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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Drehventil, insbesondere für einen
hydraulischen Schalter. Hydraulische Schalter ermöglichen
es, einen Hydraulikkanal zu verbinden oder zu unterbrechen, um somit
hydraulische Baugruppen, wie z. B. Hydraulikzylinder, zu aktivieren
oder zu deaktivieren. Hydraulikschalter werden unter anderem in
der Mobilhydraulik eingesetzt, z. B. um einen Verriegelungsmechanismus
zu steuern.
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Hintergrund der Erfindung
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Aus
der
EP 1 645 788 A2 ist
ein derartiger hydraulischer Schalter bekannt, der zum Aktivieren bzw.
Deaktivieren einer Verriegelung einer Schnellkupplung für
Werkzeuge eingesetzt wird, um sicherzustellen, dass die Schnellkupplung
nur in bestimmten Betriebszuständen öffnen kann.
Der hydrauli sche Schalter der
EP 1 645 788 A2 weist dazu ein in einem Schaltergehäuse
gelagertes Drehventil auf, das je nach Drehposition einen Hydraulikkanal
in dem Schaltergehäuse unterbricht oder schließt,
so dass der Schalter zwischen einem ersten und einem zweiten Betriebszustand
wechseln kann. Hierfür muss das Drehventil einen Hydraulikkanal
aufweisen, der derart angeordnet ist, dass dieser in einer bestimmten
Drehposition des Drehventils den Hydraulikkanal des Schaltergehäuses
verbindet. Das Auslösen dieses Schalters soll durch ein
bewegliches Element erfolgen, das derart mit zwei an einem der Enden
des Drehventils angebrachten Armen zusammenwirkt, dass sich das
Drehventil drehen kann.
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Ein
Drehventil, vorgesehen für den Einsatz in einem Kolbenkompressor,
ist aus der
DE 43 33
143 A1 bekannt, wobei die das Drehventil umfassende Welle
durch Radialrollenlager und Axialrollenlager drehbar gelagert ist.
Nachteilig ist, dass die Rollen der Rollenlager eine relativ große
Kontaktfläche mit den Laufbahnen bilden, wodurch eine große
bei Drehbeginn zu überwindende Haftreibung und somit ein
großes Losbrechmoment vorliegt. Weiterhin wird ein großer
axialer Bauraum benötigt.
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Aufgabe der Erfindung
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Drehventil, insbesondere
für einen hydraulischen Schalter wie aus der
EP 1 645 788 A2 bekannt,
bereitzustellen, wobei sich dieses dadurch auszeichnen soll, dass
es einfach und kostengünstig herzustellen ist, einen geringen
axialen Bauraum benötigt und ein geringes Losbrechmoment
aufweist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch ein Drehventil mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Dementsprechend
soll das Drehventil ein Ventilgehäuse sowie eine Schaltwelle
aufweisen, die durch zumindest zwei axial beabstandete Kugellager in
dem Ventilgehäuse drehbar gelagert ist, wobei durch jedes
Kugellager Radialkräfte übertragen werden können
und durch zumindest ein Kugellager Axialkräfte in mindestens
einer Axialrichtung übertragen werden können und
wobei die Schaltwelle in einer ersten Position einen Hydraulikkanal
des Ventilgehäuses durch einen Hydraulikkanal der Schaltwelle verbindet,
und die Schaltwelle in einer zweiten, zur ersten verdrehten Position,
den Hydraulikkanal des Ventilgehäuses nicht verbindet.
Selbstverständlich können auch mehrere Hydraulikkanäle
des Ventilgehäuses durch entsprechende Hydraulikkanäle
der Schaltwelle verbunden bzw. nicht verbunden werden.
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Die
erfindungsgemäße Lagerung weist ein sehr geringes
Losbrechmoment auf, da ausschließlich Kugellager eingesetzt
werden. Das geringe Losbrechmoment beruht auf der geringen Kontaktfläche der
Kugeln mit den Laufbahnen, wodurch nur eine geringe bei Drehbeginn
zu überwindende Haftreibung entsteht. Dieser Vorteil kommt
insbesondere für die Anwendung des Drehventils in hydraulischen Schaltern
der eingangs beschriebenen Art, als Verriegelung einer Schnellkupplung,
zum Tragen. Er wird jedoch durch die im Vergleich zu Rollenlagern
einerseits geringere Tragfähigkeit und andererseits geringere
Steifigkeit der Lagerandordnung erkauft, wodurch die Gefahr von
Verkippungen größer ist. Es zeigte sich jedoch,
dass diese mit dem Einsatz von Kugellagern einhergehenden Nachteile
in Kauf genommen werden können, da sich die erfindungsgemäß erzielbare
leichtgängigere Lagerung überraschenderweise als äußert
stark ausgeprägt und entscheidend erwies.
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Weiterhin
zeigte sich, dass Kugellager die in der Praxis auftretenden Axialkräfte
in derartigen Drehventilen für Hydraulikschalter komplett
aufnehmen können, so dass auf separate Lagerstellen ausschließlich
für Axialkräfte verzichtet werden kann. Gegenüber
den aus dem Stand der Technik bekannten Lagerungen zur Aufnahme
von Axial- und Radialkräften weist die erfin dungsgemäße
Lösung somit eine erhebliche Reduzierung des benötigten
axialen Bauraums auf.
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Schließlich
sind Kugellager im Vergleich zu Rollenlagern hinsichtlich Kosten
und Gewicht zu bevorzugen.
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Gemäß einer
Ausführungsform können durch beide Kugellager
zusammen Axialkräfte in beiden Axialrichtungen übertragen
werden. Wiederum können diese Axialkräfte entweder
komplett also ausschließlich über ein Kugellager
oder über beide Kugellager übertragen werden.
Hierbei ist insbesondere eine Aufteilung der zu übertragenden
Axialkräfte je nach Axialrichtung auf die beiden Kugellager denkbar.
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Gemäß einer
Ausführungsform rollen Kugeln zumindest eines Kugellagers
direkt auf dem Ventilgehäuse ab. Gemäß einer
Ausführungsform rollen Kugeln zumindest eines Kugellagers
direkt auf der Schaltwelle ab. Dementsprechend dient das Ventilgehäuse
direkt als Außenring bzw. die Schaltwelle direkt als Innenring
der jeweiligen Kugellager. Auf dem Ventilgehäuse bzw. der
Schaltwelle befinden sich hierfür vorzugsweise Wälzkörperlaufbahnen
in Form von Kugelrillen. Gegebenenfalls können diese bzw. ein
eine Wälzkörperlaufbahn umfassender Bereich an
dem Ventilgehäuse bzw. an der Schaltwelle oberflächenbehandelt
sein. Beispielsweise kann durch eine Wärmebehandlung wie
Induktivhärten die Lebensdauer der Lagerung erhöht
werden oder durch Beschichtungen die Reibung reduziert werden. Selbstverständlich
kann alternativ oder zusätzlich auch ein größerer
Bereich oder das gesamte Ventilgehäuse bzw. die gesamte
Schaltwelle oberflächenbehandelt sein. Der benötigte
Bauraum in radialer Richtung ist durch diese Ausführungsformen äußerst gering,
da auf einen separaten Außenring bzw. Innenring verzichtet
werden kann. Es ergibt sich dadurch eine äußerst
kompakte Lagerung, die dennoch optimal geeignet ist, alle auf die
Schaltwelle wirkenden Kräfte in das Ventilgehäuse
zu leiten. Vorteilhaft ist auch der einfacherer Aufbau mit weniger
Einzelteilen für die Lagerung.
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Gemäß einer
Ausführungsform verbindet zumindest eine Überdruckentlastungsleitung,
einen axial außen liegenden Hohlraum neben zumindest einem
Kugellager mit einem Entlastungshohlraum, insbesondere mit im Wesentlichen
atmosphärischen Druck. Der axial außen liegende
Hohlraum eines Kugellagers entspricht dem Hohlraum axial direkt
neben dem Kugellager, der dem jeweils anderen Kugellager axial abgewandt
ist. Die Überdruckentlastungsleitung stellt somit sicher,
dass in einem axial außen liegenden Hohlraum kein übermäßiger
Druck gebildet werden kann. Es zeigte sich, dass bei den erfindungsgemäßen
Drehventilen, trotz entsprechender Dichtungen, Hydraulikflüssigkeit
radial zwischen der Schaltwelle und dem Ventilgehäuse sowie
axial zwischen den Kugellagern austreten und axial in beiden Richtungen
durch die Kugellager hindurch nach außen treten kann. Das
in den axial außen liegenden Hohlraum neben einem Kugellager
derart angesammelte Hydrauliköl baut einen Druck in axialer
Richtung auf das jeweilige Schaltwellenende auf, wodurch sich die Axialkräfte
erhöhen. Letztendlich hat dies auch negative Auswirkungen
auf die Leichtgängigkeit der Lagerungen. Die Überdruckentlastungsleitung
verhindert dies auf einfache Weise, indem ein Rücklauf
dieses Lecköls in z. B. den Hydrauliktank ermöglicht
wird. Die Güte und Anzahl von Dichtungen zwischen Schaltwelle
und Ventilgehäuse ist somit weniger kritisch. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform verläuft die Überdruckentlastungsleitung
durch die Schaltwelle und/oder durch das Ventilgehäuse.
Dabei kann die Überdruckentlastungsleitung entweder vollständig
oder teilweise durch die Schaltwelle und/oder durch das Ventilgehäuse
geführt werden. Eine derartige Leitungsführung
bietet sich an, da durch diese Bauteile bereits Hydraulikleitungen
verlaufen. Denkbar ist auch, Überdruckentlastungsleitungen
von beiden axial außen liegenden Hohlräumen zu
verbinden und diese gemeinsame Leitung zu einem Entlastungshohlraum
mit im Wesentlichen atmosphärischen Druck zu führen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform
wird die Überdruckentlastungsleitung durch eine Bohrung
gebildet. Diese stellt eine kostengünstige Möglichkeit
dar, die Überdruckentlastungsleitung durch Schaltwelle
und/oder Ventilgehäuse zu führen. Denkbar ist
auch eine Schlauchleitung, Rohrleitung oder ähnliches bzw.
Kombina tionen davon zu verwenden. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform ist der Entlastungshohlraum ein Hydraulikreservoir.
Dieses kann z. B. ein speziell dafür vorgesehener Lecköltank
sein, oder aber auch ein bereits vorhandener Hydrauliktank.
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Gemäß einer
Ausführungsform ist mindestens ein Kugellager ein Schrägkugellager.
Vorzugsweise sind beide Kugellager Schrägkugellager. Schrägkugellager
können jeweils Radialkräfte sowie Axialkräfte
in einer Richtung aufnehmen, wobei die Größe der
aufzunehmenden Axialkräfte von dem Druckwinkel abhängt.
Dabei können mit einem Druckwinkel von z. B. 40 Grad hohe
Axialkräfte aufgenommen werden. Indem die Drucklinien beider Schrägkugellager
in unterschiedliche Richtungen zeigen, können beide Schrägkugellager
zusammen Axialkräfte in beiden Axialrichtungen aufnehmen. Zwei
angestellte Schrägkugellager ermöglichen eine sehr
genaue Lagerung des Drehventils. Leckölflüsse zwischen
Drehventil und Ventilgehäuse werden somit reduziert und
die Schaltvorgänge werden präziser, d. h. es ergibt
sich eine hohe Sensibilität des hydraulischen Schalters.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die
Schrägkugellager eine größere Schmiegung
auf als Standardschrägkugellager. Standardschrägkugellager
sind in
DIN 628 festgelegt. Durch die größere
Schmiegung wird erreicht, dass die Leichtgängigkeit der
Lagerung erhöht wird. Insbesondere bei Anwendungen als
hydraulischer Schalter zur Verriegelung einer Schnellkupplung, wie in
EP 1 645 788 A2 beschrieben,
ist eine große Leichtgängigkeit erforderlich.
Dadurch wird eine höhere Sensibilität und damit
ein größerer Anwendungsbereich ermöglicht.
Prinzipiell kann die größere Schmiegung dabei
am Innenring und/oder am Ventilgehäuse vorliegen. Durch
eine entsprechende Wahl kann auch eine gleiche Flächenpressung
an Innen- und Außenring erreicht werden, was zu einer gleichmäßigeren
Abnutzung des Schrägkugellagers führt. Gemäß einer
Ausführungsform rollen Kugeln beider Schrägkugellager
zwischen dem Ventilgehäuse und zwei auf der Schaltwelle
befindlichen Innenringen ab. Die Innenringe sind dabei bevorzugt
Standardinnenringe und können beispielsweise durch einen
Zwischenring oder durch eine oder zwei radial hervorste hende Schulter(n)
der Schaltwelle axial voneinander beabstandet werden. Der oder die
Innenringe können auf der Schaltwelle axial verschiebbar
angeordnet sein, um das Lagerspiel einzustellen und durch weitere
Elemente und/oder durch eine entsprechende Passung fixiert werden.
Das Auftreten von Passungsrost kann durch entsprechende Beschichtungen
verhindert werden. Insbesondere kann der Innenring auf der Schaltwelle
verstemmt werden. Diese Ausführungsform stellt eine äußerst
kompakte und konstruktiv einfache Lösung dar. Denkbar ist auch,
einen oder beide Innenringe von der axial außen liegenden
Seite durch eine Feder, z. B. eine Wellenfelder, gegen die sich
am Außenring bzw. dem Ventilgehäuse abstützenden
Wälzkörper zu drücken. Die Feder wiederum
kann sich axial an einem auf der Schaltwelle befindlichen Sicherungsring
abstützen. Die Federn erzeugen somit ein Vorspannung in
axialer Richtung.
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Gemäß einer
Ausführungsform ist ein Kugellager ein Radial-Rillenkugellager
und ein Kugellager ein Vierpunktlager. Somit können zwar
beide Kugellager Radialkräfte übertragen, Axialkräfte
werden jedoch nur durch das Vierpunktlager übertragen.
Das Vierpunktlager übertragt dabei Axialkräfte
in beiden Axialrichtungen. Durch den geteilten Innen- oder Außenring
und die dadurch mögliche große Anzahl von Wälzkörpern,
weisen Vierpunktlager eine hohe Tragfähigkeit auf. Dies
und der Druckwinkel von 35 Grad erlauben das Übertragen
von großen Axialkräften. Die Nachteile des erfindungsgemäßen
Verzichts auf Rollenlager sind somit weniger gravierend.
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Gemäß einer
Ausführungsform ist zumindest ein Kugellager ein Radial-Rillenkugellager,
das eine Lagerluft C3 oder größer nach DIN
620 aufweist und axial vorgespannt ist. Dieses zumindest
eine Kugellager weist somit eine größere Lagerluft
auf, als dies in der Regel der Fall ist. Die größere
Lagerluft ermöglicht ein axiales Vorspannen, indem Innen-
und Außenring zueinander axial verschoben werden. Dies ermöglicht,
dass dieses zumindest eine Kugellager auch Axialkräfte
in einer Richtung übertragen kann. Axialkräfte
in die andere Richtung, können ebenfalls durch ein Radial-Rillenkugellager, das
eine Lagerluft C3 oder größer nach DIN
620 aufweist und axial vorgespannt ist, übertragen
werden, indem dieses in die andere Axialrichtung axial vorgespannt
wird. Alternativ kann hierfür auch z. B. ein Schrägkugellager
verwendet werden. Der Einsatz von Rillenkugellagern, die eine entsprechend
große Lagerluft aufweisen und axial vorgespannt sind, stellt
eine äußerst kostengünstige Möglichkeit
dar, um Axialkräfte aufzunehmen.
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Gemäß einer
Ausführungsform können beide Kugellager Axialkräfte übertragen
und weisen eine X-Anordnung auf. Gemäß einer Ausführungsform
können beide Kugellager Axialkräfte übertragen und
weisen eine O-Anordnung auf.
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Gemäß einer
Ausführungsform wird der Hydraulikkanal der Schaltwelle
wenigstens teilweise durch eine oder mehrere Bohrungen in der Schaltwelle
gebildet. Beispielsweise kann der Hydraulikkanal der Schaltwelle
komplett durch eine Durchgangsbohrung gebildet werden. Gemäß einer
Ausführungsform wird der Hydraulikkanal der Schaltwelle wenigstens
teilweise durch eine auf der Oberfläche der Schaltwelle
verlaufende Nut gebildet. So kann diese Nut derart auf der Oberfläche
der Schaltwelle verlaufen, dass dadurch der Hydraulikkanal des Ventilgehäuses
in der ersten Position der Schaltwelle direkt durch die Nut verbunden
wird. Denkbar ist auch eine Kombination einer Nut mit einer oder
mehrerer Bohrungen.
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Gemäß einer
Ausführungsform sind Öffnungen des Hydraulikkanals
des Ventilgehäuses und Öffnungen des Hydraulikkanals
der Schaltwelle, die sich in der ersten Position der Schaltwelle
gegenüberliegen, axial zwischen den Kugellagern angeordnet.
Der Abstand, um den die Kugellager axial beabstandet sind, umfasst
somit zumindest den für die Öffnungen axial benötigten
Bereich.
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Gemäß einer
Ausführungsform umfasst das Ventilgehäuse eine
Kammer, in der sich ein Betätigungselement befindet, das
zumindest zwei Lagen einnehmen kann, und wobei die Schaltwelle mit
zwei Armen zusammenwirkt, die das Betätigungselement derart
umgreifen, dass das Betätigungselement je nach dem, welche
der zwei Lagen es einnimmt, auf einen der zwei Arme trifft, wodurch
die Schaltwelle in die erste oder in die zweite Position bewegt
werden kann. Dementsprechend wirkt das erfindungsgemäße
Drehventil mit weiteren Elementen zusammen, um einen hydraulischen
Schalter wie er in der
EP
1 645 788 A2 beschrieben ist, darzustellen, wobei hiermit
auf den Inhalt der
EP
1 645 788 A2 explizit Bezug genommen wird. So kann das
Betätigungselement z. B. eine Kugel darstellen, die aufgrund
der Schwerkraft und der Neigung des Schalters die Schaltwelle derart
verdreht, dass ein gewünschter Schaltzustand resultiert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im
Folgenden anhand der beigefügten Figur beschrieben, hierbei
zeigt:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen
Drehventils.
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Detaillierte Beschreibung
der Zeichnung
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1 zeigt
schematisch ein erfindungsgemäßes Drehventil 1,
umfassend ein Ventilgehäuse 2 mit einer Bohrung 3.
In der Bohrung befindet sich eine Schaltwelle 4, die mittels
zweier Schrägkugellager 5a und 5b drehbar
gelagert ist. Die Kugeln 6 der Schrägkugellager 5a und 5b laufen
auf Wälzkörperlaufbahnen 7a und 7b ab,
die sich direkt auf der Oberfläche 8 der Bohrung 3 befinden.
Die Schrägkugellager 5a und 5b weisen
eine O- Anordnung auf, d. h. die von den Drucklinien gebildeten Kegel
weisen mit ihren Spitzen axial nach außen. Die Kugeln werden
weiterhin durch auf der Schaltwelle 4 angeordnete Innenringe 9 geführt.
Jeder Innenring 9 stützt sich axial an einer radial
hervorstehenden Schulter 10 der Schaltwelle 4 ab.
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Das
Ventilgehäuse 2 weist zwei Hydraulikkanäle 11 auf,
die durch die Bohrung 3 unterbrochen werden, wodurch sich Öffnungen 12 auf
der Bohrungsoberfläche bilden. Je nach Drehung der Schaltwelle 4 in
der Bohrung 3 liegen sich diese Öffnungen 12 mit Öffnungen 13 auf
der Oberfläche der Schaltwelle 4 von zwei Hydraulikkanälen 14 der
Schaltwelle 4 gegenüber, wodurch die Hydraulikkanäle 11 des Ventilgehäuses 2 durch
die Hydraulikkanäle 14 der Schaltwelle 4 verbunden
werden. Im vorliegenden Beispiel weist die Schaltwelle 4 zwei
parallele Durchgangsbohrungen als Hydraulikkanäle 14 auf.
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Das
Ventilgehäuse 2 weist ferner eine Überdruckentlastungsleitung 15 in
Form einer Bohrung auf, die den axial außen liegenden Bereich
des linken Schrägkugellagers 5a mit einem Bereich
mit atmosphärischen Druck verbindet.
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Vorzugsweise
sind die zwei Schrägkugellager hierbei mit einem Abstand
von 5 mm bis 100 mm gemessen von Kugelmittelpunkt zu Kugelmittelpunkt axial
voneinander beabstandet. Weiter vorzugsweise sind die zwei Schrägkugellager
mit einem Abstand von 25 mm gemessen von Kugelmittelpunkt zu Kugelmittelpunkt
axial voneinander beabstandet. Diese Angaben gelten jeweils für
Schrägkugellager mit einem Teilkreis von 15 mm. Es zeigte
sich dass dieser Abstand einerseits ausreichenden Platz zwischen den
Lagerstellen lässt, um den zumindest einen Hydraulikkanal
des Ventilgehäuses und der Schaltwelle durchzuführen,
d. h. die Öffnungen in der Bohrung und auf der Schaltwelle
anzuordnen. Andererseits lässt sich dennoch ein kompakter
Aufbau der Lagerung erzielen.
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- 1
- Drehventil
- 2
- Ventilgehäuse
- 3
- Bohrung
- 4
- Schaltwelle
- 5a,
5b
- Schrägkugellager
- 6
- Kugeln
- 7a,
7b
- Wälzkörperlaufbahnen
- 8
- Bohrungsoberfläche
- 9
- Innenring
- 10
- Schulter
- 11
- Hydraulikkanäle
des Ventilgehäuses
- 12
- Öffnungen
auf der Bohrungsoberfläche
- 13
- Öffnungen
auf der Schaltwellenoberfläche
- 14
- Hydraulikkanäle
der Schaltwelle
- 15
- Überdruckentlastungsleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1645788
A2 [0002, 0002, 0004, 0013, 0019, 0019]
- - DE 4333143 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - DIN 628 [0013]
- - DIN 620 [0015]
- - DIN 620 [0015]