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Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine, insbesondere einen Generator eines Dieselgeneratorsatzes. Die Erfindung kommt besonders vorteilhaft bei dieselelektrischen Schienenfahrzeugen zum Einsatz. Generell ist eine vorteilhafte Umsetzung des erfinderischen Gedankens aber überall dort denkbar, wo dynamoelektrische Maschinen auch im Stillstand mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.
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Beispielsweise werden bei einem dieselelektrischen Fahrzeug mit mehr als einem Dieselgeneratorsatz aus Gründen der Kraftstoffeinsparung im Teillastbereich ein oder mehrere Dieselgeneratorsätze stillgesetzt. Ein Dieselgeneratorsatz besteht im Allgemeinen aus einem Verbrennungsmotor, speziell einem Dieselmotor, der eine elektrische Maschine antreibt, die im Generatorbetrieb arbeitet und somit elektrische Energie zum Antrieb der Fahrmotoren und zur Versorgung des Bordstromnetzes zur Verfügung stellt.
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In dem oben beschriebenen Teillastbereich sind die stehenden Generatoren den Schwingungsanregungen aus Fahrzeugdynamik, beispielsweise bedingt durch Gleislagefehler bei Schienenfahrzeugen, und laufenden Dieselmaschinen ausgesetzt. Diese Schwingungsanregungen bewirken eine Relativbewegung zwischen dem Ständer der dynamoelektrischen Maschine und ihrem Läufer. Je nach Grad dieser Relativbewegung kann die Schwingungsanregung die Laufbahnen und Wälzkörper der Lager beschädigen, die zur Lagerung der Rotorwelle verwendet werden.
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Aus der
DE 10 2006 045 231 A1 ist eine dynamoelektrische Maschine mit einem Stator, einem Rotor mit einer Welle und einer Blockiereinrichtung zum Blockieren des Rotors gegenüber dem Statur bekannt. Die Blockiereinrichtung ist derart gestaltet, dass sie in einem unblockierten Zustand ein Rotieren des Rotors zumindest in einer ersten Drehrichtung zulässt und in einem blockierten Zustand ein Rotieren des Rotors sowohl in als auch entgegen der ersten Drehrichtung remanent blockiert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verschleißerzeugende Belastungen stillstehender dynamoelektrischer Maschinen möglichst effektiv zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird durch eine dynamoelektrische Maschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 14 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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Die erfindungsgemäße dynamoelektrische Maschine umfasst eine Blockiereinrichtung, die eine drehrichtungsahängige Charakteristik aufweist. In der ersten Drehrichtung des Rotors lasst die Blockiereinrichtung ein freies Rotieren des Rotors zu. Die dynamoelektrische Maschine wird vorzugsweise in einem Normalbetriebszustand stets mit der ersten Drehrichtung betrieben. Vorzugsweise ist die Blockiereinrichtung überhaupt nicht in der Lage, den Rotor während eines Rotierens in der ersten Drehrichtung abzubremsen bzw. zu blockieren. Hierdurch wird vermieden, dass während des normalen Betriebs der dynamoelektrischen Maschine ein unerwunschter Blockierzustand durch die Blockiereinrichtung hervorgerufen wird. Fur ein Abbremsen aus dem Normalbetrieb ist die erfindungsgemaße Blockiereinrichtung vorzugsweise nicht vorgesehen. Dadurch, dass die Blockiereinrichtung hierfür insbesondere auch gar nicht geeignet ist, kann sehr effektiv auch ein unerwunschtes Bremsen vermieden werden.
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Hingegen ist die Blockiereinrichtung in der Lage, den Rotor in der zweiten Drehrichtung, die der ersten Drehrichtung entgegengesetzt gerichtet ist, zu blockieren. Nach der Drehrichtungsumkehr von der ersten Drehrichtung in die zweite Drehrichtung ermöglicht die Blockiereinrichtung ein remanentes Blockieren des Rotors. Remanent bedeutet in diesem Zusammenhang, dass dem System zur Aufrechterhaltung des Blockierzustandes keine weitere Energie mehr zugeführt werden muss, sobald der Blockierzustand einmal erreicht wurde.
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Die Blockade kann jedoch erfindungsgemäß durch eine weitere Drehmomentumkehr zurück in die erste Drehrichtung wieder aufgehoben werden. Hierzu muss ein durch die Konstruktion der Blockiereinrichtung vorbestimmbarer Schwellwert für ein auf die Welle wirkendes Drehmoment überschritten werden. Sobald dies geschehen ist, löst die Blockade und die dynamoelektrische Maschine bzw. deren Rotor kann wieder frei in der ersten Drehrichtung, die vorzugsweise der Drehrichtung der Maschine im Normalbetrieb entspricht, rotieren.
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Dadurch, dass die Blockade automatisch durch die weitere Drehmomentumkehr und damit durch die Rückkehr der dynamoelektrischen Maschine in den Normalbetrieb aufgehoben wird, wird ein fehlersicheres Verhalten ermöglicht. Die Blockiereinrichtung ist derart gestaltet, dass sie auf den Normalbetrieb der dynamoelektrischen Maschine – sprich dem Betrieb in erster Drehrichtung – keinen Einfluss nehmen kann.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen dynamoelektrischen Maschine weist die Steuereinrichtung einen Umrichter auf. Wenn die dynamoelektrische Maschine normalerweise als Generator während des Betriebs in erster Drehrichtung betrieben wird, ist dieser Umrichter vorzugsweise als Pulsgleichrichter ausgebildet, der einen bidirektionalen Energiefluss zulässt. Auf diese Weise kann der Pulsgleichrichter die dynamoelektrische Maschine auch motorisch betreiben und somit ein in der zweiten Drehrichtung orientiertes Drehmoment erzeugen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Blockiereinrichtung derart ausgebildet, dass die Blockade durch eine reibschlüssige Kopplung des Rotors gegenüber dem Stator erfolgt. Das Mindestdrehmoment richtet sich bei einer derartigen Ausfuhrungsform an der Haftreibung, die bei der weiteren Drehrichtungsumkehr durch die dynamoelektrische Maschine überwunden werden muss, um die Blockade aufzuheben.
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Zur Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Blockiereinrichtung sind verschiedene, insbesondere mechanische, Lösungen denkbar.
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So kennzeichnet sich eine vorteilhafte Ausfuhrungsform der Erfindung dadurch, dass die Blockiereinrichtung als Freilauf ausgebildet ist und derart mit der Welle und dem Stator der dynamoelektrischen Maschine gekoppelt ist, dass der Rotor in der ersten Drehrichtung im Freilaufbetrieb ist und in der zweiten Drehrichtung ein Drehmoment auf den Stator überträgt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Freilauf als Klemmrollenfreilauf ausgebildet, wobei der Stern des Klemmrollenfreilaufs drehfest mit der Welle und der Außenring drehfest mit dem Stator gekoppelt ist oder umgekehrt. Bei der von der Steuereinrichtung eingeleiteten Drehrichtungsumkehr klemmt der Freilauf über Rollen die Welle der dynamoelektrischen Maschine. Dies hat eine axial reibschlüssige und radial formschlussige Blockierung uber den Freilauf zur Folge.
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Nach der weiteren Drehrichtungsumkehr löst sich der Freilauf und wird insbesondere uber Rückholfedern in die Ausgangslage zuruckgeschoben. Die weitere Drehrichtungsumkehr löst somit die Blockade selbständig auf, was wiederum einen fehlersicheren Betrieb gewährleistet.
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Eine zu dem zuvor beschriebenen Freilauf alternative Ausgestaltung der Blockiereinrichtung kennzeichnet sich dadurch, dass diese ein mit der Welle drehfest gekoppeltes erstes Gewinde und ein mit dem Stator drehfest gekoppeltes zweites Gewinde umfasst, wobei die Gewinde ineinander verschraubbar sind und ihre Drehrichtung der zweiten Drehrichtung entspricht. Der Blockadezustand kennzeichnet sich bei einer derartigen Ausfuhrungsform dadurch, dass die Gewinde ineinander verschraubt sind. Die zweite Drehrichtung des Rotors ist so gerichtet, dass sie ein ineinander Verschrauben der Gewinde bewirkt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind das erste und zweite Gewinde während eines frei rotierenden Betriebes in der ersten Drehrichtung voneinander beabstandet, wobei die Blockiereinrichtung erste Mittel zum Zusammenfuhren der Gewinde bei der Drehrichtungsumkehr aufweist. Befindet sich die dynamoelektrische Maschine in der ersten Drehrichtung, die insbesondere als Normalbetriebsdrehrichtung anzusehen ist, sind die gewindetragenden Elemente voneinander beabstandet, so dass hier auch keinerlei Reibung innerhalb der Blockiereinrichtung entstehen kann. Erst nach der zwecks Blockierung eingeleiteten Drehrichtungsumkehr werden die beiden Gewinde zusammengeführt, so dass diese sich bedingt durch die nun vorherrschende zweite Drehrichtung ineinander ziehen. Das rotierende Gewinde wird in das stationare Gewinde eingeschraubt, so dass eine reibschlüssige Blockierung über die gespannten gewindetragenden Elemente der Blockiereinrichtung erfolgt. Die Mittel zum Zusammenfuhren der Gewinde können sodann inaktiv bleiben, da der Blockierzustand automatisch durch die gespannten Gewinde aufrechterhalten wird.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weisen die ersten Mittel eine Druckluftzufuhr auf, wobei die gewindetragenden Elemente mittels Druckluft zusammenführbar sind. Nachdem die Gewinde einmal ineinander greifen, kann die Druckluftzufuhr unterbunden werden, da von da an der remanente Blockierzustand automatisch durch das Ineinanderschrauben der beiden Gewinde erreicht wird.
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Nach der weiteren Drehrichtungsumkehr werden die beiden Gewinde schließlich wieder voneinander getrennt, indem das rotierende Gewinde aus dem stehenden Gewinde herausgeschraubt wird. Dieses Herausschrauben wird automatisch bewirkt, sobald die Welle wieder in der ersten Drehrichtung rotiert. Um zu gewährleisten, dass im weiteren Betrieb der dynamoelektrischen Maschine wieder eine Beabstandung zwischen dem ersten und dem zweiten Gewinde sichergestellt ist, weist die Blockiereinrichtung in vorteilhafter Ausgestaltung zweite Mittel zur erneuten Beabstandung der Gewinde nach der weiteren Drehrichtungsumkehr auf. Vorzugsweise sind diese zweiten Mittel mit mindestens einer Ruckstellfeder ausgeführt.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die dynamoelektrische Maschine ausgebildet nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen Teil eines dieselelektrischen Antriebes. Hierbei ist die dynamoelektrische Maschine über eine Welle mit einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, derart gekoppelt, dass die dynamoelektrische Maschine in der ersten Drehrichtung im Generatorbetrieb und in der zweiten Drehrichtung im Motorbetrieb betreibbar ist. In einem solchen dieselelektrischen Antriebssatz gibt es für die dynamoelektrische Maschine eine klare Vorzugsdrehrichtung. Dies ist im Wortlaut des Anspruchs die erste Drehrichtung, bei der die dynamoelektrische Maschine als Generator elektrische Energie erzeugt. Eine Drehrichtungsumkehr ist bei einem derartigen Dieselgeneratorsatz normalerweise nicht vorgesehen, da bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Dieselgeneratorsatz keinerlei Nutzen durch eine solche Drehrichtungsumkehr erzielt werden kann. Erst durch die Verwendung der erfindungsgemaßen Blockiereinrichtung kann durch eine Drehrichtungsumkehr eine neue Funktionalitat, nämlich das Festsetzen des Rotors, erzielt werden.
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Vorteilhafter Weise wird hierbei der Gleichrichter, der in einem dieselelektrischen Antriebssatz mit dem Generator in der Regel verbunden ist, bidirektional betrieben. Denn bei der Drehrichtungsumkehr wird der Generator als Motor betrieben und daher aus einem Gleichspannungszwischenkreis des Umrichters mit Energie versorgt.
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Ein dieselelektrisches Fahrzeug das mit einem dieselelektrischen Antrieb nach einer dieser Ausführungsformen ausgerüstet ist, kann im Teillastbereich betrieben werden, ohne dass die stillgesetzten dieselelektrischen Antriebe einem erhöhten Verschleiß, insbesondere einem Lagerverschleiß, unterliegen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele naher beschrieben und erlautert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems mit einer dynamoelektrischen Maschine gemaß einer Ausfuhrungsform der Erfindung,
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2 eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen Blockiereinrichtung und
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3 eine zweite Ausfuhrung der erfindungsgemäßen Blockiereinrichtung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Antriebssystems mit einer dynamoelektrischen Maschine 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Bei diesem Antriebssystem handelt es sich um einen Dieselgeneratorsatz für ein dieselelektrisches Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug. Das Antriebssystem umfasst einen Verbrennungsmotor 11, der mechanisch uber eine Welle 2 mit einer dynamoelektrischen Maschine 1 verbunden ist. Der Verbrennungsmotor 11 treibt hierbei die dynamoelektrische Maschine 1 an, so dass diese als Generator im Normalbetrieb arbeitet. Als Maschinentyp kommen hierbei beispielsweise permanenterregte Synchrongeneratoren oder Asynchrongeneratoren in Frage. Der Generator erzeugt an seinen Ausgangsklemmen eine dreiphasige Wechselspannung, die von einem Umrichter 3 in eine Gleichspannung umgewandelt wird. Zur Glattung dieser Gleichspannung ist ein Zwischenkreiskondensator 12 vorgesehen. Uber einen weiteren Umrichter 13 wird die Zwischenkreisspannung schließlich wieder in eine dreiphasige Wechselspannung umgewandelt, mit der Antriebsmotoren 14 des dieselelektrischen Fahrzeugs angetrieben werden.
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Der Umrichter 3 enthält aktive Bauelemente wie beispielsweise IGBTs oder GTOs, um einen bidirektionalen Energiefluss zu ermöglichen. Hierdurch kann die dynamoelektrische Maschine 1 nicht nur im Generatorbetrieb sondern auch im Motorbetrieb betrieben werden. Besagter Motorbetrieb ist jedoch lediglich dafür vorgesehen, den Rotor der dynamoelektrischen Maschine 1 festzusetzen, wenn diese nicht in Betrieb ist. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn das dieselelektrische Fahrzeug im Teillastbetrieb arbeitet. So umfasst ein dieselelektrisches Antriebssystem in der Regel mehrere Dieselgeneratorsatze in der dargestellten Art. Im Teillastbereich werden einige dieser Antriebssatze stillgelegt. Da die dynamoelektrische Maschine 1 im Teillastbereich nach wie vor Schwingungsanregungen, die während der Fahrt erzeugt werden, ausgesetzt ist, ist ein Blockieren des Rotors wünschenswert, um Lagerschaden zu vermeiden. Hierzu umfasst der Generator die dargestellte Blockiereinrichtung 4. Diese hat in der durch den Pfeil dargestellten ersten Drehrichtung, in der die dynamoelektrische Maschine 1 im Generatorbetrieb arbeitet, keinerlei Auswirkung auf das Betriebsverhalten des Antriebssatzes.
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Wird jedoch die Drehrichtung der Welle 2 und damit des Rotors der dynamoelektrischen Maschine umgekehrt, blockiert die Blockiereinrichtung 4 die Welle 2 und damit den Rotor remanent, nachdem der Rotor einen gewissen Drehwinkel in der zweiten Drehrichtung durchlaufen hat. Diese Blockade ist remanent, d. h. sie bleibt auch ohne weitere Energiezufuhr erhalten. Erst wenn der Verbrennungsmotor 11 die Welle 2 wieder in der vorgesehenen ersten Drehrichtung antreibt, kann diese remanente Blockade wieder aufgehoben werden. Die Welle 2 beginnt wieder frei zu rotieren und die Blockiereinrichtung 4 bleibt im Folgenden ohne Einfluss auf das Betriebsverhalten.
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2 zeigt eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen Blockiereinrichtung 4, wobei diese als Freilauf ausgebildet ist. Dieser Freilauf ist in der 2 im Querschnitt dargestellt. Speziell handelt es sich hier um einen sogenannten Klemmrollenfreilauf.
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Das Innere dieses Freilaufes wird als Stern 5 bezeichnet und ist mit der Rotorwelle 2 drehfest verbunden. Das äußere Element dieses Freilaufs wird als Außenring 6 bezeichnet und ist entsprechend mit einem Gehäuseteil, z. B. mit einem Lagerschild, der dynamoelektrischen Maschine 1 verbunden. Der eingezeichnete Pfeil deutet die Freilaufrichtung und damit die erste Drehrichtung der Blockiereinrichtung 4 an. In dieser Richtung kann sich der Stern 5 ungehindert gegenüber dem Außenring 6 drehen. Wird hingegen die Drehrichtung umgekehrt, drücken die Federn 16 die Klemmrollen 15 in die keilförmige Verjüngung. Der Stern 5 verklemmt sich über die Klemmrollen 15 mit dem Außenring 6. Da der Außenring 6 unbeweglich mit dem Maschinengehäuse in Verbindung steht, sind nunmehr auch der Stern 5 und damit der Rotor der dynamoelektrischen Maschine blockiert. Um diesen Blockadezustand schließlich wieder aufzulösen, muss der Stern 5 nur noch einmal in die dargestellte Pfeilrichtung gedreht werden. Hierbei ist die durch die Verklemmung bewirkte Haftreibung zu überwinden. Sobald dies einmal geschehen ist, kann der Stern 5 wieder frei in der ersten Drehrichtung rotieren.
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3 zeigt eine zweite Ausführung der erfindungsgemäßen Blockiereinrichtung 4. Die wesentlichen Komponenten sind hierbei ein erstes gewindetragendes Element in Form einer Hülse 16 und ein zweites gewindetragendes Element 17, welches auf die Welle 2 aufgeschrumpft ist. Das an der Welle 2 befindliche erste Gewinde 7 ist hierbei als Außengewinde ausgebildet, während die Hülse 16 ein als Innengewinde ausgebildetes zweites Gewinde 8 umfasst. Ferner ist an der Hülse 16 eine Rückstellfeder 10 angeordnet, die die Hülse 16 in axialer Richtung betrachtet von der Welle 2 wegdrückt. Die Hülse 16 ist in einen Körper 19 eingelassen, der eine Druckluftzufuhr 9 umfasst.
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Im Normalbetrieb, d. h. wenn die dynamoelektrische Maschine in der ersten Drehrichtung betrieben wird, sorgt die Rückstellfeder 10 dafür, dass das auf der Welle 2 sitzende gewindetragende Element 17 und die Hülse 16 voneinander beabstandet sind, so dass die Gewinde 7, 8 sich nicht im Eingriff befinden können und auch keine mechanische Berührung miteinander haben.
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Sobald nun die Drehrichtungsumkehr mit dem Ziel eingeleitet wird, den Rotor zu blockieren, wird in den Körper 19 stirnseitig Druckluft eingeblasen, die gegen die Rückstellfeder 10 arbeitend die Hülse 16 in Richtung der Welle 2 axial verschiebt. Hierbei muss ein ausreichender Druck aufgebaut werden,, um zu erreichen, dass die Gewinde 7, 8 ineinandergreifen können. Sobald dies geschieht, sorgt die nunmehr eingeleitete zweite Drehrichtung dafür, dass sich die Gewinde 7, 8 ineinander ziehen, bis der Anschlag erreicht ist. Die Druckluft ist zur Aufrechterhaltung dieser reibschlüssigen Verbindung nicht mehr notwendig. Die Blockade ist permanent, denn sie kann nur durch die Zuführung eines Mindestdrehmomentes, welches in die erste Drehrichtung orientiert ist, wieder aufgehoben werden. Sobald dies geschieht, werden die Gewinde 7, 8 wieder voneinander getrennt, wobei die Rückstellfeder 10 schließlich dafür sorgt, dass das Gewinde tragende Element 17 und die Hülse 16 wieder Beabstandung finden.
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Zur Abdichtung gegen die Druckluft befindet sich ein O-Ring auf der Hülse 16.
