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Die Erfindung betrifft eine hydropneumatische Antriebs-
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vorrichtung mit zwei durch gesteuerte Strömungswege verbundenen Zylinderräumen,
in denen je ein abdichtend verschiebbarer Kolben eingesetzt ist, wobei jeder Kolben
von einer Seite mit einem pneumatischen, von der jeweils anderen Seite mit einem
hydraulischen Druckmittel beaufschlagbar ist, und wobei mindestens ein Kolben mit
einer aus dem Zylinderraum heraus führenden Kolbenstange verbunden ist.
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Derartige hydronneumatische Antriebsvorrichtungen (Drucklufttechnik,
Sentember 1983, Seiten 24-28) verbinden die Vorteile der Drucklufttechnik (hohe
Arbeitsgeschwindigkeit durch rasche Verfügbarkeit der Energie) mit denen der Hydraulik
(gute Steuerbarkeit des Hydrostromes) und finden insbesondere dort Verwendung, wo
rasche Betätigung mit lagegenauem Umschalten zu langsamem Vortrieb und gesteuerter
langsamer Vortrieb erreicht werden sollen. Dazu wird entweder ein doppelt- oder
einfachwirkender Pneumatikzylinder parallel zu einem Hydraulikzylinder geschaltet,
wobei die Verbindung meist über die Kolbenstangen geschieht. Nachteilig ist dabei
die einseitige Beanspruchung der Kolbenstangen und der Platzbedarf des parallel
geschalteten Hydraulikzylinders. Daneben ist es bekannt, Druckmittelwandler oder
Druckübersetzer vorzusehen, die getrennt vom eigentlichen Betätigungszylinder angeordnet
sind, aber eine aufwendige und storungsanfällige Verrohrung oder Verschlauchung
erfordern. Es wurde deshalb eine dem Oberbegriff des Anspruches 1
entsprechende
vollintegrierte hydropneumatische Antriebsvorrichtung entwickelt, wie sie beispielsweise
aus Bild 2 und 5 auf Seite 25 der Zeitschrift Drucklufttechnik, Sentember 1983 bekannt
ist. Es kann hier ein gemeinsamer Zylinder mit einer Kolbenstange Verwendung finden,
wobei der Zylinderraum in Längsrichtung unterteilt ist, und jeweils die äußeren
und die inneren Zylinder-Teilräume miteinander verbunden sind. Zum Ausgleich des
Verlustes an hydraulischem Druckmittel ist einer der beiden Kolben an der Kolbenstange
gefedert geführt. In diesem Falle tritt keine einseitige Beaufschlagung der Kolben
stange durch seitlich angeordnetem Bremszylinder auf, jedoch ergibt sich eine vergrößerte
Baulänge, und Zylinderboden und -deckel müssen miteinander durch Schläuche oder
Rohre verbunden werden.
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Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine integrierte
hydropneumatische Antriebsvorrichtung der genannten Gattung zu schaffen, die kompakt
und weitgehend wartungsfrei aufgebaut ist, und bei der die äußere Verrohrung oder
Verschlauchung entfällt.
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Zur Lösung der Aufgabe ist bei einer hydronneumatischen Antriebsvorrichtung
der eingangs genannten Gattung vorgesehen, daß die etwa gleiche Querschnittsflächen
aufweisenden Zylinderräume konzentrisch umeinander angeordnet sind, und daß die
Verbindungkanäle jeweils in dem gemeinsamen Zylinderdeckel bzw. in dem gemeinsamen
Zylinderboden so angeordnet sind, daß die dem Zylinderdeckel
bzw.
-boden benachbarten Zylinder-Teilräume jeweils mit dem gleichen Druckmittel befüllbar
sind.
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Die so ausgestattete Antriebsvorrichtung weist getrennte Anschlüsse
für das tneumatische und das hydraulische Druckmittel jeweils im Zylinderdeckel
bzw. -boden auf, der Durchmesser des äußeren Zylinders ist gegenüber einem einfachen
Zylinder mit gleichem Kraftbedarf um weniger als 50 % erhöht, und es entfällt die
sonst notwendige Ausgleichseinrichtung für das hydraulische Druckmittel, da der
ringförmige Außenkolben freilaufend durch die Beaufschlagung durch das pneumatische
Druckmittel stets in Druckanlage mit dem hydraulischen Druckmittel bleibt.
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Es genügt, wenn in längeren Wartungsahständen das an den Wanddichtungen
vorbei in geringem Blaße austretende hydraulische Druckmittel nachgefüllt wird.
Die Baunse der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung entspricht der eines normalen
Betätigungszylinders. Dabei ist es dem Anwender freigestellt, von welcher Seite
er die Beaufschlagung vornimmt, d.h. die Kolbenstange kann stoßend oder ziehend
beaufschlagt werden. Es ist keine Verbindungs-Verrohrung oder -Verschlauchung notwendig,
so daß die Störungsanfälligkeit weitestgehend beseitigt ist.
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Wird die Antriebsvorrichtung so weiter gebildet, daß die Verbindungskanäle
an den Zylinderdeckel bzw. -hoden jeweils mit gleichem Anschlußbild nach außen geführt
sind, so kann bei Ausgestaltung der Anschlußbilder entsnrechend
den
Ventil-Anschlußnormen ein einfacher Austausch der Druckmittel-Beaufschlagungsseiten
erfolgen, und es kann jedes dem Normbild entsprechende handelsübliche Ventil zur
Steuerung eingesetzt werden.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus,
daß ein die Stromsteuerglieder schaltendes Betätigungsventil auf der Hydraulik-Anschlußseite
angeordnet ist, das mit impulsgesteuerter Betätigung versehen ist und das mit 2
druckmittelbetätigten Steuerkolben ausgestattet ist. Es ist auf diese Weise eine
einfache Umsteuerung beispielsweise vom Eil- zum Kriechgang durch Schaltnocken an
der Kolbenstange möglich, die z.B. mechanisch, durch pneumatische oder hydraulische
Servoleitungen oder elektrisch die Umsteuerung des Ventils bewirken. Das Halten
des umgesteuerten Ventiles im jeweiligen Betätigungszustand geschieht dann durch
das Druckmittel selbst.
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Die Beeinflussung im Rücklauf, der zumeist durchgehend im Eilgang
erfolgt, wird meist bei derartigen Ventilen so vermieden, daß Steuerkolben unterschiedlicher
Flächen vorgesehen sind. Es kann aber auch stattdessen ein impulsvorgesteuertes
eigendruckgehaltenes Drosselrückschlagventil verwendet werden, bei dem Steuerkolben
gleicher Größe vorgesehen sind. Durch die besondere Anschaltung der Steuerkolbenleitung
ist dabei jegliche ungewollte Beeinflussung bei Rücklauf vermieden.
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Eine weitere Verringerung des Platzbedarfes und eine erhöhte Sicherheit
gegen Beschädigung und andere Störungen ist dadurch zu erreichen, daß die Steuerventile
jeweils in den Zylinderboden bzw. den Zylinderdeckel integriert sind.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus,
daß zumindest die äußere Zvlinderwand aus nicht magnetisierbarem Material besteht,
daß in den Außenkolben ein Dauermagnet eingesetzt ist, daß an der äußeren Zylinderwand
mindestens ein Reeiontakt längsverschiebbar angeordnet ist, und daß zumindest das
das Stromregelglied oder die Stromregelglieder steuernde Ventil oder beide Druckmittel-Steuerventile
Elektromagnetventile sind.
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Auf diese Weise kann auch bei kurzer Kolbenstange eine genaue Lageumschaltung
der Betriebszustände der Antriebsvorrichtung erfolgen. Eine derartige Lagesteuerung
ist zuverlässig, preisgünstig und leicht veränder- und einstellbar. Muß bei rauhem
Betrieb und unzureichender Wartung befürchtet werden, daß bei langer Betriebsdauer
ein zu hoher Druckmittelverlust eintritt, so kann über eine an der Kolbenstange
oder einem mitbewegten Teil angebrachte entsprechende elektrische Schalteinrichtung
mit dem eedkontakt über eine einfach aufzubauende Koinzidenzschaltung auf diese
Weise eine Überwachung des Druckmittel-Füllzustandes erfolgen. Dabei ist es besonders
von Vorteil, wenn gemäß Anspruch 7 verfahren wird, da auf diese Weise auch eine
Verdrehung des Außenkolbens ohne Einfluß auf die Steuereinrichtung ist.
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Zwar ist, wie bereits bemerkt, eine freie Wahlmöglichkeit des Druckmittelanschlusses
gegeben, jedoch ergibt sich eine besondere Vereinfachung dadurch, daß die pneumatische
Druckmittelbeaufschlagung über den Zylinderboden erfolgt, da auf diese Weise die
Außenanschlüsse des pneumatischen Druckmittels von der Bearbeitungsseite abgewandt
sind, insbesondere wenn die Schalteinrichtung für das Hydraulikdruckmittel, wie
bereits angeführt, in dem Zylinderdeckel
untergebracht ist.
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Es kann die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung noch dadurch besonders
universell einsetzbar gestaltet werden, daß die Kolbenstange eine auf beiden Seiten
durchgehende Kolbenstange ist, und es ist eine für besondere Einsatzzwecke vorteilhafte
Weiterbildung dadurch erreichbar, daß die Kolbenstange verdrehgesichert ist.
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Schließlich kann die Antriebsvorrichtung infolge des automischenLeckausgleichs
nicht nur als Linearantrieb, sondern auch als Drehantrieb Verwendung finden, wenn
sie so ausgestaltet wird, daß an der mit hydraulischem Druckmittel beaufschlagten
Seite ein mit der Kolbenstange drehfestterbundener Hydraulik-Drehantrieb vorgesehen
ist, durch den von dem benachbarten inneren Zylinder-Teilraum wegführenden Verbindungskanal
gespeist wird, daß der Kolben an der Kolbenstange verschiebbar geführt ist, und
daß die Kolbenstange an ihrem nach außen geführten Ende bzw. an beiden nach außen
geführten Enden mit einer Drehantriebs-Übertragung versehen ist. Auch in diesem
Falle erweist sich die Ausstattuna mit einem verschiebbaren ^eedkontakt als sehr
vorteilhaft, da so eine Überwachung des Füllzustandes des hydraulischen Druckmittels
auf einfachste Weise realisierbar ist. Es sind hydraulische Drehantriebe bekannt,
die weitgehend schlupffrei arbeiten, sodaß eine genau positionierte Drehgebung möglich
ist.
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Die universell einsetzbare hydronneumatische Antriebsvorrichtung gemäß
der Erfindung erweist sich so als den 3eweils vorhandenen Einbauverhältnissen in
hervorragender Weise
anpassbar, sie ist kostengünstig, im allgemeinen
aus normgerechten Teilen (Zylinderwände, Deckel, Kolbenstange usw.) aufbaubar und
auch für harten Betrieb bei geringen Wartungsansprüchen einzusetzen.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt: Figur 1 eine hdyropneumatische Antriebsvorrichtung
mit Pneumatik-Anschluß am Zylinderboden, Figur 2 eine der Ausführungsform nach Figur
1 entsprechende Antriebsvorrichtung mit deckelseitigem Pneumatik-Anschluß, und Figur
3 eine Ausführungsform der Antriebsvorrichtung als Drehantrieb.
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In Figur 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen hydropneumatischen
Antriebsvorrichtung gezeigt, bei der die pneumatische Beaufschlagung des Arbeitskolbensstoßend
erfolgt. Durch zwei konzentrisch angeordnete, jeweils dichtend mit einem Zylinderboden
32 und einem Zylinderdeckel 30 verbundene Zylinderwände, die äußere Zylinderwand
52 und die innere Zylinderwand 54 , sind zwei konzentrische Z=71inderräume, der
innere Zylinderraum 10, 12 und der äußere Zylinderraum 14, 16, gebildet, die durch
einen eingesetzten inneren Kolben 18 und einen ringförmigen Außenkolben 28 in den
jeweiligen deckelseitigen inneren Zylinderraum lo bzw. äußeren Zylinderraum 14 und
den bodenseitigen inneren Zylinderraum 12 und'den äußeren Zylinderraum 16 unterteilt
sind. Der äußere, als rinholben ausgeführte Kolben 28
ist frei
verschiebbar eingesetzt, während der innere Kolben 18 mit der Kolbenstange 20 verschraubt
und durch eine Ringdichtung 23 ihr gegenüber abgedichtet ist. Übliche Dichtringe
22 sorgen für die gleitende Abdichtung des Kolbens an der Innenseite der inneren
Zylinderwand 34 . Der äußere Ringkolben 28 enthält einen permanentmagnetischen Ringeinsatz
29 Die Kolbenstange 20 ist im Deckel 30 in der üblichen Weise gelagert und durch
Dicht- und Abstreifringe 24, 26 abgedichtet. Am äußeren Ende ist die Kolbenstange
20 mit einem Kolbenstangengewinde So versehen, an das je nach Verwendungszweck Befestigungsteile
angebracht werden können. Die Druckmittelzuführung im Zylinderdeckel 30 geschieht
über einen zum inneren Zylinder-Teilraum 10-führenden Kanal 31 und einen zum äußeren
Zylinder-Teilraum 14 führenden äußeren Kanal 31a . Entsprechend sind der innere
bodenseitige Zylinder-Teilraum 12 über einen Kanal 33 und der äußere Zylinder-Teilraum
16 über einen Kanal 33a zugänglich. Die Anschlußbohrungen für die beiden Kanäle
31, 31a im Zylinderdeckel bzw.
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33, 33a im Zylinderboden sind bevorzugter Weise so ausgeführt, daß
sie den VD3S-Anschlußnormen für Ventilanschlüsse entsprechen, so daß auf einfachste
Weise ein Aufsetzen jedes normgerechten Pneumatik- bzw. Hydraulik-Ventils erfolgen
kann. In der gezeigten Ausführung ist ein in Längsrichtung der Antriebsvorrichtung
verschiebbar er Reedkontakt 44 für die Steuerung des Hydraulik-Ventils vorgesehen,
während an den dem Zylinderboden ein übliches
4/2-Wege-Pneumatik-Ventil
46, von einer Quelle 48 für pneumatisches Druckmittel gespeist, angebracht ist.
Das Hydraulik-Umsteuerventil 34 , das hier deckelseitig aufgesetzt ist, dient dazu,
das - von dem deckelseitigen inneren Zylinder-Teilraum 10 zu dem äußeren deckelseitigen
Zylinder-Teilraum 14 strömende Druckmittel in der einen Stellung praktisch ungehindert
fließen zu lassen, während es in der anderen Stellung über ein Stromregelglied 36
geführt wird, um dadurch den langsamen Arbeitsvortrieb herbeizuführen. Das hier
impulsvorgesteuerte eigendruckgehaltene Drosselrückschlagventil 34 ist mit zwei
druckmittelbeaufschlagten Steuerkolben 38 und 40 gleicher Größe versehen, die über
Steuerkanäle 39 bzw. 41 mit dem Druckmittelstrom in Verbindung stehen. Wie leicht
zu sehen ist, wird beim Beginn des Austreibens der Kolbenstange in Pfeilrichtung
51 auf der Seite des Steuerkolbens 38 das Druckmittel praktisch frei durchströmen,
und der anstehende Druck gelangt über den Verbindungskanal 39 zu diesem Kolben.
Sobald der Magnetring 29 im äußeren Ringkolben 28 den Reedkontakt 44 erreicht, wird
der Betätigungsmagnet -42 beaufschlagt und das Umsteuerventil 3 umgeworfen. Das
hydraulische Druckmittel durchströmt nun das Stromregelglied 36 , so daß in dem
zu dem Steuerkolben 40 führenden Kanal 41 ein hoherer Druck entsteht, als an der
an der Abstromseite liegenden Verbindungsstelle des Kanals 39 . Die umgesteuerte
Lage des Umsteuerventils 34 bleibt auf diese Weise aufrechterhalten und die Antriebsvorrichtung
bewegt sich in dem restlichen Weg mit durch das Stromregelglied herabgesetzter Geschwindigkeit.
Wird das Steuerventil
46 für das pneumatische Druckmittel umgesteuert
und damit der deckelseitige äußere Zylinder-Teilraum 16 unter Druck gesetzt, so
schiebt der äußere Ringkolben 19 das Druckmittel aus dem äußeren deckelseitigen
Zylinder-Teilraum 14 durch den Kanal 31a zum Umsteuerventil 34, so daß sich nun
im Kanal 39 ein höherer Druck aufbaut, durch den der Steuerkolben 38 gegen die Kraft
des Steuerkolbens 40 des Umsteuerventil umwerfen kann. Zwar wird, sobald der Permanentmagnetring
29 in die Nähe des Reedkontaktes 44 gelangt, ein weiterer Umschaltimnuls durch den
Betätigungsmagnet 42 ausgeübt, jedoch kann wegen der erhöhten Druckbeaufschlagung
des Steuerkolbens 38 dadurch das Umsteuerventil nicht umgeworfen werden, da auch
gleichzeitig der auf dem Steuerkolben 40 lastende Druck geringer als der auf dem
Steuerkolben 38 einwirkende Druck ist. Auf diese Weise bleibt beim Rücklauf der
durch den Reedkontakt 44 abgegebene Steuerimpuls wirkungslos.
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Unter Beachtung der bisherigen Beschreibung ist die umgekehrte Wirkungsweise
in Figur 2 ebenfalls leicht verständlich. Hier erfolgt die Beaufschlagung über die
deckelseitigen Zylinder-Teilräume 101 bzw. 14', während die bodenseitigen Teilräume
12' bzw. 16' mit hydraulischem Druckmittel gefüllt sind. Es finden gleichartig aufgebaute
Steuerventile 46' für das pneumatische Druckmittel bzw. als Umsteuerventil 34' für
das hydraulische Druckmittel Verwendung, und die Wirkungsweise ist unter Beachtung
der umgekehrten Beaufschlagung die gleiche.
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Der in Figur 3 gezeigte Einsatz der erfindungsgemäßen hdyropneumatischen
Antriebsvorrichtung als Drehantrieb unterscheidet sich von den beiden Linearantriebs-Anwendungsfällen
in Figur 1 und Figur 2 nur dadurch, daß in den Stromweg des zum inneren bodenseitigen
Zylinder-Teilraum 12" führenden Kanals 33" und 33b" ein hydraulischer Drehantrieb
56 eingefügt ist, der mit der Kolbenstange 60 drehfest verbunden ist. Zur Abnahme
des Antriebsmoments dient am herausgeführten Ende der Kolbenstange 60 eine Drehverbindung
62, die beispielsweise ein einfacher Querschlitz, ein quergesteckter Stift u.ä.
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sein kann. Wenn der Kolben 58" durch das auf den Deckelseite in den
Zylinder-Teilraum 1o" zugeführte Pneumatische Druckmittel zum Zylinderboden 32"
hin angetrieben wird, verdrängt er hydraulisches Druckmittel aus dem inneren Teilraum
12" in den bodenseitigen äußeren Teilraum 16", so daß der Drehantrieb 56 in der
einen Richtung angetrieben wird und so die Kolbenstange mitnimmt. Bei Umschaltung
des pneumatischen Ventils 46" erfolgt der Fluß des hydraulischen Druckmittels in
umgekehrter Richtung und dementsprechend dreht sich auch der hydraulische Antrieb
56 mit der Kolbenstange 60 in umgekehrter Richtung.
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Bei Einsatz eines schlunffreien Drehantriebs wird durch die Stellung
des äußeren Kolbens 28" mit Hilfe des Permanentmagnetringes 29" in der gleichen
Weise, wie vorher besprechen, der Reedkontakt 44" beaufschlagt, so daß auch hier
über ein entsprechendes Umsteuerventil 46" gegehenenfalls ein Stromregelglied in
den Stromweg des hydraulischen Druckmittels eingeschaltet werden kann, um verschiedene
Bewegungscharakteristiken hervorzurufen.
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Durch einen weiteren Reedkontakt, oder falls er nicht zur Umsteuerung
henutzt wird, durch den Reedkontakt 44" selbst, kann dabei eine wenig aufwendige
überwachung des Füllstandes für das Hydraulik-Druckmittel herbeigeführt werden,
da die Drehstellung der Kolbenstange 60 mit dem zugehörigen Stand des äußeren Ringkolbes
28all einfach zu überwachen ist.
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Diese Überwachung kann auch bei den als Linearantrieb eingesetzten
Antriebsvorrichtungen nach Figuren 1 und 2 ohne großen Aufwand so durchgeführt werden,
daß z.B. über einen Endschalter oder ein anderes Schaltglied und einen Koinzidenzmelder
ein Druckmittel-Verlust jeder Zeit festgestellt werden kann.
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Die beschriebenen Ausführungsformen können in besonders vorteilhafter
Weise noch mit weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltungen versehen werden. So können
mehrere Reedkontakte zur Einleitung unterschiedlicher Steuervorgänge eingesetzt
werden; das Stromstellglied 36 kann mit einer Feinverstellung (Proportionalsteuerung)
versehen werden, um eine genaue Steuerung der Vortriebsgeschwindigkeit zu ermöglichen,
und das Umsteuerventil 46 kann mit geschlossener Mittelstellung ausgestattet werden;
um eine Bewegungssperre, z.B. für Einrichtzwecke oder bei entsprechender Ansteuerung
als Unfallschutz zu erreichen. Die Steuerventile 34 und 46 können auch in den Zylinderboden
bzw. -deckel integriert sein, um besonders günstige Raumverhältnisse zu gestatten.
Besonders bei bodenseitigem Anschluß des Pneumatik-Druckmittels kann auf diese Weise
eine erhebliche Einsparung des Platzbedarfes für die Antriebsvorrichtung an der
Bearbeitungsseite erzielt werden.
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Schließlich können statt der Reedkontakte bei entsprechender Gestaltung
der äußeren Zylinderwand 52 auch auf kapazitivem Wege abtastende Meßelemente zur
Ansteuerung des impulsvorgesteuerten eigendruckgehaltenen Drosselrückschlagventils
34 eingesetzt werden.
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