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Die
Erfindung betrifft eine aktive hydraulische Wankstabilisierung für mindestens
zweiachsige Kraftfahrzeuge mit einem U-Stabilisator zwischen den
radtragenden und/oder radführenden
Achsteilen zweier Räder
einer Achse und mit einem Stellglied, das zwischen den oben genannten
Achsteilen und dem U-Stabilisator – diesen zumindest zeit- und
bereichsweise tordierend – angeordnet
ist.
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Aus
einem Vortragsskript zu dem im Haus der Technik in Essen am 13.11.2003
von Ingenieuren der BMW-Group gehaltenen Vortrag „Dynamic
Drive – Das
Wankstabilisierungssystem des 7'er
und des neuen 5'er" ist ein in einem
U-Stabilisator integrierter Hydraulikschwenkmotor bekannt. Der Schwenkmotor
ist horizontal liegend im geraden Mittelabschnitt des U-Stabilisators
eingebaut. Um die Bodenfreiheit des entsprechenden Fahrzeugs nicht
verringern zu müssen,
muss der U-Stabilisator zusätzlich
mehrfach gekröpft
ausgeführt
werden. Zudem liegen die versorgenden Hydraulikschläuche in
unmittelbarer Fahrbahnnähe.
Durch die horizontale Einbaulage und den Aufbau neigt der Schwenkmotor
zu Beschädigungen durch
Kavitation.
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Durch
diese sich u.a. durch abrupte Ein- oder Ausfederungsvorgänge sich
ergebende Kavitation, also die ungewollte Bildung von Unterdruckhohlräumen in
der strömenden
Hydraulikflüssigkeit,
ergeben sich neben dem unmittelbaren Verschleiß weitere Nachteile. So saugen
derartige Stellglieder über
die Dichtungsstellen Umgebungsluft an. Auch fällt ein Teil der in der Flüssigkeit
in gelöster
Form vorhandenen Luft unter Luftblasenbildung aus. Dieser ungelöste Luftanteil
führt neben
einer Systemerwärmung und
einer Störgeräuschentwicklung
u.a. zu einem Anstieg der erforderlichen Kompressibilität. Letzteres führt beim
Stellglied zu einem verzögerten
Ansprechen und zu ruckartigen Bewegungen.
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Um
dieses Problem zu minimieren wird in der Regel das Stellglied und
die Zuleitungen bei jeder Inbetriebnahme entlüftet.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Problemstellung zugrunde, eine
aktive hydraulische Wankstabilisierung zu entwickeln, deren Stellglied bei
kleinem Bauraum dauerhaft und zuverlässig funktioniert.
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Diese
Problemstellung wird mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Dazu
wird als Stellglied eine Zylinderkolbeneinheit mit zwei durch einen Kolben
getrennten Zylinderräumen
eingesetzt, wobei die Zylinderkolbeneinheit einen die Zylinderräume verbindenden Überströmquerschnitt
aufweist.
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Durch
den Überströmquerschnitt
ergibt sich eine gezielte permanente Überströmleckage zwischen den Zylinderräumen, wodurch
eine permanente Umwälzung
des Hydrauliköls
erreicht wird. Das mit Druck beaufschlagte Öl mischt sich mit der Luft
und transportiert diese durch die Zylinderräume und die zum Öltank führende Leitung
in den Tank. Die Überströmleckage
liegt beispielsweise in einem Bereich von 0,3 ... 0,5 Liter/Minute.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung schematisch dargestellter Ausführungsformen:
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1:
McPerson-Federbeine mit U-Stabilisator und Stellglied;
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2:
Stellglied im Schnitt;
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3:
Kolben zu 2 vor der Endlage;
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4:
Kolben zu 2 in der Endlage;
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5:
Querschnitt zu 3;
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6:
Kolben mit Führungsband;
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7:
Querschnitt zu 4 mit Drainagekerben;
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8:
Querschnitt zu 4 mit Drainagebohrung.
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Die 1 zeigt
beispielhaft zwei Einzelradaufhängungen
(11, 12) einer Achse, die über einen U-Stabilisator (30)
und zwischengeschaltete Koppelelemente (40, 50)
miteinander gekoppelt sind. Die Einzelradaufhängungen (11, 12)
sind hier beispielsweise McPerson-Federbeine. An den Zylinderrohren (15, 16)
der Feder-Dämpfereinheiten
(13, 14) dieser Federbeine sind jeweils unten
die Radträger
(27, 28) und oben Lagerkonsolen (17, 18)
angeordnet. Die Lagerkonsolen (17, 18) befinden
sich im oberen Drittel der Zylinderrohre (15, 16).
Diese (17, 18) haben Befestigungsflächen (21, 22),
die zur vertikalen Fahrzeugmittenlängsebene (5) hin orientiert
sind.
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Der
U-Stabilisator (30), der hier z.B. unterhalb einer Horizontalebene
liegt, in der die Radmittelpunkte liegen, hat zwei hebelarmartige
Schenkel (33, 34), die zumindest abschnittsweise
in Fahrzeuglängsrichtung
orientiert sind. Die freien Enden der Schenkel (33, 34)
tragen Laschen (35, 36) mit Querbohrungen. Die
anderen Enden der Schenkel (33, 34) münden in
einen z.B. horizontal ausgerichteten Drehstababschnitt (31).
In diesem Abschnitt ist der U-Stabilisator (30) am Fahrzeugaufbau
mittels der Lagerböcke
(37, 38,) schwenkbar gelagert. In Fahrzeugquerrichtung
gesehen, befinden sich die Lagerböcke (37, 38)
in der Nähe
der Übergangsstellen,
in denen der Drehstababschnitt (31) und die Schenkel (33, 34)
ineinander übergehen.
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Zwischen
der Lagerkonsole (17) des linken Federbeins (11)
und der Lasche (35) ist eine Koppelstange (40)
angeordnet. Die Koppelstange (40) besteht aus einem Hauptteil
(41) und einem Einstellteil (45), wobei das Einstellteil
(45) in das Hauptteil (41) eingeschraubt ist und
die dortige Verschraubung mit Hilfe einer Kontermutter (49)
gegen Lösen
gesichert ist.
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Die
Koppelstange (40) trägt
an ihren Enden Gelenkaugen (42), in die Kugelgelenkschalen
(43, 47) eingesetzt sind. In den Kugelgelenkschalen
(43, 47) sind Kugelgelenkzapfen (44, 48)
schwenkbar gelagert. Der obere, am Hauptteil (41) gelagerte Kugelgelenkzapfen
(44) ist mit der Lagerkonsole (17) verschraubt,
während
der untere an der Lasche (35) fixiert ist.
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In
der Konstruktionslage ist hier die Koppelstange (40) weitgehend
vertikal orientiert. Sie ist um ca. 10 Winkelgrade gegenüber der
Vertikalen zum Federbein (11) hin geneigt. Diese Orientierung
gilt auch für
das andere Koppelelement (50). Ihr unteres Kugelgelenk
(47, 48) liegt unterhalb einer Horizontalebene,
die durch den jeweiligen Radmittelpunkt geht.
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Zwischen
dem rechten Federbein (12) und dem Schenkel (34)
des U-Stabilisators (30) ist eine mit flüssigem Druckmittel
beaufschlagte Zylinderkolbeneinheit (50) angeordnet. Die
Kolbenstange (80) dieser Einheit (50) ist über ein
Kugelgelenk (83, 84) an der Lagerkonsole (18)
des Zylinderrohres (16) befestigt, während der Zylinder (51)
des Stellglieds (50) über
das Kugelgelenk (67, 68) am U-Stabilisator (30) gelagert
ist.
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Nach 2 ist
das Stellglied (50) im Schnitt dargestellt. Die Zylinderkolbeneinheit
umfasst einen Zylinder (51) in dem ein Kolben (90)
an einer Kolbenstange (80) geführt angeordnet ist. Der Kolben
(90) teilt den Zylinderinnenraum in die Räume (55)
und (56) auf.
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Der
Zylinder (51) besteht aus einem Rohr, das an den Rohrenden
z.B. beidseitig jeweils ein kurzes Innengewinde trägt. Zwischen
den Innengewinden befindet sich zumindest bereichsweise eine glatte
Innenwandung (52). Das Rohr (51) weist zwei Querbohrungen
(53, 54) auf, die pro Zylinderinnenraum (55, 56)
jeweils einen Zu- bzw. Ablauf darstellen. Im Bereich dieser jeweils
kurz vor dem Hubende liegenden Querbohrungen (53, 54)
befinden sich z.B. innen umlaufende Ringnuten (77, 78).
Die Ringnuten sind beispielsweise 0,2 Millimeter tief. Die Breite
der einzelnen Ringnut (77, 78) entspricht dem
Durchmesser der entsprechenden Querbohrung (53, 54). Ggf.
sind die Ringnuten (77, 78) oder die Querbohrungen
(53, 54) durch eine Längsnut verbunden, deren Tiefe
mehrere Zehntel Millimeter entspricht.
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In
das rechte Innengewinde des Rohres (51) ist ein Zylinderboden
(60) eingeschraubt. Der Zylinderboden (60) ist
gegenüber
dem Rohr (51) mit einem Dichtring abgedichtet. In der innenliegenden Stirnfläche des
Zylinderbodens (60) befindet sich eine Sacklochbohrung,
in der ein Elastomerkörper befestigt
oder Gummielement einvulkanisiert ist. Das Elastomer- bzw. Gummibauteil
hat die Funktion eines Anschlagpuffers (61).
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Der
Zylinderboden (60) hat an seinem freien, äußeren Ende
eine Gewindebohrung (63), deren Mittellinie z.B. mit der
Mittellinie (59) der Zylinder-Kolben-Einheit (50)
fluchtet. Zwischen der Gewindebohrung (63) und dem Rohr
(51) befindet sich eine Verlängerungsstange (62).
In der Gewindebohrung (63) ist ein Einstellteil (64),
an das ein Gelenkauge (66) angeformt ist, eingeschraubt
und mittels einer Mutter (65) gekontert.
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Im
Gelenkauge (66) ist eine Kugelgelenkschale (67)
z.B. eingepresst. In Letzterer ist ein Kugelgelenkzapfen (86)
mit drei Freiheitsgraden wartungsfrei dauergeschmiert gelagert. Über den
Gewindebolzen des Kugelgelenkzapfens (86) ist dieser an der
Lasche (36) des U-Stabilisators (30) verschraubt, vgl. 1.
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Am
anderen Ende des Rohres (51) ist der Zylinderkopf (70)
eingeschraubt. Auch er ist mit einer in einer Ringnut eingelegten Dichtung
gegenüber
der Innenwandung (52) des Rohres°(51) abgedichtet. Der
Zylinderkopf (70) hat eine die Kolbenstange (80) führende,
zentrale Durchgangsbohrung (71). In dieser Durchgangsbohrung
(71) sind hintereinander eine Lippendichtung (75)
und Schmutzabstreifer (76) in Ringnuten angeordnet.
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Alternativ
können
das Zylinderrohr (51), der Zylinderkopf (70) und
der Zylinderboden (60) auch durch andere Verbindungstechniken
montiert werden, z.B. durch Einpressen, Verschweißen oder
Verschrauben über
Zuganker.
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Der
Kolben (90) nach 2 ist ein
dickwandiges, beispielsweise aus einer Kupfer-Zinn-Legierung hergestelltes
Zylinderrohr. Die mit einer Senkung versehenen zentrale Durchgangsbohrung nimmt
eine Innensechskantschraube (81) auf, über die der Kolben (90)
mit der Kolbenstange (80) fest verbunden ist. Beispielsweise
entspricht die Länge des
Kolbens (90) ca, seinem Außendurchmesser, der hier z.B.
ca. 30 Millimeter beträgt.
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Auf
der Kolbenstange (80) ist eine elastische Anschlagscheibe
(103) aufgeschoben, die hier an der zylinderkopfseitigen
Stirnfläche
des Kolbens (90) anliegt. Die Anschlagscheibe (103)
dient z.B. auf den letzen Millimetern des Kolbenhubs als mechanische Endlagendämpfung.
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Der
hier gezeigte Kolben (90) dichtet gegenüber der Zylinderinnenwandung
(52) mittels einer sog. Spaltdichtung ab. Eine derartige
Dichtung besteht aus einem zwischen der Kolbenaußenwandung (91) und
der Zylinderinnenwandung (52) gelegenen Ringraum (93), über den
die beiden Zylinderräume (55, 56)
dauernd miteinander hydraulisch verbunden sind. Der minimale Quer schnitt
dieses Ringraumes (93) bildet einen sog. Überströmquerschnitt
(94), vgl. 5, durch den ein definierter
Leckagestrom von dem Zylinderraum (55, 56) hohen
Drucks zu dem Zylinderraum (56, 55) niedrigen
Drucks strömt,
vgl. 3.
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In
der Außenwandung
(91) des Kolbens (90) sind im Ausführungsbeispiel
drei Ringnuten (92) mit z.B. jeweils einem halbkreisförmigen Einzelquerschnitt
eingearbeitet. Die Ringnuten (92) reduzieren einen physikalisch
bedingten Schleppdruck, welcher in seiner Höhe abhängig vom Spaltquerschnitt,
der Viskosität
des Mediums, der Spaltlänge
und der Strömungsgeschwindigkeit
ist. Darüber
hinaus verteilt sich in diesen Ringnuten (92) das überströmende Hydrauliköl, sofern
der Kolben (90) aufgrund eines auf die Kolbenstange (80)
wirkenden Moments ein einseitiges Anliegen an der Zylinderinnenwandung
(52) zu erzwingen versucht. Auf diese Weise wird auch in einem
solchen Fall in die Kontaktzone Schmiermittel transportiert.
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Durch
das Wegfallen der üblichen
Kolbendichtung wird die Reibung im Stellglied (50) reduziert. Unter
anderem entfällt
ein Blockieren der Schleppströmung
vor der Kolbendichtung, so dass ein übermäßiger Druckanstieg des Schleppdruckes
im Spalt vermieden ist.
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Anstelle
des ringraumförmigen Überströmquerschnitts
(94) kann der Kolben (90) auch mindestens eine
ggf. außermittige
Durchgangsbohrung (95) aufweisen, vgl. 8,
deren Bohrungsquerschnitt nun den Überströmquerschnitt (96)
darstellt. Die einzelne Durchgangsbohrung (95) kann einseitig
z.B. durch ein Federplattendämpfungsventil
strömungsrichtungsabhängig gedrosselt
oder gesperrt werden.
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Die
Durchgangsbohrung (95) im Kolben (90) kann auch
durch eine sog. Bypassrohrleitung ersetzt werden. Eine derartige
Leitung ist z.B. außerhalb
des Zylinders (51) montiert und verbindet die Zylinderräume (55, 56) über Anschlüsse im Zylinderkopf
(70) und im Zylinderboden (60).
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In
der Außenwandung
(91) des Kolbens (90) können auch ein oder mehrere Überströmkanäle (97) eingearbeitet
werden, um den gewollten Leckagestrom zwischen den Zylinderräumen (55, 56)
zu ermöglichen.
Nach 6 und 7 werden sechs geradlinig verlaufende
Kanäle
(97) verwendet. Die Kanäle
(97) – sie
können
auch schraubenförmig
gewunden sein – haben
z.B. jeweils einen halbkreisförmigen
Einzelquerschnitt. Die Summe aller Einzelquerschnitte bildet hier
den Überströmquerschnitt
(98). In diesem Fall kann ein in eine z.B. in Kolbenlängsrichtung
mittig angeordnete Kolbennut (101) eingelegtes Führungsband
(102) die nahezu spielfreie Führung des Kolbens (90)
im Zylinderrohr (51) übernehmen. Das
Führungsband,
ein z.B. offener Ring, kann aus Polytetrafluorethylen gefertigt
sein. Es verringert bei der Ausführung
nach den 6 und 7 den Überströmquerschnitt
(98).
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Nach
jeder Inbetriebnahme der Wankstabilisierung steht nur beispielsweise
an der kolbenstangenseitig gelegenen Querbohrung (53) permanent der
reguläre
Hydrauliksystemdruck, z.B. 8 ... 9 MPa, an. Die andere Querbohrung
(54) ist wahlweise gedrosselt oder ungedrosselt mit der
unter Hydrauliksystemdruck stehenden Systemdruckleitung oder der
nahezu drucklosen Tankleitung verbunden.
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Die 3 und 4 zeigen
den Kolben (90) und den Zylinderkopf (70) des
in den 1 und 2 dargestellten Stellgliedes
(50). Das Stellglied (50), das hier z.B. in der
Achse mit nach oben orientierter Kolbenstange (80) montiert
ist, hat in beiden Endlagen neben den mechanischen Dämpfern (61, 103)
auch eine hydraulische Endlagendämpfung. Dazu
sind die die hydraulischen Zu- und Abläufe darstellenden Querbohrungen
(53, 54) so im Hubbereich des Kolbens (90)
angeordnet, dass der Kolben (90) jeweils eine Querbohrung
(53, 54) schon vor Erreichen seiner entsprechenden
Endlage durch Überfahren – wie ein
Ventilschieber – fast
verschließen
kann.
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Der
nach 3 in Pfeilrichtung (9) bewegte Kolben
(90) hat die Querbohrung (53) bis auf den Überströmquerschnitt
(94) gerade verschlossen. Für den hydraulisch abgebremsten
Resthub (6), er beträgt
hier z.B. 1/4 des Zylinderinnendurchmessers, wird das noch vorhandene
Medium des Zylinderraumes (55) in die der Querbohrung (53)
nachgeschaltete Hydraulikleitung gedrosselt verdrängt. Die 4 zeigt
die erreichte Endlage. Das Restvolumen im Zylinderraum (55)
ist nahezu vollständig
verdrängt,
unabhängig
davon, ob es sich hierbei um die Hydraulikflüssigkeit oder ungelöste Luft
handelt. Die Verdrängung
ist umso vollständiger,
je genauer die Kontur des Kolbens (90) in die Kontur des
Zylinderkopfes (70) bzw. des Zylinderbodens (60)
passt bzw. je mehr das entsprechende Kolbenende den zugehörigen Zylinderraum
(55, 56) ausfüllt.
Ein kleinstmöglicher Spalt-
oder Restraum wird in den Zylinderräumen (55, 56)
angestrebt.
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Obwohl
in 4 die Querbohrung (53) durch den Kolben
(90) teilweise verschlossen ist, kann die Kolbenstange
(80) wieder ausfahren, sobald der Druck in dem anderen
Zylinderraum (56) wieder fällt. Schließlich hat das über die
Querbohrung (53) zugeführte,
in der Ringnut (77) ringsherum verteile Öl zur kolbenstangenseitigen
Stirnseite hin einen kürzeren Weg
als in Richtung des kolbenbodenseitigen Zylinderraumes (56).
Die relativ lange Strecke zu diesem Zylinderraum (56) stellt
hierbei einen größeren Drosselwiderstand
dar als die kürzere
Strecke zum anderen Zylinderraum (55). Zudem verharrt der
Kolben (90) in der Regel nur kurze Zeit in der jeweiligen
Extremlage, da er durch die Rückstellbewegung
des Fahrzeugaufbau über
den U-Stabilisator
(30) wieder in eine mittlere Stellung gezwungen wird.
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Wird
das Stellglied (50) gegenüber der Darstellung nach 1 um
180 Winkelgrade gestürzt eingebaut – ist also
die Kolbenstange (80) über
das Kugelgelenk (67, 68) mit dem U-Stabilisator
(30) gekoppelt -, wird die Hydraulikflüssigkeit vom tiefer liegenden
Zulauf in die höherliegende,
zumindest zeitweise zum Tank führende
Leitung gepumpt. Dies erleichtert den Abtransport der im Stellglied
(50) entstehenden ungelösten
Gase.
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- 5
- vertikale
Fahrzeugmittenlängsebene
- 6
- Resthub
- 9
- Pfeilrichtung
- 11,
12
- McPerson-Federbeine,
Einzelradaufhängungen
- 13,
14
- Feder-Dämpfereinheiten
- 15,
16
- Zylinderrohre
-
-
- 17,
18
- Lagerkonsolen
- 21,
22
- Befestigungsflächen
- 27,
28
- Radträger
- 30
- U-Stabilisator
- 31
- Drehstababschnitt
- 33,
34
- Schenkel,
links, rechts
- 35,
36
- Laschen,
links, rechts
- 37,
38
- Lagerböcke
- 40
- Koppelstange,
Koppelelement
- 41
- Hauptteil
- 42
- Gelenkauge
- 43
- Kugelgelenkschale,
Kugelgelenk
- 44
- Kugelgelenkzapfen,
Kugelgelenk
- 45
- Einstellteil
- 47
- Kugelgelenkschale,
Kugelgelenk
- 48
- Kugelgelenkzapfen,
Kugelgelenk
- 49
- Kontermutter
- 50
- Zylinderkolbeneinheit,
Koppelelement
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- Stellglied
- 51
- Zylinderrohr
- 52
- Innenwandung
- 53,
54
- Querbohrungen,
Zu- und/oder Ablauf
- 55,
56
- Zylinderräume
- 57,
58
- Anschlüsse, hydraulisch;
oben, unten
- 59
- Mittellinie
- 60
- Zylinderboden
- 61
- Anschlagpuffer,
Elastomer,
-
- mechanische
Entlagendämpfung
- 62
- Verlängerungsstange
- 63
- Gewindebohrung
- 64
- Einstellteil
- 65
- Kontermutter
- 66
- Gelenkauge
- 67
- Kugelgelenkschale,
Kugelgelenk
- 68
- Kugelgelenkzapfen,
Kugelgelenk
- 70
- Zylinderkopf
- 71
- Durchgangsbohrung
- 75
- Lippendichtung
- 76
- Schmutzabstreifer
- 77,
78
- Ringnuten
in (51)
- 80
- Kolbenstange
- 81
- Innensechskant-
bzw. Kolbenschraube
- 82
- Gelenkauge
- 83
- Kugelgelenkschale,
Kugelgelenk
- 84
- Kugelgelenkzapfen,
Kugelgelenk
- 90
- Kolben
- 91
- Außenwandung,
radial
- 92
- Ringnuten
- 93
- Ringraum,
Spalt,
- 94
- Überströmquerschnitt
- 95
- Durchgangsbohrung
- 96
- Überströmquerschnitt
- 97
- Kanäle
- 98
- Überströmquerschnitt
- 101
- Kolbennut
- 102
- Führungsband
- 103
- Anschlagscheibe,
Elastomer,
-
- mechanische
Entlagendämpfung