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Die
Erfindung betrifft eine Bremseinrichtung zum Abbremsen eines Rotors
einer Windenergieanlage gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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In
der
US 6,254,197 B1 ist
eine Bremseinrichtung für
eine Windenergieanlage gezeigt, bei der eine Bremseinrichtung mit
einer so genannten passiven Bremse ausgeführt ist. Bei einer derartigen Bremse
ist ein Kolben eines Bremszylinders mittels eines Federspeichers
in Richtung Bremseingriff vorgespannt. Das Lüften der Bremse erfolgt mittels
eines hydraulischen Drucks, der von einem Bremsmodul generiert.
wird. Bei dieser bekannten Lösung
ist das Bremsmodul mit zwei hintereinander geschalteten Wegesitzventilen
ausgeführt,
die in einer federvorgespannten Grundposition die Verbindung zwischen
einer Druckmittelquelle (Pumpe, Hydrospeicher) zum Bremszylinder
absperren, so dass die Bremse durch die Kraft des Federspeichers
den Rotor abbremst. Dabei ist ein Druckraum des Bremszylinders mit
einem Tank verbunden, so dass am Bremszylinder kein Druck anliegt – es wirkt
die maximale Bremskraft.
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Zum
Verringern oder Modulieren der Bremskraft wird das dem Bremszylinder
nächstliegende Wegesitzventil
in eine Durchgangsstellung gebracht und die Verbindung zum Tank
abgesperrt, dieses Wegesitzventil wirkt als Sicherheitsventil. Des
Weiteren wird über
die Steuerung der Windenergieanlage das weitere Wegesitzventil in
seine Schaltstellung umgeschaltet, in der die Druckmittelquelle
(Pumpe, Hydrospeicher) mit dem Druckraum des Bremszylinders verbunden
ist und entsprechend die Bremse gegen die Kraft des Federspeichers
gelüftet
wird – die Drehzahl
des Rotors steigt durch die verringerte Bremskraft an, beim Erreichen
einer vorbestimmten Drehzahl wird dann das zuletzt genannte Wegesitzventil
wieder in seine Sperrstellung umgeschaltet und die Verbindung zum
Tank T hin auf gesteuert, so dass der Lüftungsdruck wieder verringert
und entsprechend die Bremskraft durch die Wirkung des Federspeichers
erhöht
wird. Das heißt,
bei dieser Lösung erfolgt
die Einstellung des wirksamen Bremsdrucks, oder genauer gesagt,
des Bremslüftungsdrucks durch
Umschalten des oben genannten Wegesitzventils.
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Es
zeigte sich, dass mit einer derartigen Steuerung der erforderliche
Bremsdruck und damit die Drehzahl des Rotors nicht mit der gewünschten Genauigkeit
einstellbar ist und dass auch ein sanftes Abbremsen des Rotors nur
schwierig realisierbar ist.
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Dieser
Nachteil lässt
sich mit einer aus der
EP
1 389 686 A1 bekannten Lösung vermeiden, bei der der
Bremslüftungsdruck über ein
stetig verstellbares Druckbegrenzungsventil eingestellt ist. Der Druckaufbau
erfolgt über
ein parallel geschaltetes Wegesitzventil.
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Das
stetig verstellbare Druckbegrenzungsventil ist als Sitzventil ausgeführt und
erlaubt somit eine weitestgehend leckagefreie Absperrung. Ein Nachteil
bei dieser Lösung
ist jedoch, dass es das Druckbegrenzungsventil nicht ermöglicht,
den Lüftungsdruck
vollständig
abzubauen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Aufbau
dieser bekannten Lösung
mit einem proportional verstellbaren Druckbegrenzungsventil und
einem parallel geschalteten Wegesitzventil relativ aufwändig ist.
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In
der nachveröffentlichten
Patentanmeldung
DE 103 20 580 der
Anmelderin wird eine verbesserte Lösung offen bart, bei der die
Bremsdruck- oder Bremslüftungsdruckmodulation über ein
proportional verstellbares Wegeventil erfolgt. Problematisch bei
der in dieser Druckschrift offenbarten Lösung ist, dass ein derartiges
proportional verstellbares Wegeventil keine leckagedichte Absperrung
ermöglicht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bremseinrichtung zum
Abbremsen eines Rotors einer Windenergieanlage zu schaffen, bei
der eine leckagedichte Absperrung eines hydraulisch betätigten Bremszylinders
gewährleistet
ist und eine Bremsdruck- oder Bremslüftungsdruckmodulation mit hoher Genauigkeit
möglich
ist, so dass ein sanftes Abbremsen des Rotors ermöglicht wird.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Bremseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 eingelöst.
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Erfindungsgemäß erfolgt
die Druckmodulation mittels eines stetig verstellbaren Wegeventils, über das
zum Einstellen des Bremsdruckes ein Druckraum des Bremszylinders
mit einer Druckmittelquelle oder einer Druckmittelsenke verbindbar
ist. Um eine leckagefreie Absperrung zu ermöglichen, ist im Druckmittelströmungspfad
zwischen dem stetig verstellbaren Wegeventil und dem Tank ein 2/2-Wegesitzventil angeordnet.
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Die
erfindungsgemäße Bremseinrichtung kann
sowohl mit einer aktiven Bremse, bei der ein Kolben des Bremszylinders über einen
Federspeicher in Richtung Bremse lösen vorgespannt ist und der
Bremsdruck hydraulisch erzeugt wird, als auch bei einer passiven
Bremse eingesetzt werden, bei der der Federspeicher in Richtung
Bremsdruckaufbau wirkt.
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Das
Wegesitzventil ist vorzugsweise in seine Sperrposition vorgespannt
und kann über
einen Schaltmagneten in seine Durchgangsstellung umgeschaltet werden.
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Bei
einer passiven Bremse wirkt das Wegesitzventil als Sicherheitsventil, über das
bei Ausfall des stetig verstellbaren Wegeventils eine Vollbremsung
des Rotors verhindert wird, da das Druckmittel nur durch Umschalten
dieses Wegesitzventils zum Tank abströmen kann.
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Bei
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist in dem Druckmittelströmungspfad zwischen
dem Bremszylinder und dem stetig verstellbaren Wegeventil ein 3/2-Wegesperrventil angeordnet,
das in einer Schaltstellung die Verbindung zum Druckraum des Bremszylinders öffnet und
in der anderen Schaltstellung diese Verbindung leckagefrei absperrt
und den Druckraum mit dem Tank verbindet.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung kann der zum Tank abströmende Druckmittelvolumenstrom über einen
Stromregler eingestellt werden.
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Dieser
Stromregler wird vorzugsweise durch eine Druckwaage und eine Messblende
gebildet.
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Erfindungsgemäß können über das
stetig verstellbare wegeventil mehrere Bremszylinder angesteuert
werden. So können
beispielsweise zwei Bremszylinder jeweils ein Bremskaliper ausbilden und über das
stetig verstellbare Wegeventil zwei derartige Bremskaliper mit Druckmittel
versorgt werden. Jedem Bremskaliper ist dann ein Wegesitzventil
und ein Stromregler zugeordnet.
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Als
Druckmittelquelle wird vorzugsweise eine Pumpe und ein Hydrospeicher
vorgesehen. Der maximale System druck kann mittels eines Druckbegrenzungsventils
begrenzt werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind
Gegenstand der sonstigen Unteransprüche.
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Im
Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
Hydraulikschaltplan einer erfindungsgemäßen Bremseinrichtung zum Abbremsen eines
Rotors einer Windenergieanlage und
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2 ein
Detail des Schaltplans aus 1.
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Die
in 1 schematisch dargestellte Bremseinrichtung ermöglicht ein
sanftes Abbremsen eines Rotors einer Windenergieanlage, wobei durch
den schonenden Abbremsvorgang die Verzahnung und Wälzlager
eines Getriebes der Windenergieanlage im Vergleich zu herkömmlichen
Lösungen
minimal belastet sind.
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Die
erfindungsgemäße Bremseinrichtung 1 hat
eine Bremsanordnung 2, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel
aus zwei Bremskalipern 4, 6 besteht. Die Bremsanordnung 2 ist
beim dargestellten Ausführungsbeispiel
als passive Bremse ausgeführt, bei
der die Bremse durch Federkraft betätigt und hydraulisch durch
Druckmittelbeaufschlagung gelöst wird.
Die Druckmittelversorgung der Bremskaliper 4 erfolgt über eine
Pumpe 8 und einen Hydrospeicher 10, die über einen
Bremsblock 12 hydraulisch mit dem Bremskalipern 4, 6 verbunden
sind.
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Der
hydraulische Bremsblock 12 hat einen Druckanschluss P,
einen Tankanschluss T, zwei Arbeitsanschlüsse A1, A2, einen Speicheranschluss
S sowie zwei Signalanschlüsse
MA und MP. Die Pumpe 8 ist über eine Pumpenleitung 14 an
den Druckanschluss P, ein Tank T über eine Tankleitung 16 an
den Tankanschluss T, die beiden Bremskaliper 4 und 6 sind über Bremsleitungen 22, 24 an
die Arbeitsanschlüsse
A1 bzw. A2 und der Hydrospeicher 10 an den Speicheranschluss
S angeschlossen. An die beiden Signalanschlüsse MA und MP sind ein Drucksensor 18 und
eine Druckanzeige 20 angeschlossen.
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Der
Bremsblock 12 hat ein stetig verstellbares Wegeventil 26,
dessen Druckanschluss P über
einen Druckkanal 28 mit dem Druckanschluss P des Bremsblocks 12 verbunden
ist. von diesem Druckkanal 28 zweigt ein Speicherkanal 30 zum
Speicheranschluss S hin ab.
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Ein
Tankanschluss T des Wegeventils 26 ist über einen Tankkanal 32 mit
dem Tankanschluss T verbunden. In diesem Tankkanal 32 ist
ein als 2/2-Wegesitzventil ausgeführtes Sperrventil 34 angeordnet,
das mittels einer Feder in seine Sperrstellung vorgespannt ist.
Der Tankkanal 32 und der Druckkanal 28 sind über einen
Verbindungskanal 36 miteinander verbunden, in dem ein Druckbegrenzungsventil 38 angeordnet
ist. Dieses Druckbegrenzungsventil ist mit einer Bypassleitung 40 ausgeführt, die
zu Wartungszwecken geöffnet
werden kann, um den Druckkanal 28 mit dem Tankkanal 32 zu
verbinden. Über dieses
Druckbegrenzungsventil 38 wird der Systemdruck auf einen
Maximalwert, beispielsweise 250 bar begrenzt. Die Pumpe 8 ist
so ausgelegt, dass sie einen Maximaldruck liefert, der unterhalb
dieses maximalen Systemdrucks liegt.
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Das
stetig verstellbare Wegeventil 26 hat zwei Arbeitsanschlüsse A, B,
von denen letzterer abgesperrt ist und der Arbeitsanschluss A an
einem Bremskanal 42 angeschlossen ist. Dieser verzweigt in
zwei Bremszweigkanäle 44, 46,
in denen jeweils ein 3/2-Wegesitzventil 48, 50 angeordnet
ist. Die Tankanschlüsse
T dieser Wegesitzventile 48, 50 sind über Ablaufkanäle 52 bzw. 54 mit
dem Tankkanal 32 verbunden, der in den Tankanschluss T
einmündet. In
jedem Ablaufkanal 52, 54 ist jeweils ein Stromregler 56, 58 vorgesehen, über den
der ablaufende Druckmittelvolumenstrom konstant gehalten werden kann.
Die beiden Schaltventile 48, 50 ermöglichen
im Störungsfall
eine Notbremse. Im normalen Betrieb sind diese Wegesitzventile 48, 50 in
ihre Schaltstellung (2) umgeschaltet und die Verbindung zu den Bremskalipern 4, 6 ist
geöffnet.
Im Fall einer Störung werden
die Wegesitzventile 48, 50 in ihre federvorgespannte
Grundposition (1) umgeschaltet und die Verbindung zum Tank T wird
geöffnet,
wobei die Stromregler 56, 58 dafür sorgen,
dass ein konstanter Druckmittelvolumenstrom unabhängig von
der Viskosität
des Druckmittels strömt.
Der Druck in den Druckräumen 66 wird
dann entsprechend der Auslegung der Stromregler 56, 58 gleichmäßig abgebaut und
eine vergleichsweise sanfte Notbremsung eingeleitet.
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Weitere
Einzelheiten der vorbeschriebenen mechanischen und hydraulischen
Bauelemente werden anhand 2 beschrieben,
die einen Ausschnitt des Schaltplans aus 1 mit dem
Sperrventil 34, dem stetig verstellbaren Wegeventil 26,
dem Wegesitzventil 48, dem Stromregler 58 und
dem Bremskaliper 4 zeigt.
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Der
Bremskaliper 4 hat zwei Bremszylinder 78, 80,
in denen jeweils ein Kolben 60 axial verschiebbar geführt ist.
Dieser wird mittels eines Federspeichers 62 in Richtung
Bremseingriff beaufschlagt, so dass Bremsbeläge an einer Bremsscheibe 64 des Rotors
anliegen. Die Bremszylinder 78, 80 sind ortsfest
an einem Gestell der Wind energieanlage befestigt, die Bremsscheibe 64 ist
drehfest mit dem Rotor verbunden. Jeder Kolben 60 begrenzt
stirnseitig einen Druckraum 66 der Bremszylinder 78, 80.
Die beiden Druckräume
sind über
die Bremsleitung 22 mit dem Arbeitsanschluss A1 des Bremsblocks 12 verbunden,
so dass die Bremse durch Druckaufbau in den Druckräumen 66 gegen
die Kraft der Federspeicher 62 gelöst werden kann.
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Das
stetig verstellbare Wegeventil 26 ist über eine Zentrierfederanordung
in eine Grundposition (0) vorgespannt, in der der Bremskanal 42,
der Druckkanal 28 und der zwischen dem Wegeventil 26 und
dem Sperrventil 34 verlaufende Druckmittelströmungspfad über kleine
Querschnitte, die durch Düsen
angedeutet sind, miteinander verbunden sind.
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Die
Betätigung
des Wegeventils 26 erfolgt beim dargestellten Ausführungsbeispiel
elektrisch über
zwei Proportionalmagnete 68, 70, wobei der Weg
eines Ventilschiebers des Proportionalmagneten über ein Wegmesssystem 72 erfasst
wird.
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Durch
geeignete Ansteuerung der Proportionalmagnete 68, 70 kann
das Wegeventil 26 in eine seiner mit (a) gekennzeichneten
Positionen verschoben werden, in der die Verbindung vom Arbeitsanschluss
A zum Tankanschluss T des Wegeventils 26 und die Verbindung
vom Druckanschluss P zum abgesperrten Arbeitsanschluss B aufgesteuert
wird. In den mit (b) gekennzeichneten Positionen wird die Verbindung
von P nach A allmählich
aufgesteuert und entsprechend die Verbindung zum Tankanschluss T
zugefahren.
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Zum
Aufbau eines Bremslösedrucks
wird somit das stetig verstellbare Wegeventil 26 in eine
seiner mit (b) gekennzeichneten Positionen gefahren und dadurch
ein Bremslösedruck
aufgebaut. Mit Hilfe des Drucksensors 18 und des Wegeventils 26 kann jeder
gewünschte
Bremslösedruck
eingeregelt werden. Zur Bremskrafterhöhung wird das Wegeventil in die
mit (a) gekennzeichneten Positionen verfahren, so dass der Bremslösedruck
zum Tank T hin abgebaut wird.
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Das
Wegesitzventil 48 ist über
eine Feder in eine Grundposition (siehe 2) vorgespannt,
in der der Bremszweigkanal 44 zum Wegeventil 26 hin
abgesperrt ist und mit dem Ablaufkanal 54 verbunden ist,
so dass das Druckmittel aus den Druckräumen 66 über den
Stromregler 58 in den Tankkanal 32 abströmen kann.
Durch Umschalten des Wegesitzventil 48 aus seiner Grundposition
(1) in seine Schaltposition (2) wird die Verbindung zum Ablaufkanal 54 abgesperrt
und die Druckräume 66 werden
mit dem Arbeitsanschluss A des stetig verstellbaren Wegeventils 26 verbunden,
so dass der Bremslösedruck
im Druckraum 66 gezielt erhöht oder erniedrigt werden kann.
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Einzelheiten
der Ansteuerung des Wegeventils
26 und des Wegesitzventils
48 sind
der nachveröffentlichen
Patentanmeldung
DE 103 20 580 entnehmbar.
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Wie
bereits erwähnt,
wird über
den Stromregler 58 der zum Tank T über das sich in seiner Grundstellung
befindliche Wegesitzventil 48 zurückströmende Druckmittelvolumenstrom
weitgehend konstant gehalten. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel
besteht dieser Stromregler aus einer Messblende 74 und
einer Druckwaage 76, die in Öffnungsrichtung von der Kraft
einer Feder sowie dem Druck stromabwärts der Messblende 74 und
in Schließrichtung
vom Druck stromaufwärts
der Messblende 74 beaufschlagt ist. Durch eine derartige
Schaltung lässt sich
der Druckabfall über
der Messblende 74 und somit der zum Tank T hin abströmende Druckmittelvolumenstrom
konstant halten.
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Das
im Tankkanal 32 angeordnete Sperrventil 34 hat
bei einer passiven Bremse (Ausführungsbeispiel
gemäß den 1 und 2),
bei der die Bremse durch den hydraulischen Druck gelöst werden muss,
eine wichtige Funktion, da es in seiner federvorgespannten Grundposition
die Verbindung vom Wegeventil 26 zum Tank T hin leckagefrei
absperrt, so dass die Bremse mit geringen Verlusten zuverlässig gelöst gehalten
werden kann.
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Die
leckölfreie
Einsperrung des Druckmittels über
das Sperrventil 34 ist jedoch auch bei aktiven Bremsen
vorteilhaft, bei denen der Bremsdruck hydraulisch erzeugt wird.
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Bei
passiven Bremsen übernimmt
das Sperrventil 34 darüber
hinaus noch eine Sicherheitsfunktion. Es sei angenommen, dass bei
gelöster
Bremse (Bremslösegsdruck
am Bremskaliper 4 aufgebaut) das Wegeventil 26 aufgrund
einer Störung
in einer Position hängen
bleibt, in der der Arbeitsanschluss A mit dem Tankanschluss T verbunden
ist. Ohne das Sperrventil 34 könnte das Druckmittel über das
hängengebliebene
Wegeventil 26 ungehindert zum Tank abströmen – die Bremse
würde einrücken und
der Rotor würde
mit maximaler Bremskraft abgebremst werden – eine derartige Vollbremsung
beansprucht die Lager des Rotors und insbesondere die Verzahnung
des Getriebes und kann bei ungünstigen
Betriebsbedingungen zu einem Bruch führen. Erfindungsgemäß wird eine
derartige Vollbremsung bei einem Hängenbleiben des stetig verstellbaren
Wegeventils 26 durch das Sperrventil 34 in seiner
Schließposition
verhindert, so dass die Anlagensicherheit gegenüber herkömmlichen Lösungen erhöht ist.
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Der
Aufbau des Bremskalipers 6 mit dem diesem zugeordneten
Wegesitzventil 50 und dem Stromregler 56 ist der
gleiche wie bei dem in 2 dargestellten Bremskaliper 4,
so dass auf eine weitere Beschreibung verzichtet werden kann.
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Anstelle
des passiven Bremssystems kann auch eine aktive Bremse verwendet
werden, bei der der Federspeicher in Richtung Bremse lüften wirkt und
der Bremsdruck durch den Druck im Druckraum des Bremszylinders aufgebaut
wird.
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Offenbart
ist eine Bremseinrichtung zum Abbremsen eines Rotors einer Windenergieanlage.
Die Bremseinrichtung hat zumindest einen hydraulisch betätigten Bremszylinder,
dessen Bremsdruck mittels eines stetig verstellbaren Wegeventils
regelbar ist. In einer Ablaufleitung von diesem Wegeventil zu einem Tank
ist erfindungsgemäß ein Sperrventil
angeordnet, das ein leckagefreies Absperren des Druckmittelströmungspfads
zum Tank ermöglicht.
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- 1
- Bremseinrichtung
- 2
- Bremsanordnung
- 4
- Bremskaliper
- 6
- Bremskaliper
- 8
- Pumpe
- 10
- Hydrospeicher
- 12
- Bremsblock
- 14
- Pumpenleitung
- 16
- Tankleitung
- 18
- Drucksensor
- 20
- Anzeige
- 22
- Bremsleitung
- 24
- Bremsleitung
- 26
- Wegeventil
- 28
- Druckkanal
- 30
- Speicherkanal
- 32
- Tankkanal
- 34
- Sperrventil
- 36
- Verbindungskanal
- 38
- Druckbegrenzungsventil
- 40
- Bypasskanal
- 42
- Bremskanal
- 44
- Bremszweigkanal
- 46
- Bremszweigkanal
- 48
- Wegesitzventil
- 50
- Wegesitzventil
- 52
- Ablaufkanal
- 54
- Ablaufkanal
- 56
- Stromregler
- 58
- Stromregler
- 60
- Kolben
- 62
- Federspeicher
- 64
- Bremsscheibe
- 66
- Druckraum
- 68
- Proportionalmagnet
- 70
- Proportionalmagnet
- 72
- Wegmesssystem
- 74
- Meßblende
- 76
- Druckwaage
- 78
- Bremszylinder
- 80
- Bremszylinder