Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer berührungslosen Meßeinrichtung für Fahrzeuge,
insbesondere für Schienenfahrzeuge, mit Lichtsignale und/oder elektromagnetische
Strahlung empfangende, sendende, reflektierende oder durchlassende Flächen
aufweisenden Elementen, nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
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Zur Erhöhung der Betriebssicherheit von mit Scheibenbremsen ausgerüsteten Fahrzeugen
wird gemäß der WO 92/14075 vorgeschlagen, eine Anzeige für den Belagverschleiß bzw.
-zustand vorzusehen. Dies wird mit Hilfe von Temperatur-Sensorelementen bewerkstelligt,
welche durch Anzeige der Bremsentemperatur einen Hinweis für den Belagverschleiß
vermitteln. Der Sensor ist am Außenumfang der Bremsscheibe unter Abstand zu dieser in
einer Bohrung des Bremssattels geführt. Der Sensor mißt die Strahlungswärme, welche im
unmittelbaren Umfangsbereich der Bremsscheibe abgenommen werden kann, wodurch eine
berührungslose Meßeinrichtung realisiert ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine berührungslose
Meßeinrichtung der eingangs erwähnten Art zur Verfügung zu stellen, welche eine hohe
Betriebssicherheit aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteile der Erfindung
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Unter dem sog. Lotus-Effekt werden die Eigenschaften der Blätter der Lotusblume
verstanden, die eine hydrophobe und mikrostrukturierte Oberfläche aufweisen, an welcher
Wasser oder generell Flüssigkeiten abperlen. Die mikrorauhe Oberfläche dieser Blätter
besitzt nur wenige µm voneinander entfernte, spitze Erhebungen. Feuchtigkeitstropfen
kommen lediglich mit diesen spitzen Erhebungen in Berührung, weil das Wasser aufgrund
seiner Oberflächenspannung nicht in die Vertiefungen dazwischen eindringen kann, in
welchen zudem Luft eingeschlossen ist. Damit stehen dem Wasser nur die Spitzen der
Erhebungen als Berührungsfläche zur Verfügung. Diese Kontaktfläche ist aber zu klein, als
daß sich eine zum Festhalten von Feuchtigkeitstropfen ausreichend große Adhäsion
ausbilden könnte. Folglich benetzt das Wasser die Oberfläche nicht mehr, sondern es bildet
abperlende Tröpfchen. Schmutzpartikel, welche ebenfalls nur auf den Spitzen der
Erhebungen aufliegen können, werden von den abperlenden Flüssigkeitstropfen
fortgeschwemmt. Hierdurch wird eine selbstreinigende Oberfläche realisiert.
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Werden Lichtsignale und/oder elektromagnetische Strahlung empfangende, sendende,
reflektierende oder durchlassende Flächen von in Fahrzeugen verwendeten
Meßeinrichtungen mit einer solchen selbstreinigenden Beschichtung versehen, so sorgt dies
in vorteilhafter Weise für eine dauerhaft große Meßgenauigkeit und Betriebssicherheit, weil
die für die Messung relevanten Flächen weniger verschmutzen. Dies gilt insbesondere,
wenn die Fläche der Meßeinrichtung in einem Spritzwasserbereich oder in einem Bereich
mit einer generell hohen Verschmutzungsneigung angeordnet ist. Feste Partikel lagern sich
an den Feuchtigkeitstropfen an und fallen zusammen mit diesen von der hydrophoben
Beschichtung ab, was durch die bei einem Fahrzeug im Betrieb unvermeidlichen
Schwingungen unterstützt wird.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich.
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Die Beschichtung besteht vorzugsweise aus einem Werkstoff, welcher keramik- und/oder
diamantbasiert ist, insbesondere aus einer Glaskeramik, wie beispielsweise aus einer Li-Al-
Silikatglaskeramik oder aus einer Mg-Al-Silikatglaskeramik. Der Keramikanteil der
Glaskeramik beinhaltet bevorzugt SiO2 und Al2O3 und der Glasanteil wahlweise eine oder
mehrere der folgenden Komponenten: MgO, K2O, ZnO, Na2O, Fe2O3, Li2O, BaO, P2O5,
TiO2. Derartige Werkstoffe sind relativ hart, so daß die mit der hydrophoben Beschichtung
versehene Fläche auch gegenüber mechanischer Beschädigung weitgehend geschützt ist.
Die Oberfläche der Glaskeramik ist bevorzugt durch Ätzung mikrostrukturiert.
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Eine Weiterbildung sieht vor, daß die Flächennormale der beschichteten Fläche in einer im
wesentlichen horizontalen Ebene liegt oder eine Komponente aufweist, welche in Richtung
der Erdbeschleunigung weist. Dann kann das Abperlen von Flüssigkeitstropfen durch die
Eigengewichtskräfte unterstützt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die mit der Beschichtung versehene
Fläche durch einen Absorber und/oder ein diesem vorgeordnetes, infrarotdurchlässiges
Fenster eines Strahlungsthermometers gebildet, welches am Außenumfang einer
Bremsscheibe eines Schienenfahrzeugs unter radialem Abstand zu dieser angeordnet ist.
Das Strahlungsthermometer dient zur berührungslosen Messung der
Bremsscheibentemperatur mittels der von dieser im Betrieb abgestrahlten Wärme. Solche
Strahlungsthermometer oder pyroelektrischen Temperatursensoren werden auch als Brand-
und Näherungsmelder eingesetzt. Durch die benachbarte Lage zur frei liegenden
Bremsscheibe ist der Absorber und/oder das diesem vorgeordnete Fenster in besonderem
Maße Schmutzpartikeln und Feuchtigkeit ausgesetzt, welche die Infrarot-Durchlässigkeit
des Fensters bzw. die Absorptionsfähigkeit des Absorbers herabsetzen, was auf Dauer zu
einer Reduzierung der Meßgenauigkeit und der Betriebssicherheit des
Strahlungsthermometers führen würde. Infolgedessen bietet eine selbstreinigende
Beschichtung der genannten Flächen wesentliche Vorteile.
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Gemäß einer Weiterbildung ist das Strahlungsthermometer gegenüber einer Umfangsfläche
der Bremsscheibe in eine Aufnahmebohrung eines Gehäuses einer
Bremszuspanneinrichtung einschiebbar oder einschraubbar eingefügt. Dadurch ist es leicht
und schnell auswechselbar.
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Die Erfindung ist nicht auf eine Beschichtung von Flächen eines Strahlungsthermometers
eines Fahrzeugs beschränkt. Vielmehr fällt unter die im Hauptanspruch genannte
Meßeinrichtung jegliche zum Einsatz in einem Fahrzeug heute oder in Zukunft denkbare
und nach berührungslosem Prinzip arbeitende Meßeinrichtung, bei welcher Lichtsignale
und/oder elektromagnetische Strahlung empfangende, sendende, reflektierende oder
durchlassende Flächen vorhanden sind. Lediglich beispielhaft ist die folgende, nicht
abschließende Aufzählung genannt: Berührungslose Weg- und Winkelmeßsysteme,
beispielsweise inkrementale Weg- und Winkelmeßsysteme, Lichtschranken,
Geschwindigkeitssensoren, welche insbesondere nach dem Gitter-Durchlichtverfahren
arbeiten, Fotodioden, Fototransistoren, Leuchtdioden etc.
Zeichnungen
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Figuren zeigt:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer elektromechanischen
Bremszuspanneinrichtung eines Schienenfahrzeugs mit einem
Strahlungsthermometer;
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Fig. 2 das Strahlungsthermometer von Fig. 1 in vergrößerter Darstellung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Im folgenden soll die Erfindung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bei einer
elektromechanischen Bremszuspanneinrichtung 1 eines Schienenfahrzeugs verwirklicht
sein, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. Die Bremszuspanneinrichtung 1 beinhaltet einen
Bremsaktuator 2 mit einer Betriebsbremseinheit und einer Speicherbremseinheit. Die
Betriebsbremseinheit hat einen elektrischen Antrieb, beispielsweise einen elektrischen
Stellmotor 4, der in einem Aktuatorgehäuse 6 des Bremsaktuators 2 untergebracht ist. Ein
mechanischer Kraftumsetzer 8 dient zur Umsetzung der vom Bremsaktuator 2 abgegebenen
Energie in eine Bremszuspannbewegung.
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Der Stellmotor 4 versetzt eine koaxiale Bremsspindel 10 in Drehung, welche durch den
Kraftumsetzer 8 in eine Bremszuspannbewegung von Bremsbelägen 12 in Richtung auf
eine Wellenbremsscheibe 14 gewandelt werden. Der Kraftumsetzer 8 umfaßt unter
anderem eine Mutter-/Spindel-Baueinheit 16 mit einer auf der Bremsspindel 10 drehbar
gelagerten Spindelmutter 18, welche bei Drehung der Bremsspindel 10 Linearbewegungen
in Richtung der Spindelachse 42 ausführen kann. Das vom Stellmotor 4 abgewandte Ende
der Bremsspindel 10 ragt in einen zylindrischen Hohlabschnitt eines Pleuels 20 hinein, der
mit der Spindelmutter 18 dreh und axialfest verbunden ist. Außerdem ist der zylindrische
Hohlabschnitt des Pleuels 20 in einer Schiebehülse 22 dreh- und axialfest gehalten, auf
welche wenigstens eine sich am Aktuatorgehäuse 6 abstützende Speicherfeder 24 wirkt.
Die Speicherfeder 24 ist Teil der Speicherbremseinheit und dient als Energiespeicher zum
Speichern und Abgeben von Energie zum Zuspannen der Bremse als betriebliche
Notbremse im Sinne einer unterlegten Sicherheitsebene bei Ausfall der
Betriebsbremseinheit und/oder als Park- oder Feststellbremse. Sowohl die Betriebs- als
auch die Speicherbremseinheit wirken auf den Pleuel 20. In Bremslösestellung ist die
Speicherfeder 24 durch eine Verriegelungseinrichtung 26 in der vorgespannten Stellung
gehalten.
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Ein Pleuelkopf 28 des Pleuels 20 ragt aus der Schiebehülse 22 heraus und ist an einem
Bremshebel 36 mittels eines Gelenks 40 senkrecht zur Spindelachse 42 angelenkt. Bei
Antrieb der Bremsspindel 10 in Bremszuspannrichtung bzw. bei Lösen der
Verriegelungseinrichtung 26 der Speicherfeder 24 wird aufgrund des dann axial
ausfahrenden Pleuels 20 ein Gelenkbolzen des Gelenks 40 unter anderem durch im
wesentlichen senkrecht zur Bolzenachse angreifende Scherkräfte beansprucht.
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Das andere Ende des Bremshebels 36 wirkt auf eine Exzenteranordnung mit einer
Exzenterwelle 46, die an einen Zangenhebel 48 angelenkt ist, der zusammen mit einem
weiteren Zangenhebel 50 eine Bremszange 52 bildet. An den einen Enden der Zangenhebel
48, 50 sind jeweils Belaghalter 54 mit Bremsbelägen 12 angeordnet, die in Richtung der
Achse der Wellenbremsscheibe 14 verschieblich sind. Die von den Bremsbelägen 12
abgewandt liegenden Enden der Zangenhebel 48, 50 sind miteinander über einen
Druckstangensteller 56 verbunden. Die beschriebene Anordnung bildet ebenfalls einen Teil
des Kraftumsetzers 8, der die vom Stellmotor 4 oder von der Speicherfeder 24 veranlaßten
Ausfahrbewegungen des Pleuels 20 in eine Bremszuspannbewegung der Bremsbeläge 12 in
Richtung auf die Bremsscheibe 14 wandelt.
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Der Gelenkbolzen des Gelenks 40 wird vorzugsweise durch einen Scherkraftmeßbolzen 58
gebildet. Der Scherkraftmeßbolzen 58 ist mit wenigstens einem aus Maßstabsgründen nicht
dargestellten Meßaufnehmer zur Messung von Größen versehen, aus welchen die an den
Bremsbelägen 12 wirkende Bremskraft oder Ist-Zuspannkraft mittelbar oder unmittelbar
ableitbar ist. In einer Auswerteelektronik findet eine Umrechnung der
Scherverformungssignale in Signale für die jeweils an den Bremsbelägen 12 wirkende Ist-
Zuspannkraft statt, welche über eine Signalleitung 59 an eine Steuer- und Regeleinrichtung
60 weitergeleitet werden, um anhand eines Soll-Ist-Vergleichs eine Regeldifferenz
zwischen einer Soll-Zuspannkraft und der Ist-Zuspannkraft zu berechnen. Die Bremskraft-
Sollwertvorgabe orientiert sich beispielsweise am Erreichen einer geforderten Soll-
Zuspannkraft in möglichst kurzer Zeit.
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Die Steuer- und Regeleinrichtung 60 steuert ein Leistungsteil 62 an, welches in
Abhängigkeit der berechneten Regeldifferenz einen Betriebsstrom für den Stellmotor 4
aussteuert, der durch einen an eine zwischen dem Leistungsteil 62 und dem Stellmotor 4
verlaufende elektrische Leitung 64 angeschlossenen Stromsensor 66 gemessen wird, wobei
eine Rückmeldung an die Steuer- und Regeleinrichtung 60 durch ein entsprechendes, über
eine Signalleitung 68 rückgeführtes Motorstromsignal erfolgt. Außer zur Einregelung einer
Soll-Zuspannkraft dienen die in die Steuer- und Regeleinrichtung 60 eingesteuerten Signale
für die Ist-Zuspannkräfte und für den jeweiligen Motorstrom zur Überwachung der
Krafteinsteuerung und Funktionsfähigkeit der Bremszuspanneinrichtung 1 bei
sicherheitsrelevanten Bremsungen. Zur Verifizierung der Meßergebnisse kann auch der
antriebsseitig durch den Stromsensor 66 gemessene Motorstrom in der Steuer- und
Regeleinrichtung 60 mit dem Signal für die Ist-Zuspannkraft abgeglichen werden.
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Ein beispielsweise in einer Mittelebene der Bremsscheibe 14 in eine Aufnahmebohrung des
Aktuatorgehäuses 6 einschiebbar oder einschraubbar eingefügtes Pyrometer oder
Strahlungsthermometer 70 dient zur Temperaturüberwachung der Bremsscheibe 14
während des Betriebs. Alternativ könnte das Strahlungsthermometer 70 auch außermittig in
Bezug zur Bremsscheibe 14 angeordnet sein. Das Strahlungsthermometer 70 mißt die von
der Bremsscheibe 14 ausgehende Wärmestrahlung und liefert über eine Signalleitung 72
entsprechende Signale an die Steuer- und Regeleinrichtung 60, welche der sensierten
Wärmestrahlung einen entsprechenden Temperaturwert der Bremsscheibe 14 zuordnet.
Neben dem Strahlungsthermometer 70 können weitere Temperatursensoren zur
Temperaturüberwachung von einzelnen oder mehreren Komponenten der
Bremszuspanneinrichtung 1 vorgesehen sein, beispielsweise ein Temperatursensor zur
Messung der Temperatur des Leistungsteils 62. Darüber hinaus kann auch ein weiterer
Temperatursensor zur Messung der Umgebungstemperatur Werte an die Steuer- und
Regeleinrichtung 60 liefern.
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Die Bremszuspanneinrichtung 1 ist vorzugsweise zur Erzeugung von lastkorrigierten
und/oder schlupfgeregelten Bremskräften ausgebildet, wobei unter einer lastkorrigierten
Bremskraft eine im wesentlichen an das jeweils vorliegende Gewicht des
Schienenfahrzeugs angepaßte Bremskraft und unter einer schlupfgeregelten Bremskraft
eine Bremskraft verstanden wird, durch welche die Bremsung mit idealem Radschlupf
erfolgt (Gleitschutzregelung). Hierzu weist Steuer- und Regeleinrichtung 60 entsprechende
Regelfunktionen auf.
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Beispielsweise kann für den Fall, daß der vom Strahlungsthermometer 70 gemessene und
an die Steuer- und Regeleinrichtung 60 geleitete Temperaturwert der Bremsscheibe 14 eine
obere Grenztemperatur erreicht oder überschritten hat, die Zuspannkraft von der Steuer-
und Regeleinrichtung 60 reduziert oder die Gleitschutzfunktion lediglich in
eingeschränktem Umfang ausgeübt oder vollständig außer Kraft gesetzt werden. Die
Zuspannkraft bzw. die Gleitschutzfunktion kommen erst dann wieder in unbeschränktem
Umfang zum Einsatz, wenn der gemessene Temperaturwert die obere Grenztemperatur
wieder unterschritten hat.
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Fig. 2 zeigt das Strahlungsthermometer 70 in vergrößerter Darstellung, welches mit seinem
eine Optik 73 aufweisenden Kopf 74 in einer Durchgangsbohrung 76 einer im
Außendurchmesser gestuften Buchse 78 beispielsweise durch Verschraubung gehalten ist.
Die Buchse 78 ist wiederum in der Aufnahmebohrung 80 des Aktuatorgehäuses 6 der
Bremszuspanneinrichtung 1 gehalten, wobei ein Bund 82 der Buchse 78 von innen gegen
den Rand der Aufnahmebohrung 80 anschlägt.
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Dem die Optik 73 tragenden Kopf 74 des Strahlungsthermometers 70 und einer als
Bohrungsstufe ausgeführten Ringschulter 84 der Buchse 78 ist eine zumindest
infrarotdurchlässige Deckscheibe 86 zwischengeordnet, welche mit ihrer einen Seite durch die
Durchgangsbohrung 76 hindurch zum Außenumfang der Bremsscheibe 14 weist. Die
Deckscheibe 86 dient zum Schutz der Optik 73 vor Beschädigung und Verschmutzung.
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Die vom Betrieb der Bremse herrührende und insbesondere von der Bremsscheibe 14
abgestrahlte Wärmestrahlung durchdringt die Deckscheibe 86 und erreicht die Optik 73,
welche sie auf einen dahinter angeordneten Strahlungsempfänger 88 abbildet. Hierzu
beinhaltet die Optik 73 insbesondere eine Linse 90. Die prinzipielle Funktionsweise eines
solchen Strahlungsthermometers 70 ist bekannt, beispielsweise aus dem Fachbuch "Jörg
Hoffmann, Taschenbuch der Meßtechnik, Carl Hanser Verlag München Wien 1998", auf
welches hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Aus diesem Grund soll hier nicht weiter
darauf eingegangen werden.
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Die zur Bremsscheibe 14 weisende Seite der Deckscheibe 86 ist vollständig mit einer
selbstreinigenden Beschichtung 92 versehen, die eine derart hydrophobe und mikrorauhe
Oberflächenstruktur aufweist, daß Flüssigkeiten und insbesondere Spritzwasser gemäß dem
bekannten Lotus-Effekt an ihr abperlt. Das Abperlen wird durch die Eigengewichtskräfte
der Flüssigkeitstropfen unterstützt, da in Einbaulage des Strahlungsthermometers 70 die
Deckscheibe 86 eine bevorzugt im wesentlichen vertikale Lage einnimmt. Zur
Unterstützung des Abtropfens von Flüssigkeit von der Oberfläche der Beschichtung ist
allgemein anzustreben, daß die Flächennormale der beschichteten Fläche in einer im
wesentlichen horizontalen Ebene liegt oder eine Komponente aufweisen, welche in
Richtung der Erdbeschleunigung weist.
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Die Beschichtung 92 der Deckscheibe 86 beinhaltet einen Werkstoff, welcher keramik-
und/oder diamantbasiert ist. Bevorzugt besteht die Beschichtung 92 aus einer Glaskeramik,
insbesondere aus einer Li-Al-Silikatglaskeramik oder aus einer Mg-Al-Silikatglaskeramik,
wobei der Keramikanteil der Glaskeramik SiO2 und Al2O3 und der Glasanteil wahlweise
eine oder mehrere der folgenden Komponenten beinhaltet: MgO, K2O, ZnO, Na2O, Fe2O3,
Li2O, BaO, P2O5, TiO2. Solche Glaskeramiken sind auch unter den Handelsnamen Ceran®,
Zerodur®, Narumi® und Cercor® bekannt.
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Um eine hydrophobe und mikrostrukturierte Oberfläche der Beschichtung 92 zu erhalten,
an welcher der Lotus-Effekt auftritt, kann beispielsweise eine Ätzung der Oberfläche der
Glaskeramik erfolgen. Die mittlere Profilhöhe der Rauhigkeit der Oberfläche der
Glaskeramik liegt dann bevorzugt in einem Bereich von 0,1 bis 12 µm.
Bezugszahlenliste
1 Bremszuspanneinrichtung
2 Bremsaktuator
4 Stellmotor
6 Aktuatorgehäuse
8 Kraftumsetzer
10 Bremsspindel
12 Bremsbelag
14 Bremsscheibe
16 Mutter-/Spindel-Baueinheit
18 Spindelmutter
20 Pleuel
22 Schiebehülse
24 Speicherfeder
26 Verriegelungseinrichtung
28 Pleuelkopf
36 Bremshebel
40 Gelenk
42 Spindelachse
46 Exzenterwelle
48 Zangenhebel
50 Zangenhebel
52 Bremszange
54 Belaghalter
56 Druckstangensteller
58 Scherkraftmeßbolzen
59 Signalleitung
60 Steuer- und Regeleinrichtung
62 Leistungsteil
64 elektrische Leitung
66 Stromsensor
68 Signalleitung
70 Strahlungsthermometer
72 Signalleitung
73 Optik
74 Kopf
76 Durchgangsbohrung
78 Buchse
80 Aufnahmebohrung
82 Bund
84 Ringschulter
86 Deckscheibe
88 Strahlungsempfänger
90 Linse
92 Beschichtung