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DE2625884A1 - Verfahren und vorrichtung zum hydropneumatischen erzeugen einer druck- bzw. presskraft - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum hydropneumatischen erzeugen einer druck- bzw. presskraft

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DE2625884A1
DE2625884A1 DE19762625884 DE2625884A DE2625884A1 DE 2625884 A1 DE2625884 A1 DE 2625884A1 DE 19762625884 DE19762625884 DE 19762625884 DE 2625884 A DE2625884 A DE 2625884A DE 2625884 A1 DE2625884 A1 DE 2625884A1
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DE
Germany
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hydraulic
pneumatic
power source
pressure
force
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE19762625884
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English (en)
Inventor
Egon Ing Grad Bauer
Herbert Dipl Ing Dr Techn Dits
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Transform Verstaerkungsmaschinen AG
Original Assignee
TRANSFORM VERSTAERKUNGSMASCH
Transform Verstaerkungsmaschinen AG
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Publication date
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Description

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PATENTANWÄLTE 2fi?R
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__ _v BAYERISCHE HYPOTHEKEN- UND
Telex: 05 29 802 HNKL D EDUARD-SCHMID-STRASSE 2 wechselbankMünchenNr.3i8-85iii TELEFON: (089) 663197, 663091 - 92 _ orinn x. ^x. ,,„„., „„ DRESDNER BANK MÜNCHEN 3914975 TELEGRAMME: ELUPSOID MÜNCHEN 0^000 MÜNC-HEN 90 POSTSCHECK: MÜNCHEN 1621 47 - 809
"1
l_ J
UNSER ZEICHEN: MÜNCHEN, DEN
betrifft: Transform Verstärkungsmaschinen Aktiengesellschaft' 6626 Schwalbach-Bous/Saar
Verfahren und Vorrichtung zum hydropneumatischen Erzeugen einer
Druck- bzw. Preßkraft
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum hydropneumatischen Erzeugen einer Druck- bzw. Preßkraft, bei dem die Druckkraft durch eine hydraulische Verstärkung einer pneumatischen Kraftquelle erzeugt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem, mehrere Kolben verschiedenen Durchmessers aufxfeisenden Druckverstärker, welcher eingangsseitig eine von einer pneumatischen Kraftquelle gespeiste pneumatische Zylindereinrichtung aufweist, die unmittelbar an eine hydraulische Zylindereinrichtung zur Umsetzung der Druckluftenergie in Öldruck angeschlossen ist«
Neben mechanischen und rein hydraulischen Pressen sind neuerdings auch pneumatisch-hydraulische Pressen bekannt geworden, welche als Antriebsenergie Druckluft benutzen, wobei die aus der Druckluft gewonnene mechanische Kraft in einem hydraulischen Wandlerteil vervielfacht wird0
709850/0525
Ke/ro - 2
Bei dem in Figo 1 dargestellten bekannten Preßkraftverstärker wirkt der Druck P1 der Druckluft auf einen oder mehrere in Serie liegende Kolben (1), deren mechanische Kraft auf einen Tauchkolben (2) übertragen wird, so daß -im Wandlerteil (j5) ein Öldruck p2 auf einen Hydraulikkolben (4) einwirkt. Mit steigendem Übersetzungsverhältnis vergrößert sich die Kraft und verkleinert sich der Hub entsprechend dem Verhältnis
P2 = Ü · P1; S2 = jjl; P1 - S1 = P2 - S2
P2 = Preßstempelkraft
P1 = Tauchkolbenkraft
Ü = Übersetzungsverhältnis
S1 = Hub Tauchkolben
Sp = Hub Preßstempel
Die Verwendung von Druckluft ist als elastisches Medium vorteilhaft, wenn schlagartige und übergroße Belastungen auftreten. Außerdem kann die Kraft der Druckluft Mcht an die benötigte Verformungstechnologie (schlagartig - sanft) angepaßt;sowie zusätzlich durch Regelorgane im hydraulischen Übersetzerteil leicht geregelt werden. Druckluft ist zudem vor allem speicherfähig und umweltfreundlich und vor allem in mittleren und größeren Betrieben ohnehin vorhanden. Hinzu kommt, daß mit Druckluft eine hohe Hubfrequenz (z.B. 100 Hübe/min) erreichbar ist. Andererseits ist der Kompressionsdruck normaler Druckluftanlagen zu niedrig, um für reine Druckluftpressen eingesetzt zu werden«
Allerdings können solche vorhandenen Druckluftanlagen und übliche Druckluftspeicher in der Regel nicht für die genannten pneumatisch-hydraulischen Pressen eingesetzt werden, da die Luftmengenleistung derartiger Druckluftanlagen zu gering iste Dies gilt nicht nur für die reine Druckluftkompressorleistung, sondern z.B. auch für die Querschnitte und sonstige Ausstattung der Rohranlagen. 709850/0525
Aufgabe der Erfindung ist es daher insbesondere, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die genannten Vorteile der Kombination hydraulischer Pressen mit Luftdruckantrieb auch dann auf konstruktiv einfache Weise genutzt werden können, wenn nur eine geringe bzw. begrenzte Druckluftmenge zur Verfugung steht« Dies gilt insbesondere für mittlere bis hohe Pressenleistungen»
Die Erfindung besteht bei einem Verfahren der eingangs definierten Art darin, daß zusätzlich zur pneumatischen Kraftquelle eine hydraulische Kraftquelle, beispielsweise von einer Hydropumpe, auf die hydraulische Verstärkung einwirkt und das Grössenverhältnis der aufgewandten pneumatischen und/oder hydraulischen Energie der Kraftquellen frei wählbar nach dem jeweiligen Druck- bzw. Preßkraftbedarf geregelt wird.
Eine Vorrichtung der genannten Art ist dementsprechend erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche hydraulische Kraftquelle, z„Be eine Hydropumpe, sowie eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der das Größenverhältnis der aufgewandten pneumatischen und/oder hydraulischen Energie der Kraftquellen frei wählbar nach dem jeweiligen Druck- bzw. Preßkraftbedarf regelbar ist«,
Mit den Mitteln der Erfindung können pneumatisch-hydraulische Pressen mit sehr viel geringerer Luftmenge, d.h. also mit evtl. bereits vorhandenen Druckluftanlagen und unter Vermeidung der Beschaffung eines entsprechend größeren Kompressors betrieben werden. Durch die erfindungsgemäße Einschaltung einer zusätzlichen hydraulischen Kraftquelle wird auch dadurch Druckluft erspart, daß die Anstellung des Pressenstempels statt mit Luftantrieb ölhydraulisch erfolgt und die Druckluft erst dann zur Wirkung gebracht wird, wenn ihre Vorteile besonders zur Geltung kommen können, nämlich bei der eigentlichen - und verformungstechnologisch optimal angepaßten - Verformung. Damit
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(P
kann der Druckluftverbrauch auf die Verformungsarbeit allein reduziert werden.
Nach der Energiegleichung errechnet sich der theoretische Luftbedarf zu:
V = £15. in Liter je Hub
F: Preßkraft in Mp
s: Kraftweg in em
pi Luftdruck in bar
Bei gleichbleibenden Luftdruck p, ist somit der Luftbedarf der aufgebrachten Kraft P und dem Kraftweg s direkt proportional. Erfindungsgemäß wird die Herabsetzung des Luftbedarfs dadurch erreicht, daß entweder die aufzubringende Kraft P, ader der Kraftweg s, oder beide Größen jeweils in die Summe zweier Einzelgrößen zerlegt werden, wobei stets der eine Summand auf pneumatischem und der andere Summand auf hydraulischem Wege hervorgerufen wird.
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Erfindungsgemäß kann entweder die zusätzliche Kraftquelle parallel zur pneumatischen Kraftverstärkung auf die Eingangsseite der hydraulischen Kraftverstärkung oder in Reihejmit der pneumatischen Kraftverstärkung, d.h. diese unmittelbar verstärkend, geschaltet sein.
Erfindungsgemäß kann aber auch ebenso die zusätzliche hydraulische Kraftquelle sowohl parallel zur pneumatischen Kraftverstärkung auf die Eingangsseite der hydraulischen Kraftverstärkung geschaltet sein, als auch in Reihe mit der hydraulischen Kraftverstärkung, und eine Regelvorrichtung vorgesehen sein, mit der das Größenverhältnis der parallel und der in Reihe geschalteten Krafteinwirkung einstellbar ist.
Darüber hinaus weist die Regeleinrichtung zur Einstellung der Größenverhältnisse bzw. der Variation der Energien der parallel und der in Reihe geschalteten Krafteinwirkung vorteilhafterweise über den Arbeitsweg der Presse verstellbare Kontakte auf.
Zudem kann die zusätzliche Kraftquelle bei in Reihe mit der pneumatischen Kraft-verstärkung geschalteter Anordnung an mehrere, unabhängig voneinander steuerbare Zusatz-Hydraulikzylinder angeschlossen sein.
Die Erfindung wird nachstehend in mehreren Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Längsschnittdarstellung des mit der Erfindung zu verbessernden Standes der Technik,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, teilweise im Längsschnitt,
Fig. J5 eine Fig. 2 ähnelnde schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung,
709850/0525
Figo 4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung analog den Pig. 2 und 3,
Fig. 5 eine ähnliche schematische Darstellung mit einer erfindungsgemäßen Steuerung der Variation der verschiedenen möglichen Energieaufteilungen,
Figo β eine vergrößerte Aufsichtdarstellung auf die Steuerkontakte nach Fig. 5 und
Fig. 7 bis 13 mehrere Variationen der Steuerung im Kraft (F, F1, F2) - Weg (S, S1, S2, S-J -Diagramm,
Gemäß Fig. 1 geht die Vorrichtung davon aus, daß der Druck P1 einer antreibenden Druckluftquelle 10 mit Ventilen 10' über einen oder mehrere in Serie geschaltete pneumatische Kolben 1 einen Tauchkolben 2 (mit einer wirksamen Kraft F.) beaufschlagt, welcher in einem (öl-)hydraulischen Wandlerteil 3 einen Druck P2 bewirkt. Der Druck p2 der Hydraulikflüssigkeit 9 (z.B. öl) wirkt unmittelbar auf einen Hydraulikkolben 4 des Wandlerteils 3, der mit einem Preßstempel J mit einer Druckkraft F^ verbunden ist. Auf der Gegenseite des Hydraulikkolbens 4 ist eine ölkammer 5 vorgesehen, welche zwecks Steuerung der Bewegung (S2) des Preßstempels 7 über eine Verbindung auf ein Steuerorgan 6 geschaltet ist.
In der erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß Figo 2 ist eine Hydropumpe 8 als zusätzlich hydraulische Kraftquelle vorgesehen, welche den Arbeits-Hydraulikkolben 4 über die mittels eines Ventils 12 gesteuerte Verbindung 13 während seines Anstellweges, d.h. dem unbelasteten Teil des Arbeitsweges, des Preßstempels 7 bewegt. Anschließend erfolgt dann die eigentliche Pressenbewegung über die pneumatischen Kolben 1 durch die Druckruf tquelle 10. In dieser Ausführungsform reduziert sich das
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erforderliche Druckluft-Hubvolumen im Verhältnis des reinen Pressen-Kraftweges zum Gesamtweg des Preßstempels 7 (= Anstelweg + Kraftweg).
Zur Steuerung der durch die Hydropumpe 8 ausgeübten Bewegungskräfte dient ferner eine Rückleitung 14 mit Ventil 15 und Druckbegrenzungsorgan 16, sowie die Verbindung von der Ölkammer 5 zum Steuerorgan 6 (als Ventil) mit seinen Verbindungen 17 und 18 zur Hydropumpe 8 bzw«, zur Rückleitung 14. Abgesehen von einer Ölversorgung 19 mit Rückschlagventil 20 ist eine Druckbegrenzungsventil 21 vorgesehen. Die Ventile 10' der Druckluftkraftquelle 10 sowie die Ventile 12, β und 15 können über eine nicht dargestellte zentrale Regelanlage gesteuert werden.
In der anderen Ausführungsform gemäß Fig. J5 wird die aufgebrachte Kraft (statt wie in Pig. 2 der Kraftweg) unterteilt. Der von der Hydropumpe 8 über ein Steuerventil 23 und durch eine Kraft-
Jäesenarcete tJldrucic wirkt
leitung 24VaUf einen an dem pneumatischen Kolben 1 dem Preßstempel 7 gegenüber vorgesehenen Zusatztauchkolben 22, xvelcher in einer Ölkammer vom Hydromotor 8 beaufschlagt wird. Der pneumatische Druck und der Druck der Hydropumpe wirken also hintereinander und gleichzeitig, so daß sich ihre Wirkungen über die gemeinsame Kolbenstange bis zum Tauchkolben 2 mechanisch addieren. Dabei können die wirksamen Querschnittsflächen der beiden Tauchkolben 2 und 22 gleich groß oder verschieden sein. Der reduzierte Druckluftverbrauch errechnet sich dafür wie folgt:
ρ e
+ ρ
Λ t ^A
'"- 2 2
F =
A
= S2
9850/052S
AO
Darin bedeuten: F = Preßstempelkraft
ρ = Druck der Hydraulikflüssigkeit 9 P^ = pneumatischer Druck
• P2 = Druck des Hydromotors über die Kraftleitung 24
A, = Fläche der einzelnen pneumatischen Kolben 1
A'ρ = Fläche des Tauchkolbens 2
A"p = Fläche des Zusatztauchkolbens 22
A^ = Fläche des (Arbeits-)Hydrokolbens 4
s. = Weg der Kolben 1
so = Weg des Hydrokolbens 4
C.
Der Wert des reduzierten Luftverbrauchs ergibt sich aus der eckigen Klammer.
Die Ausführungsform nach Fig, 3 erlaubt ein frei wählbares Größenverhältnis der aufgebrachten pneumatischen und hydraulischen Energie, und zwar durch entsprechende Einstellung beider Druckquellen.
Zudem wird die Elastizität der aufgebrachten Preßkraft F durch das Mischverhältnis beider Antriebsarten variiert. Es ist damit erfindungsgemäß möglich, das elastische Verhalten der Presse an die spezifischen Verformungseigenschaften des Werkstoffs und die Verformungsarten beim Arbeitsprozeß (Verformung, Schnitt, Prägung etc) anzupassen.
Die kombinierte Ausführungsform nach Fig. 4 ermöglicht sowohl eine Unterteilung des Kraftweges (s = s. + Sp) als auch der Kraft (F = F1 + Fp)β Der Anstellweg S1 wird über die Verbindung 13 und das Ventil 12 durch die Hydropumpe 8 gefahren. Der eigentliche Pressen-Kraftweg Sp wird über das Steuerventil 27)
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A*
und die Kraftleitung 24 mittels des Zusatztauchkolbens 22 unterstützt, wobei sich die Kräfte addieren. Diese Ausführungsform erlaubt die größte Ersparnis an Druckluftvolumen„
Bei der Vorrichtung zur Variation der Energieaufteilung gemäß Fig. 5 ist auszugehen von
E = E.J + Ep E= Gesamtenergie
E. = pneumatische Energie Ep = hydraulische Energie
wobei sich bei konstant bleibendem Hubweg s ergibt
P = F1 + F2 F= Gesamtkraft
F1 = pneumatisch erzeugte 1 Kraft
Pp = hydraulisch erzeugte ^ Kraft
Bei der kraftadditiven Anordnung der Antriebszylinder nach Fig. 3 und Pig. 5* aber auch analog bei der kraft- und wegadditiven Anordnung nach Figo 4, wobei ein detaillierteres Ausführungsbeispiel in Fig. 5 näher beschrieben wird, kann erfindungsgemäß erreicht werden, daß sowohl der Beginn, als auch das Ende der Wirkung der pneumatisch oder hydraulisch erzeugten KraftkomponentenFF.. und Fp beliebig, in Abhängigkeit vom Hubweg des Pressenstößels 37, eingestellt werden kann. Die auf diese Weise erzielten Kraft-Weg-Dlagramme, die von der Arbeitstechnologie her gefordert werden, sind in den Fig. 7 bis 13 dargestellt, wobei neben jedem Diagramm die entsprechenden Schaltstellen der Steuerorgane in vereinfachter Weise gezeichnet sind.
Beim pneumatisch-hydraulischen Antriebssatz nach Figo 5 sind beispielsweise 3 Pneumatikzylinder 1 und zwei Zusatz-Hydraulikzylinder 23' und 24' achsgleich angeordnet, wodurch sich die entwickelten mechanischen Kolbenkräfte der Pneumatik und der
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ft
Hydraulik addieren und als Summenkraft den Stößel 25 bewegen, der im Ausführungsbeispiel als Tauchkolben ausgebildet ist, dem ein hydraulischer Druckübersetzer 2β nachgeschaltet ist.
Die Zuführung der pneumatischen Energie E. und der hydraulischen Energie Ep erfolgt getrennt für jeden Zylinder, wobei jede Zuleitung über ein elektrisch gesteuertes 3/2 Wegeventil 27, 28, 29 bzw. 30, 31 erfolgt. Durch diese Anordnung werden folgende Effekte erzielt:
Die durch den pneumatischen Vordruck ρ. und den hydraulischen Vordruck Pp erzielte maximale Stößelkraft F=P. + Fp kann durch Sperren der Energiezuleitung einzelner Zylinder stufenweise reduziert werden.
2. Durch gänzliches Sperren der hydraulischen Energiezuleitung (Ventile 30, 31) arbeitet der Pressenantrieb rein pneumatisch oder umgekehrt, durch gänzliches Sperren der pneumatischen Energiezuleitung (Ventile 27, 28, 29) arbeitet der Pressenantrieb rein hydraulisch (siehe Diagramme nach Fig. 7 und 8),
3. Durch Steuerung der genannten Ventile in Abhängigkeit vom Hubweg kann sowohl der Beginn, als auch das Ende der pneumatischen und/oder der hydraulischen Kraftentfaltung zweckentsprechend eingestellt werden (siehe Diagramme nach Fig. 9 bis 13).
Neben der stufenweisen Regelung der Stößelkraft F nach vorstehender Ziffer 1 kann diese auch stufenlos durch Regulierung der Druckbegrenzungsventile 32, 33 und J>K auf Vierte, die kleiner als der Maximalwert von p, und p2 sind, geregelt werden, so daß bei Benützung beider Möglichkeiten jeder beliebige Wert F < P max. erzielt werden kanno
Die wegabhängige beispielsweise elektrische Betätigung der
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3/2 Wegeventile 27 bis 31 nach vorstehendem Punkt 3 erfolgt nach Pig· 5 und 6 z.B«, durch parallel zum Hubweg verstellbare, berührungslos arbeitende Initiatoren 35 (bzw. Auslöser), an deren Stelle aber auch z.B. mechanisch wirkende Endschalter benutzt werden können. Die Kommandostifte 36 sind z.B. an der mit dem Pressenstößel 37 fest verbundenen Bärplatte 38 befestigt, während die Initiatorenstifte 35 auf Halterungen 39, die am Pressenkörper 40 befestigt sind, parallel zum Hubweg verstell- und fixierbar angeordnet sind. Von den in Fig. 6 dargestellten vier Initiatoren dienen 41 und 42 als elektrischer Kommandogeber für den Beginn und das Ende der pneumatischen, bzw. 43 und 44 für den Beginn und das Ende der hydraulischen Energieaufbringung. Pig. 6 entspricht z.B. dem Kraftwegdiagramm nach Pig. 9.
Die pneumatische Energie wird von einem Kompressor geliefert, wobei der Betriebsdruck zumeist 6 bar beträgt. Die hydraulische Energie stammt von einer hydraulischen Pumpe 45. Das erzeugte Drucköl wird über ein 4/2 Wegeventil 46 den Hydraulikzylindern 23' und 24' zugeführt. Ein Druckbegrenzungsventil 47 sorgt für die Ableitung überschüssigen Drucköls. Zur Rückhubbewegung wird das Ventil 46 umgesteuert, so daß das von der Pumpe 45 erzeugte Drucköl über die Ölleitung 48 die untere Fläche 49 des Arbeitskolbens 50 beaufschlagt. Gleichzeitig werden die 3/2 Wegeventile 27, 28 und 29 der Pneumatik auf Auspuff- und die 3/2 Wegeventile 30 und 31 der Hydraulik auf Rücklauf geschaltet (Rohrleitung 51)< Die Ziffern I, II und III in den Fig. 7 bis I3 bezeichnen verschiedene Umschaltpositionen.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    M .!Verfahren zum hydropneumatischen Erzeugen einer Druck- bzvj. Preßkraft, bei dem die Druckkraft durch eine hydraulische Verstärkung einer pneumatischen Kraftquelle erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur pneumatischen Kraftquelle eine hydraulische Kraftquelle, beispielsweise von einer Hydropumpe, auf die hydraulische Verstärkung einwirkt und das Größenverhältnis der aufgewandten pneumatischen und/oder hydraulischen Energie der Kraftquellen frei wählbar nach dem jeweiligen Druck- bzw. Preßkraftbedarf geregelt wird»
    2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem, mehrere Kolben verschiedenen Durchmessers aufweisenden Druckverstärker, welcher eingangsseitig eine von einer pneumatischen Kraftquelle gespeiste pneumatische Zylindereinrichtung aufweist, die unmittelbar an eine hydraulische Zylindereinrichtung zur Umsetzung der Druckluftenergie in Öldruck angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche hydraulische Kraftquelle, z.B. eine Hydropumpe (8; 45), sowie eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der das Größenverhältnis der aufgewandten pneumatischen und/oder hydraulischen Energie der Kraftquellen frei wählbar nach dem jeweiligen Druck- bzw. Preßkraftbedarf regelbar ist.
    j5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Kraftquelle (8; 45) parallel zur pneumatischen Kraftverstärkung auf die Eingangsseite der hydraulischen Kraftverstärkung geschaltet ist.
    4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche hydraulische Kraftquelle (8j 45) in Reihe mit der pneumatischen Kraftverstärkung, d.h. diese unmittelbar verstärkend, geschaltet ist.
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    INSPECTED
    5ο Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche hydraulische Kraftquelle (8; 45) sowohl parallel zur pneumatischen Kraftverstärkung auf die Eingangsseite der hydraulischen Kraftverstärkung geschaltet ist, als auch in Reihe mit der hydraulischen Kraftverstärkung, und daß eine Regelvorrichtung vorgesehen ist, mit der das Größen-Verhältnis der parallel und der in Reihe geschalteten Krafteinwirkung einstellbar ist»
    6. Vorrichturig nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5.» dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung zur Einstellung der Größenverhältnisse bzw. der Variation der Energien der parallel und der in Reihe geschalteten Krafteinwirkung über den Arbeitsweg der Presse verstellbare Kontakte (Initiatoren 35; 41 bis 46, Kommandostifte yS) aufweist.
    7. Vorrichtung nach einem, der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Kraftquelle (45) bei in Reihe mit der pneumatischen Kraftverstärkung geschalteter Anordnung an mehrere, unabhängig voneinander steuerbare Zusatz-Hydraulikzylinder (2^f, 24') angeschlossen ist.
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