dargestellt in geöffneter (gestrichelt) und in geschlossener Stellung. Der Doppelhubzylinder 1 ist drehbar am Druckmaschinengestell gelagert. Die Kolbenstange 7 des Doppelhubzylinders 1 ist über einen Hebel 29 beweglich an der Vorderanschlagwelle 26 befestigt.
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Zur Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung:
- Wird über die Fluidleitung 19 mit Hilfe eines Betätigungsfluids ein Druck auf die Beauschlagungsfläche C des Vorhubkolbens 3 sowie auf die Beaufschlagungsfläche B der auf des Arbeitshubkolbens 5 ausgeübt, so bewegt sich der Vorhubkolben 3 und der Arbeitshubkolben 5 in die in 1 gezeigte eingefahrene Endposition. Die Endposition des Arbeitshubkolbens 5 ist durch das Anschlagmittel 10 festgelegt. Während des Einfahrens ist die Verbindung zwischen der kolbenstangenlosen Zylinderkammer 12 und der Druckquelle P unterbrochen, und aus der kolbenstangenlosen Zylinderkammer 12 wird das Betätigungsfluid nach außen abgeführt.
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Für die Durchführung des Arbeitshubes wird der Vorhubkolben 3 durch ständig wirkende Druckkraft des Betätigungsfluids in der kolbenstangenseitigen Zylinderkammer 13 in der eingefahrenen Stellung gehalten. Die kolbenstangenlose Zylinderkammer 12 wird durch Umschalten des Wegeventils 16 mit Druckluft beaufschlagt. Als Folge wirkt auf der Beaufschlagungsfläche A des Arbeitshubkolbens 5 eine Druckkraft, die der Druckkraft der Beaufschlagungsfläche B entgegenwirkt. Da die Beaufschlagungsfläche A erheblich größer ist als die Beaufschlagungsfläche B kommt es zu einer Ausfahrbewegung des Arbeitshubkolbens 5. Die Ausfahrbewegung endet maximal mit der Anlage des Arbeitshubkolbens 5 am Absatz 11 des Vorhubkolbens 3. Die kolbenstangenseitige Zylinderkammer 13 wirkt dabei als Luftfeder.
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Der Raum 22 zwischen dem Arbeitshubkolben 5 und dem Vorhubkolben 3 wird über die hohl ausgebildete Kolbenstange 7 entlüftet, wenn die kolbenstangenlose Zylinderkammer 12 mit Druck beaufschlagt wird.
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Bei Erreichen dieser eingefahrenen Position des Arbeitshubkolbens 5 kann - wie in 2 gezeigt - das Wegeventil 16 der kolbenstangenlosen Zylinderkammer 12 in die Entlüftungsschaltstellung umgeschaltet werden. Durch die weiterhin wirkende Druckkraft des Betätigungsfluids in der kolbenstangenseitigen Zylinderkammer 13 wird der Arbeitshubkolben 5 in die eingefahrene Stellung zurückbewegt.
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Das die Einfahrbewegung des Arbeitshubkolbens 5 auslösende Umschalten des Wegeventils 16 erfolgt automatisch, was eine verzögerungsfreie Bewegungsumkehr ermöglicht und demzufolge einen sehr raschen Ablauf eines aus Ausfahrbewegung und Einfahrbewegung bestehenden Arbeitszyklus des Arbeitshubzylinders ermöglicht.
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Durch entsprechendes Umschalten des Wegeventils 16 ist es auch möglich, den Arbeitshubkolben 5 bereits vor Erreichen der maximalen Hublänge zu einer Bewegungsumkehr zu zwingen. Je nach Bedarf sind dadurch unterschiedliche Hublängen einstellbar.
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Bei der Durchführung des Arbeitshubes wird auch der Vorhubkolben 3 mit Druckluft beaufschlagt. Im Unterschied zu den Druckbeaufschlagungsflächen des Arbeitshubkolbens 5 ist die Beaufschlagungsfläche C des Vorhubkolbens 3 zur kolbenstangenseitigen Zylinderkammer 13 wesentlich größer als die Beaufschlagungsfläche D zur kolbenstangenlosen Zylinderkammer 12. Dadurch kommt es bei Beaufschlagung der kolbenstangenlosen Zylinderkammer 12 mit Betätigungsfluid zu einer Differenzkraft, die den Vorhubkolben 3 während des Arbeitshubes in der eingefahrenen Endposition hält.
Bei mehrfacher Durchführung des Arbeitshubes wird eine Schwingbewegung bzw. Vibration erzeugt.
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Ist der Arbeitshub beendet, wird - wie in 3 gezeigt - die kolbenstangenseitige Zylinderkammer 13 entlüftet. Das Betätigungsfluid der kolbenstangenlosen Zylinderkammer 12 wirkt auf Arbeitshubkolben 5 und Vorhubkolben 3 und bewegt diese in die ausgefahrene Stellung des Doppelhubzylinders 1.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 5 in einem Bogenausleger 23 einer bogenverarbeitenden Druckmaschine ist folgende:
- Der von den Greifern des Greiferwagens 27 geführte Bogen 28 wird im Bogenausleger 23 über dem Bogenstapel 24 vom Greifer freigegeben und an den Vorderanschlägen 25 nach der Vorderkante ausgerichtet. Zur Ausbildung eines akkurat ausgerichteten Bogenstapels 24 ist am Arbeitshubkolben 5 des Doppelhubzylinders 1 eine Schwingbewegung bzw. Vibration zwischen 0 bis ca. 6 Hz einstellbar. Der Vorhubkolben 3 befindet sich dabei in der vollkommen zurückgezogenen Position gemäß 2. Die Vorderanschläge 25 befinden sich in geschlossener Stellung.
- Fährt der Vorhubkolben 3 in die ausgefahrene Stellung, werden die Vorderanschläge 25 in Bogenförderrichtung in die geöffnete Stellung (gestrichelt) weggeschwenkt. In dieser Stellung erfolgt eine Probebogenentnahme.
- Ist die Probebogenentnahme abgeschlossen, kehrt der Vorhubkolben 3 unter Mitnahme des Arbeitshubkolbens 5 wieder in seine zurückgezogene Position und damit die Vorderanschläge 25 in ihre geschlossene Stellung zurück.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Doppelhubzylinder
- 2
- Zylindergehäuse
- 3
- Vorhubkolben
- 3.1
- Erster Abschnitt
- 3.2
- Zweiter Abschnitt
- 4
- Dichtung
- 5
- Arbeitshubkolben
- 5.1
- Erster Abschnitt
- 5.2
- Zweiter Abschnitt
- 6
- Dichtung
- 7
- Kolbenstange
- 8
- Dichtung
- 9
- Dichtung
- 10
- Anschlagmittel
- 11
- Absatz
- 12
- (Kolbenstangenlose) Zylinderkammer
- 13
- (Kolbenstangenseitige) Zylinderkammer
- 14
- Fluidkanal
- 15
- Fluidkanal
- 16
- Wegeventil
- 17
- Wegeventil
- 18
- Fluidleitung
- 19
- Fluidleitung
- 20
- Hohlraum
- 21
- Bohrung
- 22
- Raum
- 23
- Bogenausleger
- 24
- Bogenstapel
- 25
- Vorderanschläge
- 26
- Vorderanschlagwelle
- 27
- Greiferwagen
- 28
- Bogen
- 29
- Hebel
- P
- Druckquelle
- A B C D
- Beaufschlagungsfläche
