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Arbeitszylinder, insbesondere Schweißzylinder
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zum Widerstandspunktschweißen Die Erfindung bezieht sich auf einen
Arbeitszylinder, insbesondere Schweißzylinder zum Widerstandspunktschweißen, mit
einem in einem Zylindergehäuse in zwei entgegengesetzten Richtungen verschiebbaren
pneumatisch betätigten Kolben, wobei der Kolben zunächst unter geringer Krafteinwirkung
an das Werkstück herangeführt wird und erst bei Berührung mit demselben eine wesentliche
Erhöhung der auf den Kolben wirkenden Vorschubkraft stattfindet.
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Druckmittelbetätigte Arbeitszylinder finden auf den verschiedensten
Gebieten Verwendung. Durch die französischen Patentschriften 2 177 999 und 2 178
002 ist beispielsweise ein pneumatisch oder hydraulisch wirkender Hubzylinder bekannt
geworden, der für den Einbau in Handhubwagen oder Palettenheberwagen bestimmt ist.
Bei diesen bekannten Arbeitszylindern fährt die Kolbenstange mit kleiner Kraft vor,
bis sie auf die zu hebende Last stößt. Anschließend wird auf Hochdruck umgeschaltet
und die Last angehoben, d. h. es wird ein Krafthub durchgeführt. Der Rückhub der
Kolbenstange erfolgt durch das Gewicht des Wagens und nicht durch die Umsteuerung
des Druckmediums auf einen zweiten Anschluß.
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Der im Vorstehenden erwähnte bekannte Arbeitszylinder eignet sich
nicht zur Verwendung als Schweißzylinder zum Widerstandspunktschweißen, weil bei
der gegebenen großen Fahrstrecke bis zum Umschalten auf Hochdruck damit gerechnet
werden muß, daß die Auftreffgeschwindigkeit des Kolbens auf das Werkstück
ebenfalls
groß ist und es somit zu einem erheblichen Anschlagsgeräusch kommt.
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Durch die deutschen Auslegeschriften 2 007 711 und 2 236 094 sind
des weiteren Arbeitszylinder bekannt geworden, bei denen der Arbeitskolben durch
ein flüssiges Druckmittel betätigt wird. Auch diese bekannten Arbeitszylinder weisen
einen Eilgang auf, mit dem der Kolben an das Werkstück herangeführt wird. Anschließend
kommt es dann unter erhöhtem Druckmitteldruck zu einem Krafthub. Auch diese bekannten
Arbeitszylinder sind indessen nicht zur Verwendung als Schweißzylinder geeignet,
weil sie hydraulisch betätigt werden. Ersetzt man bei den bekannten Arbeitszylindern
die hydraulische Betätigung durch eine pneumatische Betätigung entsprechend dem
oben angegebenen Gattungsbegriff, so sind sie dennoch nicht zum Widerstandspunktschweißen
geeignet, da infolge des Eilgangvorschubs mit einem hohen Anschlaggeräusch des Arbeitskolbens
auf dem Werkstück zu rechnen ist.
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Die heute üblichen Schweißzylinder erzeugen, wenn sie mit Druckluft
betrieben werden,beim Aufsetzen der Elektroden auf das zu schweißende Werkstück
eine Geräuschentwicklung bis über 100 db (AF). Die hierbei auftretende Geräuschentwicklung
ist überdies von der Größe des zu verschweißenden Werkstücks und der Anzahl der
Schweißzylinder, die gleichzeitig vorfahren, abhängig. Die Geräuschentwicklung der
bekannten Schweißzylinder liegt weit über den von der Berufsgenossenschaft zugelassenen
Höchstwerten der Lärmbelastung. Auch ist eine solche Lärmbelastung im Sinne der
Humanisierung des Arbeitsplatzes nicht mehr zu vertreten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Schweißzylinder
der eingangs bezeichneten Art so auszugestalten, daß das beim Auftreffen der Elektrode
auf das Werkstück entstehende Geräusch sich innerhalb vertretbarer und erträger
licher
Grenzen hält,#edoch gleichzeitig in hohem Maße geeignet ist, die beim Widerstandspunktschweißen
erforderliche Elektrodenkraft aufzubringen.
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Es ist bereits versucht worden, das geschilderte Problem der Geräuschentwicklung
mit einer bei pneumatischen Zylindern üblichen Dämpfung in der Endlage zu beseitigen.
Man ist jedoch hierbei zu keinem zufriedenstellenden Ergebnis gekommen.
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Der Grund liegt darin, daß diese Dämpfung erst nach einem bestimmten
Vorschubwert des Kolbens einsetzt. Hierbei ist nicht berücksichtigt worden, daß
die Schweißelektroden einem starken Verschleiß unterworfen sind und daher nachgearbeitet
werden müssen. Hierdurch verringert sich der Vorschubweg, den die Elektrode bis
zum Auftreffen auf dem Werkstück zurücklegen muß. Es kommt also in den meisten Fällen,
bei denen nachgearbeitete Elektroden verwendet werden, erst gar nicht zu einer wirksamen
Dämpfung des Arbeitskolbens, weil die Elektrode bereits vorher mit dem Werkstück
in Berührung kommt.
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Nach dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung wird jedoch das
Problem in einfacher und vorteilhafter Weise dadurch gelöst, daß der Kolben bis
zur Anlage am Werkstück gegen den Widerstand eines Vakuums verschiebbar ist, wobei
ein Verbindungskanal zwischen dem Vakuum und der vor dem Kolben liegenden Druckkammer
zunächst durch ein federbeaufschlagtes Ventil verschlossen ist, welches erst am
Ende des Kolbenhubes durch den sich dann vor dem Kolben aufbauenden höheren Druck
gegen Federwiders tand öffnet.
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Durch den erfindungsgemäßen Arbeitszylinder läßt sich ein sehr sanftes
Heranführen der Elektrode an das Werkstück ohne belastende Geräuschentwicklung bewerkstelligen,
weil das zu überwindende Vakuum bei fortschreitendem Kolbenhub immer stärker und
entsprechend die den Kolben vorantreibende Kraft bis zur Anlage des Kolbens am Werkstück
kleiner wird. Erst wenn der Kolben am Werkstück anliegt, kann sich ein höherer
Druck
aufbauen, der zur Öffnung des federbeaufschlagten Ventils und damit zum Zusammenbruch
des in rückwärtiger Richtung auf den Kolben einwirkenden Vakuums führt. Anschließend
steigt der den Kolben beaufschlagende Druck so stark an, daß die Schweißung durchgeführt
werden kann.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Dämpfung
der Kolbenbewegung durch das Vakuum so lange anhält, bis der Kolben--mi-t--dem Werkstück
zur Anlage gelangt. Die erfindungsgemäße Dämpfung ist also nicht an einen vorbestimmten
Vorschubweg gebunden, sondern richtet sich nach dem jeweiligen Einzelfall. Die Vorteile
der erfindungsgemäßen Arbeitszylinder äußern sich daher in gleichem Maße bei nachgearbeiteten
Elektroden wie bei fabrikneuen Elektroden, bei denen kein Verschleiß aufgetreten
ist.
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Um die auf den Arbeitskolben wirkende Kraft während der Vorschubbewegung
desselben bis zum Werkstück besonders klein zu halten, wird nach einem weiteren
Merkmal der Erfindung vorgeschlagen, den Kolben stufenförmig abgesetzt auszubilden,
derart, daß zunächst eine erste Kolbenfläche kleineren Querschnitts druckbeaufschlagt
ist und bei Erreichen der Endstellung des Kolbens am Werkstück das Druckmittel auf
eine zweite Kolbenfläche großen Querschnitts einwirkt.
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Um das Druckmittel hierbei von der ersten Kolbenfläche kleineren Querschnitts
auf die zweite Kolbenfläche größeren Querschnitts umzuleiten, wird des weiteren
vorgeschlagen, daß die erste Kolbenfläche kleineren Querschnitts mit der zweiten
Kolbenfläche größeren Querschnitts durch einen innerhalb des Kolbens liegenden ventilgesteuerten
Kanals verbunden ist, wobei der Kanal zweckmäßig durch ein federbeaufschlagtes Ventil
verschlossen ist und nur durch das Druckmittel geöffnet werden kann, wenn sich bei
Erreichen der Endstellung (Arbeitsstellung) des Kolbens der Druckmitteldruck erhöht.
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Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung, welches einem besonders
ökonomischen Aufbau des erfindungsgemäßen Arbeitszylinder8 dient, besteht darin,
daß der ventilgesteuerte Kanal in den beiden Kolbenflächen unterschiedlichen Querschnitts
und der Verbindungskanal zwischen Vakuum und Druckkammer durch ein und dasselbe
federbeaufschlagte Ventil steuerbar ist. Durch seitliches Versetzen des die erste
Kolbenfläche kleineren Querschnitts aufweisenden Teils des Kolbens gegenüber dem
Kolbenteil mit der Kolbenfläche größeren Querschnitts kann ferner in vorteilhafter
Weise der Arbeitskolben gegen Verdrehen gesichert werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung können anhand von
Ausführungsbeispielen der Zeichnung und der nachstehenden Beschreibung entnommen
werden.
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Es zeigt: Fig. 1 im Längsschnitt einen Arbeitszylinder, insbesondere
zum Widerstandspunktschweißen, nach der Erfindung und Fig. 2 eine andere Ausführungsform
eines Steuerventils für einen Arbeitszylinder, z. B. nach Fig. 1.
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Das Gehäuse des dargestellten Arbeitszylinders ist mit 10 bezeichnet.
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Das Zylindergehäuse 10 enthält einen zylindrischen Innenraum, der
in mehrere Kammern unterteilt, jedoch insgesamt mit 11 beziffert ist. Die Mittelachse
des zylindrischen Innenraumes 11 trägt das Bezugs zeichen 12. Sie fällt zusammen
mit der Mittelachse zweier miteinander fest verbundener Teil 13 und 14, die Bestandteile
eines im Zylindergehäuse 10 hin und her bewegbaren Arbeitskolbens sind und weiter
unten noch näher erläutert werden sollen.
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Aus der Zeichnung ist des weiteren ersichtlich, daß das Zylindergehäuse
10 zwei Druckluftanschlüsse 15 und 16 aufweist. Der Anschluß 15 dient der Zuführung
sogenannter Vorluft, d. h. derjenigen Druckluft, die den Arbeitskolben zum Werkstück
hin bewegen soll. Der andere Anschluß 16
~dient dagegen der Rückführung
des Arbeitskolbens in seine aus der Zeichnung ersichtliche Ausgangsposition.
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Der im Zylindergehäuse 10 durch Drucklufteinwirkung bewegbare Arbeitskolben
weist außerdem bei den bereits erwähnten Teilen 13 und 14 noch zwei weitere Teile
auf, die mit 17 und 18 bezeichnet sind. Es wird dabei deutlich, daß der Kolbenteil
18 eine wesentlich kleinere Querschnittsfläche besitzt als die beiden anderen Kolbenteile
13 und 17 und daß die Mittelachse 19 des Kolbenteils 18 gegenüber der Mittelachse
12 der übrigen Kolbenteile 13, 14, 17 seitlich versetzt ist.
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Durch das letztere Merkmal wird ein Verdrehen des gesamten Kolbens
im Zylindergehäuse wirksam verhindert. Der Kolbenteil 18 ist in einer entsprechend
seitlich versetzten Bohrung 20 mit entsprechend geringem Querschnitt geführt.
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Aus der Zeichnung geht des weiteren hervor, daß die Kolbenteile 14,
18 jeweils eine Axialbohrung 21 bzw. 22 aufweisen.
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Die beiden Axialbohrungen 21, 22 der Kolbenteile 18, 1-4 stehen durch
Kanäle 23, 24 im mittleren Kolbenteil (Mittelteil 17) miteinander in Verbindung.
Bei der in der Zeich.
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nung gezeigten Ausgangsstellung des Arbeitszylinders ist jedoch die
Verbindung der beiden Axialbohrungen ?1, 22 durch eine Kugel 25 unterbrochen, die
Bestandteil eines federbeaufschlagten Ventils ist. Die die Ventilkugel 25 beaufschlagende
Druckfeder ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und mit 26 bezeichnet. Sie
stützt sich in rückwärtiger Richtung an einer Schraube 27 ab, die in eine Gewindebohrung
28 im Mittelteil 17 eingeschraubt ist. Die Vorspannung der Feder 26 und damit der
Öffnungsdruck des beschriebenen Ventils ist durch entsprechende Verdrehung der Schraube
27 verstellbar.
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Im oberen Bereich des Zylindergehäuses 10 ist ein weiterer Kanal 29
erkennbar, der eine Verbindung herstellt zwischen einem Gehäuseraum 30 vor dem Mittelteil
17 des Arbeitskolbens
und dem Druckluftanschluß 15. In der aus
der Zeichnung ersichtlichen Stellung des Arbeitszylinders ist jedoch auch diese
Verbindung durch eine Kugel 31 unterbrochen, die zusammen mit einer Druckfeder 32
ein weiteres Rückschlagventil bildet. Die Druckfeder 32 stützt sich in rückwärtiger
Richtung an einer in den Druckluftanschluß 15 eingeschraubten Schraube 33 ab, die
eine zentrale Durchgangsbohrung 34 aufweist.
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Im mittleren Bereich des Arbeitszylinders ist ein Zwischenstück 35
eingesetzt, welches durch eine -zylindrische Büchse 36 in der gezeigten Lage gehalten
wird. Die Büchse 36 ist durch einen Sprengring 37 oder dergleichen gegen Herausfallen
aus dem Arbeitszylinder gesichert. Das Zwischenstück 35 weist eine zentrale Bohrung
38 auf und dient zur Führung des mit 14 bezeichneten Kolbenteils. Außerdem hat das
Zwischenstück 35 die Aufgabe, den insgesamt mit 11 bezeichneten Innenraum des Zylindergehäuses
10 in zwei Räume 39 und 40 dichtend zu unterteilen. Zur Abdichtung sind hierbei
Dichtungsringe 41, 42 vorgesehen. Weitere Dichtungsringe 43 bzw. 44, 45 bzw.
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46 sind in Ringnuten am-Außenumfang der Kolbenteile 13 bzw.
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17 bzw. 18 eingelegt und dienen entsprechenden Dichtungszwecken.
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Am vorderen Ende des Kolbenteils 13 ist eine konische Ausnehmung 47
vorgesehen, in die das Arbeitswerkzeug, z. B.
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eine Widerstandsschweißelektrode, eingesetzt werden kann.
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Die beschriebene Vorrichtung arbeitet nun wie folgt. Bei an dem Anschluß
15 anstehender Druckluft (sogenannte Vorluft) wird durch die Kugel 31 der Verbindungskanal
29 verschlossen.
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Die Druckluft kann somit ausschließlich auf die mit 48 bezeichnete
Stirnfläche des Kolbenteils 18 einwirken. Hierdurch wird der gesamte Arbeitskolben
13, 14, 17, 18 in Richtung auf das Werkstück, d. h. inP#ilrichtung 49, in Bewegung
gesetzt. Die Verbindung der beiden Bohrungen 19, 22 in den Kolbenteilen 18, 17 ist
hierbei durch das Kugelventil 25, 26 verschlossen.
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Mit fortschreitendem Vorschubweg des Arbeitskolbens vergrößert sich
der mit 30 bezeichnete Raum hinter dem Mittelteil 17 des Kolbens. Es entsteht hierbei
in dem Raum 30 ein zunehmender Unterdruck, weshalb der-Raum 30 im folgenden als
Vakuumraum bezeichnet sein soll. Dieser im Vakuumraum 30 entstehende zunehmende
Unterdruck wirkt der auf den Kolben durch die Druckluft aufgebrachten Vortriebskraft
entgegen.
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Auch in der Bohrung 22 sowie im Raum 39 entsteht bei fortschreitender
Vorschubbewegung des gesamten Kolbens ein Unterdruck, der sich dämpfend auf die
Vorschubbewegung des Kolbens auswirkt. Der Raum 40 wird dagegen bei fortschreitender
Kolbenbewegung durch den Rückluftanschluß entlüftet.
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Bei entsprechender Dimensionierung der Unterdruckraldn. bzw.
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-kanäle sowie entsprechender Einstellung der Vorspannupg an der Druckfeder
26 wird erreicht, daß der Arbeitskolben bis zu einem bestimmten an dem Ventil 25,
26 anstehenden Vordruck langsam mit geringer Kraft vorfährt.
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In dem Augenblick, in dem der Arbeitskolben seine vordere Endstellung
erreicht hat, bei der er mit dem Werkstück in Anlage ist, erhöht sich der auf das
Kolbenteil 18 einwirkende
Druck des Druckmittels auf einen Wert,
bei dem schließlich die Kugel 25 gegen den Widerstand der Druckfeder 26 die Verbindung
zwischen den beiden Bohrungen 21, 22 öffnet. In diesem Augenblick strömt die Luft
über die Bohrung 22 in die Räume 30 und 39 und es bricht der Unterdruck in den Zylinderräumen
30, 22 und 39 zusammen. Die Druckluft beaufschlagt nunmehr unmittelbar die hintere
Stirnfläche 50 des Kolbenteils 13, welches einen wesentlich größeren Querschnitt
aufweist als das anfangs druckbeaufschlagte Kolbenteil 18 und an der Kugel 31 steht
nun vor und hinter dem Ventilsitz der gleiche Druck an, der das Ventil 31, 32 geschlossen
hält, da die Kraft der Feder 32 einseitig wirkt. Es leuchtet ohne weiteres ein,
daß hierdurch die auf den Arbeitskolben in Richtung auf das Werkstück wirkende Kraft
ganz erheblich ansteigt. Der Arbeitskolben fährt nun zwar nicht weiter vor, bringt
jedoch mit seinen Teilen 13, 17, 18 den zur Durchführung der Widerstandsschweißung
erforderlichen Druck auf das Werkstück auf.
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Die Kolbenteile 13 und 17 befinden sich in Tandemanordnung und wirken
beide.
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Bei Umsteuerung der Druckluft vom Anschluß 15 auf den Rückführungsanschluß
16 gelangt die Druckluft auf die hintere Stirnfläche 51 des Kolben-Mittelteils 17.
Hierdurch wird der gesamte Kolben im Eilgang in seine aus der Zeichnung ersichtliche
Ausgangsstellung zurückgeführt. Die Entlüftung des nunmehr mit Druckluft gefüllten
Vakuumraumes 30 erfolgt durch die Bohrung 29 und den Anschluß 15. Das Kugelventil
31, 32 wird hierbei geöffnet.
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Anstelle des in Fig. 1 gezeigten Kugelventils 25, 26 kann auch ein
Steuerventil entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 2 verwendet werden Dieses
Ventil besteht aus einer in die Gewindebohrung 28 im Mittelteil 17 (Fig. 1) einzuschraubenden
Zylinderschraube 52, die innen eine zylindrische Längsausnehmung 53 aufweist, in
der ein kolbenartiger Ventilkörper 25a gegen den Widerstand einer Druckfeder 26a
verschiebbar angeordnet ist. Der kolbenartige Ventilkörper 25a weist ein mit dem
Ventilsitz im Mittelteil 17 zusammenwirkendes kugelförmiges Ende 54 auf. Die Druckfeder
26a, die sich in rückwärtiger Richtung am Boden 56 der zylindrischen Längsausnehmung
53 der Zylinderschraube 52 abstützt, beaufschlagt den kolbenartigen Ventilkörper
25a an seiner rückwärtigen, innerhalb der Zylinderschraube 52 liegenden Stirnfläche
55 und drückt ihn dadurch gegen den Ventilsitz. Die Vorspannung der Druckfeder 26a
kann durch Verdrehen der gesamten Zylinderschraube 52 innerhalb der Gewindebohrung
28 verstellt werden.
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Aus Fig. 2 ist weiterhin ersichtlich, daß der kolbenartige Ventilkörper
25a an seiner Umfangsfläche eine ringförmige Eindrehung 57 aufweist, in der ein
Rundschnurring 58 als Dichtring angeordnet ist. Zur Entlüftung des sich zwischen
der Stirnfläche 55 des Ventilkörpers 25a und dem Boden 56 der zylindrischen Längsausnehmung
53 innerhalb der Zylinderschraube 52 erstreckendem Hohlraums dient eine Bohrung
59.
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Die Ausführungsform des Steuerventils nach Fig. 2 hat den Vorteil,
daß die Rückseite des Ventilkörpers 25a nicht von dem auf den Kolben wirkenden Vorschubdruck
beaufschlagt zu werden vermag. Es kann daher kein Druckausgleich stattfinden, und
das Ventil bleibt nach dem Erreichen des dffnungsdruckes offen.
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Das Gewinde der Zylinderschraube 52 kann gegenüber der Gewindebohrung
28 mittels einer Dichtmasse abgedichtet werden,
wodurch ein Absichern
der Zylinderschraube 52 gegen Verdrehen möglich ist. Es ist dadurch ferner sichergestellt,
daß der an der Druckfeder 26a eingestellte Öffnungsdruck konstant bleibt.
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- Patentansprüche -
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