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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Aktuator nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1. Ein solcher Aktuator ist auch als Labilisator bekannt
und wird hauptsächlich
in der Fahrzeugtechnik eingesetzt.
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Grundsätzlich ist
jeder Achse eines Kraftfahrzeuges ein Stabilisator zugeordnet, der
nach dem Drehstabprinzip arbeitet und der parallel zur Fahrzeugachse
angeordnet und an beiden Enden an einer Radaufhängung befestigt ist. Dieser
Stabilisator verhindert bzw. schwächt die Übertragung der von den Fahrbahnverhältnissen
verursachten und von den Rädern
ausgehenden Wankbewegungen auf den Fahrzeugaufbau wesentlich ab.
Solche Wankbewegungen treten insbesondere in Fahrbahnkurven oder
bei unebenen Fahrbahnverhältnissen
auf.
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Einteilige
Stabilisatoren sind in ihrer Dimensionierung und in ihrer Materialbeschaffenheit
auf eine vorbestimmte Federrate ausgelegt, sodass sie Torsionskräfte nur
in einer bestimmten Größenordnung
aufnehmen und entsprechende Gegenkräfte aufbringen können. Damit
reagieren sie aber auf unterschiedliche Belastungen entweder zu
weich oder zu hart, was sich nachteilig auf den Fahrkomfort auswirkt.
Einteilige Stabilisatoren eignen sich daher sehr gut für den Einsatz
auf der Straße.
Dagegen sind sie wegen der höheren
Torsionsbelastungen in Fahrzeugen, die für das Gelände konzipiert sind, nicht
geeignet.
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Bei
größeren Torsionsbelastungen,
wie sie beispielsweise bei Fahrten im Gelände auftreten und wo der begrenzte
Verdrehwinkel eines einteiligen Stabilisators nicht mehr ausreicht,
werden daher zweigeteilte Stabilisatoren eingesetzt, die über einen hydraulischen
Schwenkmotor miteinander verbunden sind. In der
DE 100 12 915 A1 ist ein
solcher zweiteiliger Stabilisator mit einem hydraulischen Schwenkmotor
beschrieben. Dieser hydraulische Schwenkmotor besteht aus einem äußeren Drehteil, das
starr mit dem einen Stabilisatorteil verbunden ist, und aus einem
inneren Drehteil, das mit dem anderen Stabilisatorteil in starrer
Verbindung steht. Dabei besitzen das äußere Drehteil nach innen gerichtete Statorflügel und
das innere Drehteil nach außen
gerichtete Rotorflügel,
wobei die Statorflügel
und die Rotorflügel
zwischen sich hydraulische Druckräume und hydraulische Saugräume ausbilden.
Innerhalb dieser Druck- und Saugräume sind das innere Drehteil
und das äußere Drehteil
bis auf Anschlag der Statorflügel
und Rotorflügel
begrenzt zueinander drehbar. Damit ermöglicht der hydraulische Schwenkmotor
einen zusätzlichen
Verdrehwinkel, wodurch der zweiteilige Stabilisator auf größere Fahrbahnunebenheiten
reagieren kann. Außerdem
reagiert der hydraulische Schwenkmotor mit seine Dämpferrate weicher
auf Fahrbahnunebenheiten, wodurch sich der Fahrkomfort weiter erhöht. Zweiteilige
Stabilisatoren mit einem hydraulischen Schwenkmotor werden daher
wegen des größeren Verdrehwinkels
im Gelände
und wegen des besseren Fahrkomforts auf der Straße eingesetzt.
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Insbesondere
in Fahrzeugen, die sowohl für die
Straße
als auch für
das Gelände
vorgesehen und demnach stark wechselnden Torsionsbelastungen ausgesetzt
sind, werden geteilte Stabilisatoren eingesetzt, die über eine
schaltbare Kupplung miteinander verbunden sind. Eine solche schaltbare
Kupplung wird ebenfalls in der bereits erwähnten
DE 100 12 915 A1 beschrieben.
Auch diese schaltbare Kupplung besteht aus einem äußeren Drehteil
und aus einem inneren Drehteil, die jeweils einerseits mit dem einen
Stabilisatorteil und andererseits mit dem anderen Stabilisatorteil
starr verbunden sind. Dabei sind das äußere Drehteil und das innere
Drehteil jeweils mit zwei gegenüberliegenden
Mitnehmern ausgerüstet,
die auf einer gemeinsamen radialen Ebene angeordnet sind und die
zwischen sich zwei gegenüberliegende
Freiräume
ausbilden. In der Kupplung ist weiterhin ein axial verschiebbarer
Verriegelungskolben geführt,
der stirnseitig in die Zwischenräume
der Mitnehmer passende Verriegelungselemente besitzt und der in
Verriegelungsrichtung von einer Druckfeder und in Entriegelungsrichtung
von einem hydraulischen Druck belastet wird. Für die Fahrt z.B. auf der Straße ist der
hydraulische Druck in der hydraulischen Kupplung abgeschaltet, sodass
sich der Verriegelungskolben unter der Kraft der Druckfeder verschiebt
und die Freiräume
zwischen den Mitnehmern der beiden Drehteile mit seinen Verriegelungselementen
spielfrei ausfüllt.
Damit sind beide Stabilisierungsteile drehfest miteinander verbunden
und so verhalten sich die beiden Stabilisatorteile in dieser Stellung
wie ein einteiliger Stabilisator. Für die Fahrt z.B. im Gelände wird
der Verriegelungskolben von einem hydraulischen Druck belastet,
der den Verriegelungskolben entgegen der Kraft der Druckfeder verschiebt
und so die Verriegelungselemente und die radialen Mitnehmer öffnet. In
dieser Offenstellung sind das äußere Drehteil
und das innere Drehteil über
einen begrenzten Verdrehwinkel zu einander drehbar.
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Eine
solche schaltbare Kupplung hat aber auch Nachteile. So wirken über den
gesamten zur Verfügung
stehenden Verdrehwinkel des Stabilisators unterschiedliche Federraten.
Wenn die Kupplung verriegelt ist, wirken die Federraten der Stabilisierungsteile
in beiden Verdrehrichtungen und wenn die Kupplung entriegelt ist,
wirken die Federraten der Stabilisierungsteile nur in die Verdrehrichtung,
in der die beiden Mitnehmer der beiden Drehteile sich in Anlage
befinden. Dagegen gibt es in der Offenstellung der hydraulischen
Kupplung und zwischen den beiden Anlagestellungen der beiden Mitnehmer
in der einen Verdrehrichtung und in der anderen Verdrehrichtung
keine Kräfte,
die sich den von den Fahrbahnunebenheiten ausgehenden Belastungen
widersetzen. Die in diesem Wirkungsbereich auftretenden Wankbewegungen
gehen also praktisch ohne Dämpfung
auf den Fahrzeugaufbau über.
Das verringert den Fahrkomfort erheblich.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen gattungsgemäßen Aktuator
für den Stabilisator
eines Kraftfahrzeuges zu entwickeln, der auch in der geöffneten
Stellung des Stabilisators eine Federrate aufbaut.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckdienliche
Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 und 3.
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Der
neue Aktuator für
Kraftfahrzeuge beseitigt die genannten Nachteile des Standes der
Technik.
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Dabei
liegt der besondere Vorteil des Aktuators darin, dass bei einem
zweiteiligen Stabilisator eine gewollte Federrate auch in der Offenstellung
der schaltbaren Kupplung eingestellt werden kann. Mit der von der
hydraulischen Dämpfungseinheit
erzeugten und in der Offenstellung wirkenden Dämpferrate und mit der Federrate
der beiden gekuppelten Stabilisatorteile wirkt eine Federrate über den
gesamten Verdrehweg des Stabilisators. Dadurch ergeben sich sowohl
für Fahrten
auf der Strasse als auch für
Fahrten im Gelände
ein hoher Fahrkomfort und eine hohe Fahrsicherheit.
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Dabei
ist es von Vorteil, wenn der Druck in den Druckräumen des hydraulischen Schwenkmotors
regelbar ist und so gewählt
wird, dass die Dämpferrate
sich der Federrate der Stabilisatorteile anpasst.
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Von
Vorteil ist auch, wenn die schaltbare Kupplungseinheit und die hydraulische
Dämpfungseinheit
ein gemeinsames Gehäuse
und eine gemeinsame Welle ausbilden. Das vereinfacht den Aufbau des
Aktuators, was sich auch in einer einfacheren und damit kostensparenden
Herstellung auswirkt. Dieser einfache Aufbau führt aber auch zu einer kompakten
Bauweise, wodurch sich der Aktuator sehr platzsparend im Kraftfahrzeug
verbauen lässt.
Es ist aber auch grundsätzlich
möglich,
die schaltbare Kupplung und die hydraulische Dämpfungseinheit als getrennte
Baugruppen zu bauen, die funktionell miteinander verknüpft und
an passenden Position des Stabilisators positioniert sind.
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Die
Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert werden.
Dazu zeigen:
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1:
eine vereinfachte Darstellung eines zweiteiligen Stabilisators mit
einem Aktuator im eingebauten Zustand,
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2:
der Aktuator im Längsschnitt,
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3:
eine Kupplungseinheit des Aktuators im Längsschnitt,
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4:
eine Dämpfungseinheit
des Aktuators im Längsschnitt
und
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5:
die Dämpfungseinheit
des Aktuators im Querschnitt.
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Nach
der 1 besteht jede Achse eines Kraftfahrzeuges grundsätzlich aus
zwei Rädern 1, die
an einer Achse 2 befestigt sind. Parallel zur Achse 2 befindet
sich ein geteilter Stabilisator 3 mit seinen beiden Stabilisatorteilen 4 und 5,
wobei jedes Stabilisatorteil 4, 5 einerseits mit
einer nicht dargestellten Radaufhängung des betreffenden Rades 1 und
andererseits über
eine Lagerstelle 6 mit dem Fahrzeugaufbau verbunden ist.
Zwischen den beiden Stabilisatorteilen 4 und 5 ist
ein Aktuator 7 angeordnet, der die beiden Stabilisatorteile 4, 5 des
Stabilisators 3 miteinander verbindet oder voneinander
trennt.
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Wie
die 2 zeigt, setzt sich der Aktuator 7 aus
einer schaltbaren Kupplungseinheit 8 und aus einer hydraulischen
Dämpfungseinheit 9 zusammen, die
beide auf gleicher Achse in einem gemeinsamen zylindrischen Gehäuse 10 untergebracht
sind und die durch ein Lager- und
Dichtungselement 11 druckdicht voneinander getrennt sind.
Das zylindrische Gehäuse 10 besitzt
einen geschlossenen Boden 12, der mit dem einen Stabilisatorteil 4 kraftschlüssig verbunden
ist. Auf der inneren Seite des Bodens 12 befindet sich
eine Lagerstelle 13 für
ein Drehgelenk. Dem Boden 12 gegenüberliegend ist das Gehäuse 11 mit
einem Deckel 14 drehfest verschlossen. Der Deckel 14 besitzt
eine durchgehende Lagerbohrung 15 und ist mit einem entsprechenden
Dichtelement 16 für
eine Welle 17 ausgerüstet.
Die Welle 17 ist kraftschlüssig mit dem anderen Stabilisatorteil 5 verbunden
und erstreckt sich durch das ganze zylindrische Gehäuse 10 bis
zur Lagerstelle 13 im Boden 12 des zylindrischen
Gehäuses 10.
Damit überdeckt
die Welle 17 sowohl die schaltbare Kupplungseinheit 8 als
auch die hydraulische Dämpfungseinheit 9.
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Wie
auch die 3 zeigt, ist innerhalb der schaltbaren
Kupplungseinheit 8 die Welle 17 form- und kraftschlüssig mit
einem radialen Mitnehmer 18 verbunden, wobei der radiale
Mitnehmer 18 im radialen Raum zwischen der Welle 17 und
der Innenwand des zylindrischen Gehäuses 10 angeordnet
ist. Die Verbindung zwischen der Welle 17 und dem radialen Mitnehmer 18 wird
vorzugsweise durch eine Verzahnung realisiert.
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Ein
weiterer radialer Mitnehmer 19 ist drehfest mit dem Gehäuse 10 verbunden
und dabei in der gleichen radialen Ebene wie der radiale Mitnehmer 18 der
Welle 17 und ebenfalls im radialen Raum zwischen der Welle 17 und
der Innenwand des zylindrischen Gehäuses 10 angeordnet.
Dabei sind der radialen Mitnehmer 18 der Welle 17 und
der radialen Mitnehmer 19 des zylindrischen Gehäuses 10 so
bemessen, dass sie zwischen sich entsprechende Freiräume ausbilden
und damit nur begrenzt zueinander verdrehbar sind.
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Auf
der Welle 17 und in axialer Nähe zu den radialen Mitnehmern 18, 19 befindet
sich weiterhin ein axial verschiebbarer und drehbarer Verriegelungskolben 20,
der den Innenraum des zylindrischen Gehäuses 10 deckelseitig
in einen Druckfederraum 21 und bodenseitig in einen Druckraum 22 aufteilt.
Im Druckfederraum 21 ist eine Druckfeder 23 eingesetzt,
die sich am Deckel 14 des Gehäuses 10 abstützt und
die den Verriegelungskolben 20 belastet. Der Druckfederraum 21 ist
weiterhin über
einen Leckölanschluss 24 mit
einem nicht dargestellten Hydrauliktank verbunden. Dagegen hat der
Druckraum 22 über
einen Druckölanschluss 25 Verbindung
mit einer nicht dargestellten hydraulischen Druckölversorgungsanlage.
Der Verriegelungskolben 20 ist weiterhin mit einem inneren
Dichtelement 26 und mit einem äußeren Dichtelement 27 ausgerüstet, die
den Druckraum 22 und den Druckfederraum 21 gegeneinander
hydraulisch abdichten.
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Wie
insbesondere die 3 zeigt, sind auf der Bodenseite
des Verriegelungskolbens 20 zwei Verriegelungsklauen 28 ausgebildet,
die in gleicher Weise wie die beiden radialen Mitnehmer 18 und 19 im
radialen Freiraum zwischen der Welle 17 und der Wand des
Gehäuses 10 liegen
und die beide gegenüberliegend
angeordnet sind. Die Form und die Abmessungen der beiden Verriegelungsklauen 28 sind in
besonderer Weise auf die Formen und Abmessungen der beiden radialen
Mitnehmer 18 und 19 abgestimmt. So haben die beiden
Verriegelungsklauen 28 eine Breite, die die beiden Freiräume zwischen
den beiden radialen Mitnehmern 18 und 19 spielfrei
ausfüllen
und eine Länge,
die in der einen Endstellung des Verstellkolbens 20 einen
Eingriff der Verriegelungsklauen 28 in den Bereich der
beiden radialen Mitnehmern 18, 19 ermöglichen.
Weiterhin ist der Verriegelungskolben 20 mit einer Hubbegrenzung ausgestattet,
die es verhindert, dass die beiden radialen Mitnehmer 18, 19 und
die beiden Verriegelungsklauen 28 in der anderen Endstellung
des Verstellkolbens 20 außer Eingriff geraten. In dieser
Endstellung besteht also weiterhin eine positive Längenüberdeckung
der radialen Mitnehmer 18, 19 und der Verriegelungsklauen 28 des
Verriegelungskolbens 20.
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Die
sich gegenüberliegenden
und miteinander kommunizierenden Berührungsflächen der beiden Mitnehmer 18, 19 und
der beiden Verriegelungsklauen 28 sind jeweils in gleicher
Weise mit Konusflächen 29 ausgeführt, sodass
sich in der der figürlich dargestellten
und verriegelten Endstellung des Verriegelungskolbens 20 eine
spielfreie Verbindung ergibt und sich in der geöffneten und axial begrenzten Endstellung
des Verriegelungskolbens 20 ein radialer Spielraum zwischen
den Verriegelungsklauen 28 und den radialen Mitnehmern 18, 19 einstellt.
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Gemäß der 2, 4 und 5 ist
die Welle 17 im Bereich der hydraulischen Dämpfungseinheit 9 mit
inneren, radial nach außen
gerichteten Drehflügeln 30 ausgestattet,
während
das zylindrische Gehäuse 10 entsprechende äußere, radial
nach innen gerichtete Drehflügel 31 besitzt.
Dabei sind die inneren Drehflügel 30 der
Welle 17 und die äußeren Drehflügel 31 des
zylindrischen Gehäuses 10 in
einer gleichen axialen Länge
ausgeführt
und in einer solchen Gestaltung ausgeführt, dass sie zwischen sich mindestens
zwei radiale Freiräume
ausbilden. Im Bereich dieser Freiräume sind die äußeren Drehflügel 31 und
die inneren Drehflügel 30 gegeneinander
frei drehbar, bis sie auf gegenseitigen Anschlag zu liegen kommen.
Die radialen Freiräume
zwischen den inneren Drehflügeln 30 und
dem äußeren Drehflügel 31 finden
durch den Boden 12 einerseits und dem Lager- und Dichtungselement 11 andererseits
einen axialen Abschluss, sodass sich die Freiräume zwischen den inneren Drehflügel 30 und
den äußeren Drehflügeln 31 als
jeweils zwei gegenüberliegende Druckräume 32 und
Saugräume 33 ausbilden.
Alle Druckräume 32 sind
durch einen nicht dargestellten ersten Druckausgleichskanal und
alle Saugräume 33 durch
einen nicht dargestellten zweiten Druckausgleichskanal miteinander
verbunden. Sowohl die Druckräume 32 als
auch die Saugräume 33 sind über einen
Druckölanschluss 34 und
einem Saugölanschluss 35 mit
einer hydraulischen Anlage verbunden, die Einrichtungen zu Versorgung
und zur Abführung
von Drucköl
und zur Steuerung und Regelung der Drücke in den Druckräumen 32 und
den Saugräumen 33 besitzt.
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Bei
normalen Fahrbahnverhältnissen,
wie sie z. B. im Straßenverkehr
auftreten, wird der Druckraum 22 drucklos gehalten, sodass
der Verriegelungskolben 20 nur von der Kraft der Druckfeder 23 belastet
wird. Dadurch verschiebt sich der Verriegelungskolben 20 in
Richtung der beiden radialen Mitnehmer 18, 19,
bis die Konusflächen 29 der
radialen Mitnehmer 18, 19 und die Konusflächen 29 der
Verriegelungsklauen 28 miteinander in Kontakt treten. Damit
ist die Kupplungseinheit 8 form- und kraftschlüssig verriegelt.
Mit dieser Verriegelung sind gleichzeitig die Drehbewegungen der
inneren Drehflügel 30 der
Welle 17 und die äußeren Drehflügel 31 des
zylindrischen Gehäuses 10 blockiert,
sodass die Funktion der hydraulischen Dämpfungseinheit 9 abgestellt
ist. Die so gekuppelten Stabilisatorteile 4, 5 verhalten
sich dann wie ein einteiliger Stabilisator. Dabei werden die von
den Rädern 1 ausgehenden Wankbewegungen
allein von der konzipierten Federrate der beiden Stabilisierungsteile 4 und 5 ausgeglichen.
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Bei
abnormalen Fahrbahnverhältnissen,
wie sie z. B. im Gelände
auftreten, wird der Druckraum 22 des Verriegelungskolbens 20 mit
einem erforderlichen Druck versorgt, der den Verriegelungskolben 20 entgegen
der Kraft der Druckfeder 23 in Richtung des Deckels 14 des
zylindrischen Gehäuses 10 verschiebt.
Diese Bewegung des Verriegelungskolbens 20 ist axial begrenzt,
sodass die Konusflächen 29 der radialen
Mitnehmer 18, 10 und die Konusflächen 29 der
Verriegelungsklauen 28 außer Eingriff geraten, aber
dennoch eine Längenüberdeckung
der radialen Mitnehmer 18, 19 einerseits und der
Verriegelungsklauen 28 andererseits bestehen bleibt. In
dieser Stellung sind die radialen Mitnehmer 18 und 19 und damit
die beiden Stabilisierungsteile 4 und 5 soweit begrenzt
zueinander drehbar, bis die Konusflächen 29 der radialen
Mitnehmer 18, 19 und der Verriegelungsklauen 28 einerseits
oder andererseits wieder in Kontakt treten. Sind die radialen Mitnehmer 18, 19 und
die Verriegelungsklauen für
eine der beiden Verdrehrichtungen in Kontakt, wirken beide Stabilisierungsteile 4, 5 in
dieser Verdrehrichtung wieder wie ein einteiliger Stabilisator,
der die Wankbewegungen der Räder 1 auf
Grund der konzipierten Federrate der Stabilisierungsteile 4, 5 in
der betreffenden Richtung wieder ausgleicht. Bei einer Richtungsänderung
der Verdrehung der Stabilisierungsteile 4 und 5 treten
die Konusflächen 29 der
radialen Mitnehmer 18, 19 und der Verriegelungsklauen 28 einerseits
außer
Kontakt, um sich andererseits einander anzunähern. Diese Verdrehbewegung
zwischen den beiden Kontaktstellungen findet gleichermaßen in der
hydraulischen Dämpfungseinheit 9 statt,
sodass sich die inneren Drehflügel 30 der
Welle 17 und die äußeren Drehflügel 31 des
zylindrischen Gehäuses 10 relativ
zueinander bewegen und dabei die Druckräume 32 in dem Maße verkleinern,
wie sich die Saugräume 33 vergrößern. Dieser
Verdrehbewegung wirken die Kräfte
entgegen, die sich aus dem herrschenden Druck in den Druckräumen 32 ergeben.
Damit wird die Verdrehbewegung über
diesen Verdrehwinkel in Abhängigkeit vom
herrschenden Druck in den Drückräumen 32 gedämpft, sodass
in diesem Verdrehbereich die von den Rädern 1 ausgehenden
Wankbewegungen mit einer durch eine Einstellung des hydraulischen
Druckes in den Druckräumen 32 vorbestimmten
Dämpferrate
abgefedert werden. Mit einer entsprechenden Wahl des Druckes kann
für diesen
Verdrehbereich in idealer Weise eine Dämpferrate erzeugt werden, die der
Federrate der beiden Stabilisierungsteile 4 und 5 entspricht.
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- 1
- Rad
- 2
- Achse
- 3
- Stabilisator
- 4
- Stabilisatorteil
- 5
- Stabilisatorteil
- 6
- Lagerstelle
- 7
- Aktuator
- 8
- schaltbare
Kupplungseinheit
- 9
- hydraulische
Dämpfungseinheit
- 10
- zylindrisches
Gehäuse
- 11
- Lager-
und Dichtelement
- 12
- Boden
- 13
- Lagerstelle
- 14
- Deckel
- 15
- Lagerbohrung
- 16
- Dichtelemente
- 17
- Welle
- 18
- radialer
Mitnehmer
- 19
- radialer
Mitnehmer
- 20
- Verriegelungskolben
- 21
- Druckfederraum
- 22
- Druckraum
- 23
- Druckfeder
- 24
- Leckölanschluss
- 25
- Druckölanschluss
- 26
- inneres
Dichtelement
- 27
- äußeres Dichtelement
- 28
- Verriegelungsklaue
- 29
- Konusfläche
- 30
- innerer
Drehflügel
- 31
- äußerer Drehflügel
- 32
- Druckraum
- 33
- Saugraum
- 34
- Druckölanschluss
- 35
- Saugölanschluss