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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Verdrängermaschine für
kompressible Medien gemäß einleitendem Teil des
Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Verdrängermaschinen
nach der Spiralbauart sind beispielsweise durch die
DE 2603462 A1 bekannt. Ein
nach diesem Prinzip aufgebauter Verdichter zeichnet sich durch nahezu
pulsationsfreie Förderung des beispielsweise aus Luft oder
einem Luft-Kraftstoff-Gemisch bestehenden gasförmigen Arbeitsmittels
aus und könnte daher unter anderem auch für Aufladezwecke
von Brennkraftmaschinen mit Vorteil herangezogen werden. Während
des Betriebes eines solchen Kompressors werden entlang der Verdrängerkammer
zwischen dem spiralförmig ausgebildeten Verdrängerkörper
und den beiden Umfangswänden mehrere, etwa sichelförmige
Arbeitsräume eingeschlossen, die sich von dem Einlass durch
die Verdrängerkammer hindurch zum Auslass hin bewegen,
wobei ihr Volumen ständig verringert und der Druck des
Arbeitsmittels dementsprechend erhöht wird.
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Eine
Maschine der eingangs genannten Art, bei der die Spiralen einen
gesamten Umschlingungswinkel von etwa 360° umspannen, ist
bekannt aus der
DE
3407939 C1 . Bei einer solchen Maschine wird der Verdrängerkörper,
dort Rotationskolben genannt, zur seiner Führung gegenüber
dem Gehäuse an seinem eintrittsseitigen Ende durch eine
Schwinge gehalten, deren Länge grösser ist als
die Länge der Antriebskurbel. Die die spiralförmigen
Leisten tragende Scheibe schliesst mit der äusseren Kontur
der nicht überlappten Leisten ab und die Kontur der Scheibe im überlappten
Bereich ist in der Form der Bewegungsbahn ausgebildet, die eine
Gehäusekante vorgibt, welche durch die notwendige Absenkung
der äusseren Zylinderwand der Förderraum an einer
Gehäusehälfte zur Aufnahme der Scheibe beim Einschwingen
des Verdrängerkörpers in diesem Bereich entstanden
ist. Zwischen der Gehäusekante und der Scheibe verbleibt
ein von der Stellung des Rotationskolbens abhängig variierender
Restspalt, der die Förderräume am Eintritt und
am Austritt der Spirale kurzschliesst. Bei einer Förderung
des kompressiblen Mediums von aussen nach innen bedeutet dies, dass durch
diesen Restspalt ein Rückfluss erfolgt. Dieser Restspalt
soll während eines halben Kurbelumlaufs gleich bleiben,
weshalb die Kontur der Scheibe eine angenäherte S-form
aufweist. Mit dieser Rotationskolbenmaschine sollen die Zahl und
die Länge der Druckverlust bewirkenden Spalte zwischen
der jeweiligen Druck- und Saug-kammer vermieden werden, was eine
Verminderung der Verlustleistung zur Folge hat. Dadurch, dass die
die spiralförmigen Leisten tragende Scheibe mit der äusseren
Kontur der nicht überlappten Leisten abschliesst, zeichnet
sich die Maschine durch ein geringes Bauvolumen und ein geringes
Gewicht aus.
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Eine
solche, mehr als 20 Jahre alte Maschine, welche vom Prinzip her
eine richtige Dichtung aufweist, wird den heutigen Anforderungen
nicht mehr gerecht, da zum einen ein Restspalt mit permanenter Verbindung
zwischen Druck- und Saugkammer grundsätzlich nicht mehr
zulässig ist und zum andern ein Restspalt, so klein er
auch sein möge, welcher lediglich über einen halben
Kurbelumlauf lang gleich bleibt, nicht ausreicht, um die erforderliche
Dichtheit zu gewährleisten.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die deshalb Aufgabe zugrunde, eine Maschine der
eingangs genannten Art zu schaffen, welche insbesondere auch im
niedrigen Drehzahlbereich einander benachbarte Förderräume,
in denen unterschiedliche Drücke herrschen, vollständig
gegeneinander abzudichten.
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Diese
Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Die
Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass sie sowohl bei
einer Verdrängermaschine mit Schwinge als Führungselement
für den Verdränger als auch mit Führungswelle
zur Führung des Verdrängers, wie sie beispielsweise
aus der
DE 3107231 A1 bekannt
ist, zur Anwendung kommen kann. Ferner ermöglicht die Erfindung
eine – in radialer Richtung betrachtet – nach
aussen freie Anordnung der Schwinge, wenn eine solche als Führungselement vorausgesetzt
wird. Besonders wirksam ist die Erfindung bei Anwendung in Maschinen
mit innerer Verdichtung, wie sie in der eingangs erwähnten
DE 2603462 A1 beschrieben
sind und in der ebenfalls obenerwähnten
DE 3107231 A1 zeichnerisch
dargestellt sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
schematisch dargestellt.
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Es
zeigt:
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1 einen
Läufer,
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2 eine
Ansicht eines Gehäuseteils mit erfindungsgemässer
Gestaltung der Gehäusekante,
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3 einen
Längsschnitt durch die Maschine,
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4 eine
Draufsicht auf das Gehäuseteil nach 2 mit eingelegtem
Läufer nach 1,
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5-6 Draufsichten
wie in 4, jedoch mit unterschiedlichen Winkelstellungen
des Exzentertriebes.
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Weg zur Ausführung
der Erfindung
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Zwecks
Erläuterung der Funktionsweise des Verdichters, welche
nicht Gegenstand der Erfindung ist, wird auf die bereits eingangs
genannte
DE 2603462
A1 verwiesen. Nachstehend wird nur der für das
Verständnis notwendige Maschinenaufbau und Prozessablauf
kurz beschrieben:
Mit
1 ist in der Zeichnung der Läufer
der Maschine insgesamt bezeichnet mit einem aus einer beidseitig axial
von einer Scheibe
2 senkrecht abstehenden Spiralleiste
3 gebildeteten
Verdrängerkörper. Gemäss
1 ist
die Spirale, d. h. die Leiste
3 aus mehreren aneinander
anschliessenden Kreisbögen gebildet und weist einen Umschlingungswinkel
von ca. 360° auf. Dabei ist das austrittsseitige Ende der
Spirale mit einer geringfügigen sogenannten inneren Verdichtung
ausgestattet, wie sie aus der eingangs genannten
DE 2603462 A1 bekannt ist.
Dies ist insofern erwähnenswert, als der durch die innere
Verdichtung bewirkte höhere Druck im Arbeitsraum eine einwandfreie
Dichtung zur Bedingung hat. Am Spiralenaustritt sind in der Scheibe
2 mehrere
Durchbrüche
6 vorgesehen, damit das Medium von
einer Scheibenseite zur anderen gelangen kann, beispielsweise um in
einem nur einseitig angeordneten zentralen Auslass
13 (
2)
abgezogen zu werden. Mit
4 ist die Nabe bezeichnet, mit
welcher die Scheibe
2 über einem Wälzlager
22 Lager
auf einer Exzenterscheibe
23 aufgezogen ist. Diese ist
ihrerseits Teil einer Antriebswelle
24. "e" bedeutet die
Exzentrizität zwischen der Achse
9 der Antriebswelle
24 und
der Achse
10 der Exzenterscheibe
23.
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Erkennbar
ist aus der Darstellung, dass die die spiralförmigen Leisten 3 tragende
Scheibe 2 auf dem überwiegenden Teil ihres Umfangs
mit der äusseren Kontur der Leisten 3 abschliesst.
Dieser Bereich gilt als der nicht überlappte Spiralenbereich
und ist massgebend für die Geringhaltung des Aussendurchmessers
der Maschine. Mit dem Winkelmass "OV" ist der überlappte
Bereich der Spirale bezeichnet. In jenem Bereich ragt die Scheibe 2 radial über die
Verdrängerkörper 3 hinaus. Mit 5 ist
in diesem Bereich "OV" ein radial ausserhalb der Leisten 3 angeordnetes
Auge bezeichnet für die Aufnahme eines nicht dargestellten
Führungslagers, welches auf einem Führungsbolzen 30 aufgezogen
ist. Die Kontur 20 der Scheibe 2 ist an der für
die gegenseitige Abdichtung der (später zu erläuternder)
Förderräume 11 vorgesehenen Stelle in
der Form der Bewegungsbahn der Scheibe ausgebildet. Im Beispielsfall
ist sie ellipsenförmig ausgebildet.
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In 2 ist
die Gehäusehälfte 7b des aus zwei Hälften
zusammengesetzten, über Befestigungsaugen 8 zur
Aufnahme von Verschraubungen miteinander verbundenen Maschinengehäuses
gezeigt. 11 bezeichnet den Förderraum, der nach
der Art eines spiralförmigen Schlitzes in beide Gehäusehälften
eingearbeitet ist. Er verläuft parallel von einem äusseren
Umfang der Spirale im Gehäuse angeordneten Einlass 12 zu
einem im Gehäuseinneren vorgesehenen Auslass 13.
Der Förderraum 11 weist im wesentlichen etwa parallele,
ungefähr in gleichbleibendem Abstand zueinander angeordnete
Zylinderwände 14, 15 auf, die wie die
Leisten 3 eine Spirale umfassen. In einem Ansaugraum 16,
welcher den Einlass 12 mit dem Förderraum 11 verbindet,
ist eine Achse 28 für die drehbare Lagerung eines
Teils der die Führungseinrichtung vorgesehen.
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Da
im Bereich "OV" die Scheibe 2 über die Verdrängerkörper 3 hinausragt,
muss sie mindestens eine Gehäusehälfte durchdringen.
Dies geschieht im vorliegenden Fall an der dargestellten Gehäusehälfte 7b.
Hierzu ist an geeigneter Stelle des Gehäuses – vorzugsweise
an einem Rande des überlappten Bereiches "OV" der Spirale – der
innere Steg 18 der Gehäusehälfte 7b gegenüber
dem äusseren Steg 17 um den Betrag der Scheibendicke
abgesenkt. Diese Massnahme weist unter anderm den Vorteil auf, dass in
der unteren Gehäusehälfte 7b nur am inneren
Steg ein Dichtstreifen (nicht dargestellt) anzuordnen ist, der bis
zum Auslass 13 hin den Förderraum 11 gegen den
Ansaugraum 16 abdichtet. Durch diese notwendige Absenkung
der äusseren Zylinderwand an mindestens einer Gehäusehälfte,
hier 7b, zur Aufnahme der Scheibe 2 beim Einschwingen
des Verdrängerkörpers in diesem Bereich entsteht
eine Gehäusekante 19.
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Aus
dem Längsschnitt gemäss 3, welcher
die zusammengesetzte Maschine darstellt, ist ersichtlich, dass die
Antriebswelle 24 in den beiden Gehäusehälften 7a und 7b mittels
nicht näher bezeichneten Wälzlagern gelagert ist.
Sie wird über eine Riemenscheibe 26 in Drehung
versetzt. Den Antrieb des Läufers 1 besorgt die
Antriebswelle 24 über die Exzenterscheibe 23.
Auf dieser Scheibe 23 sitzt das Lager 22, hier
als Wälzlager gezeigt, welches beidseitig über
Wellendichtringe 25 gegen den Gehäuseinenraum
abgedichtet ist. Ebenfalls beiseitig der Exzenterscheibe 23 sitzen
Gegengewichte 27 auf der Antriebswelle 24.
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Die
Führung des Läufers 1 wird durch die Führungseinrichtung 29 besorgt.
Je nach dem ob die Führungseinrichtung 29 aus
einer Schwinge oder aus einer mit der Antriebswelle synchron laufenden Führungswelle
(nicht dargestellt) besteht, führen alle Punkte auf dem
Verdrängerkörper 3 eine ellipsenähnliche
oder eine kreisförmige Verschiebebewegung aus. Im Beispielsfall
besteht die Führungseinrichtung 29 aus einer Schwinge 31,
deren eines Ende drehbar um die Achse 28 im Gehäuse
gelagert ist (2), während das andere
Ende über den Führungsbolzen 30 in das
Auge 5 des Läufers eingreift.
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Aus 4 ist
erkennbar, dass bei eingelegten Läufer 1 die Verdrängerkörper 3 zwischen
den Zylinderwänden 14 und 15 des Gehäuses 7 eingreifen.
Deren Krümmung ist so bemessen, dass die Leisten die innere 15 und
die äussere 14 Zylinderwand beispielsweise an
jeweils einer Stelle nahezu berühren. Während
des Betriebes gleiten die Verdrängerkörper 3 mit
linienförmigen Kontaktstellen zu den Zylinderwänden 14 und 15.
Infolge der mehrfachen abwech selnden Annäherung der Verdrängerkörper 3 an
die innere 15 resp. äussere Zylinderwand 14 des
Förderraumes 11 ergeben sich auf beiden Seiten
der Verdrängerkörper 3 sichelförmige,
das Arbeitsmedium einschließende Arbeitsräume,
die während des Antriebes der Läuferscheibe 2 durch
den Förderraum 11 in Richtung auf den zentralen
Auslass 13 verschoben werden. Hierbei verringern sich die Volumina
dieser Arbeitsräume und der Druck des Arbeitsmittels wird
entsprechend erhöht.
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Soweit
sind Verdrängermaschinen bekannt oder bei fachgemässer
Interpretation zumindest aus dem eingangs angeführten Stand
der Technik herleitbar, indes mit den eingangs erwähnten
Nachteilen. Damit während des Betriebes mit Sicherheit
einander benachbarte durchströmte Räume, in denen
unterschiedliche Drücke herrschen, vollständig
gegeneinander abgedichtet sind, werden nunmehr erfindungsgemäss
die in Wirkverbindung stehenden Elemente 19 und 20 aufeinander
abgestimmt. Hierbei wird im Folgenden der Begriff „kreisbogenähnlich"
verwendet, da es beim Absatz in der Scheibe, d. h. bei deren massgebender
Kontur, lediglich um deren Lage an der Peripherie der Scheibe geht
und nicht um die exakte Beschreibung ihrer geometrischer Gestalt.
Letztere wird nämlich durch die Art der eingesetzten Führungseinrichtung
bestimmt. So beschreiben beim Doppelwellen-Exzentertrieb alle Punkte
des Läufers einen Kreis, bei der Schwinge als Führungselement beschreibt
nur das Zentrum der Nabe des Läufers einen Kreis, die übrigen
Punkte beschreiben eine ellipsenähnliche Kurve. Wie in 4 gezeigt,
wird nachstehend eine Führungseinrichtung 29 mit
Schwinge 31 zugrunde gelegt. Bei dieser Lösung
ergibt sich die Möglichkeit, die in Wirkverbindung stehenden
Elemente 19 und 20 geometrisch zwischen die beiden Lagerpunkte
der Führungseinrichtung 29 anzuordnen. Dies wirkt
sich insofern vorteilhaft aus, als dadurch der überlappte
Bereich "OV" und damit das Gewicht des Läufers kleinstmöglich
gehalten werden kann. Ausserdem verkürzt sich sich die
Strömungsstrecke zwischen Einlass 12 und Ansaugraum 16.
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Die
Abstimmung der für die richtige Funktionsweise wesentlichen
Elemente geschieht nun folgendermassen: Die Gehäusekante 19,
welche den Übergang zwischen erhabenem ersten Teil 17 und abgesenktem
zweiten Teil 18 der äusseren Zylinderwand 14 bildet,
wird als knollenartige Verdickung ausgebildet. Deren Erstreckung
"D" in radialer Richtung sollte an der breitesten Stelle der Verdickung mindestens
so gross sein wie das Mass der Exzentrizität „e".
Im Beispielsfall ist die Verdickung als kreisförmiger Absatz
ausgebildet, wobei Erstreckung "D" in diesem Fall den Durchmesser
des Absatzes darstellt. Die Kontur 20 der Scheibe wird
danach in der Form ihrer Bewegungsbahn ausgebildet, je nach Geometrie
der Verdickung kreisbogenähnlich, hier ellypsenförmig.
Zugrundegelegt werden nun alle Betriebszustände, in denen
im äusseren sichelförmigen Arbeitsraum, der durch
die Leisten 3 und die äussere Zylinderwand 14 gebildet
wird, ein höherer Druck herrscht als im Ansaugraum 16 ausserhalb
des zweiten Teils 18 der äusseren Zylinderwand 14.
In diesen Perioden soll kein Rückströmen aus dem
sichelförmigen Arbeitsraum möglich sein. Hierzu
wird die Grösse dieser Kontur 20 so angepasst,
dass die Kontur während dieser Perioden mit dem kreisförmigen
Absatz der Gehäusekante 19 kooperiert. Und zwar
eine Kooperation zwecks Bildung einer sich über die Absatzhöhe
erstreckenden tatsächlichen Dichtlinie 21.
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Wie
die Gehäusekante 19 anlässlich des Maschinenbetriebes
zwecks Bildung einer Dichtlinie 21 mit der Aussparung 20 der
Scheibe zusammenwirkt, zeigen die 4 bis 6.
Die jeweilige Winkellage des Läufers ist am einfachsten
anhand der Stellung der Gegengewichte 27 zu erkennen.
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In
4 ist
die Lage des Läufers
1 eingetragen, bei welcher
der durch die Verdrängerkörper
3 und
die äussere Zylinderwand
14 gebildete sichelförmige äussere
Arbeitsraum vollständig eingeschlossen ist. Es ist zu erkennen,
dass die Dichtlinie
21 im Eingriff ist. Aus dieser Darstellung
ist auch ersichtlich, dass der Durchmesser "D" der Kante
19,
sofern sie kreisförmig ausgebildet ist, eine gewisse minimale Grösse
aufweisen muss, damit die Wirkverbindung funktionsfähig
ist. Die blosse Abrundung der abzubrechenden Gehäusewand,
wie sie aus der genannten
DE
3407939 C1 bekannt ist, führt nicht zum Erfolg.
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Bei
Verschiebung des Läufers 1 in Förderrichtung,
welche in 4 innerhalb des Gegengewichtes 27 durch
einen Pfeil angedeutet ist, wird dieser äussere sichelförmige
Arbeitsraum in seinem Volumen verkleinert und mit dem zentralen
Auslass 13 verbunden. Der Druck im Arbeitsraum steigt an;
die Abdichtung gegen den Ansaugraum 16 ist gegeben durch
das Abwälzen der kreisbogenförmigen/-ähnlichen
Aussparung 20 auf der Kante 19 unter steten Bildung
einer Dichtlinie 21.
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5 zeigt
die äusserste Winkellage, bei welcher noch eine Dichtung
stattfindet. Das Ausstossen des Arbeitsmittels aus dem äusseren
Arbeitsraum ist fast vollendet. Bereits wird auch Arbeitsmittel aus
dem inneren Arbeitsraum ausgestossen. Diese äusserste Dichtlinie
ist überaus wichtig, um zu vermeiden, dass verdichtetes
Arbeitsmittel vom Spiralenende her zurück in den Ansaugraum
strömt.
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Nach
alldem ist erkennbar, dass mit der vorliegenden Erfindung eine Dichtart
geschaffen wurde, die über einen Winkelbereich von ca.
250° zuversichtlich arbeitet.
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6 zeigt
den Bereich, in dem eine Dichtung unnötig, ja sogar unerwünscht
ist. Die Kontur 20 hat jetzt von der Kante 19 abgehoben;
es findet in diesem Bereich keine Dichtung statt. Zu diesem Zeitpunkt
wird Arbeitsmittel am Spiralenende aus dem inneren Arbeitsraum gegen
den Auslass 13 hin herausgefördert, und am Spiralenanfang
bereits wieder vom Einlass 12 her in den inneren Arbeitsraum
angesaugt. Der äussere Arbeitsraum ist am Spiralenende gegen
den Ansaugraum 16 und am Spiralenanfang gegen den Einlass 12 hin
offen, was seine Füllung erleichtert. Ein Rückströmen
von verdichtetem Arbeitsmittel aus dem inneren Arbeitsraum um das
Spiralenende herum in den Ansaugraum 16 ist nicht möglich,
da zu diesem Zeitpunkt im austrittsseitigen Bereich der Spirale
die Leiste 3 gegen die äussere Zylinderwand 14 dichtet.
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- 1
- Läufer
- 2
- Scheibe
- 3
- Leiste,
Verdrängerkörper
- 4
- Nabe
- 5
- Auge
- 6
- Durchbruch
in 2
- 7a,
7b
- Gehäusehälfte
- 8
- Befestigungsauge
- 9
- Achse
der Antriebswelle
- 10
- Achse
der Exzenterscheibe
- 11
- Förderraum
- 12
- Einlass
- 13
- Auslass
- 14
- äussere
Zylinderwand von 11
- 15
- innere
Zylinderwand von 11
- 16
- Ansaugraum
- 17
- erhabener
erster Teil von 7b
- 18
- abgesenkter
zweiter Teil von 7b
- 19
- Gehäusekante,
knollenartige Verdickung, kreisrunder Absatz
- 20
- kreisbogenförmige
Aussparung
- 21
- Dichtlinie
- 22
- Wälzlager
- 23
- Exzenterscheibe
- 24
- Antriebswelle
- 25
- Wellendichtring
- 26
- Riemenscheibe
- 27
- Gegengewicht
- 28
- Achse
- 29
- Führungseinrichtung
- 30
- Führungsbolzen
von 29
- 31
- Schwinge
- "e"
- Exzentrizität
- "D"
- Durchmesser
der Gehäusekante 19
- "OV"
- überlappter
Bereich der Spirale
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 2603462
A1 [0002, 0007, 0015, 0015]
- - DE 3407939 C1 [0003, 0025]
- - DE 3107231 A1 [0007, 0007]