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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schmierstoffpumpensystem mit einer Schmierstoff von einem Reservoir zu einem Verbraucher fördernden Flügelzellenpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Schmierstoffpumpensystem.
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Der Einsatz von mengengeregelten Flügelzellenpumpen bei Verbrennungsmotoren ist seit langem Stand der Technik, um beispielsweise eine Fördermenge und einen Druck an den Bedarf des Verbrennungsmotors leicht anpassen zu können. Eine derartige Anpassung erfolgt meist über das Beaufschlagen eines Schiebers innerhalb der Flügelzellenpumpe mit einem aus einer Hauptölgalerie des Verbrennungsmotors stammenden Öldruck.
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Aus der
DE 195 32 703 C1 ist eine Flügelzellenpumpe zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit Schmierstoff, insbesondere mit Öl, bekannt, mit einem Innenrotor und einem über Pendelmitnehmer mitdrehenden, verschieblichen Außenrotor. Für die Drehmitnahme aus dem Innenrotor auf den exzentrisch verschieblichen Außenrotor ist stets nur ein Pendelmitnehmer mit seinem Mitnehmerkopf, Mitnehmerfuß und nur einer Gleitflanke im Gleitkontakt. Zur Steuerung einer Förderleistung wird der Außenrotor verschoben.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Flügelzellenpumpen ist, dass diese hinsichtlich eines individuellen Betriebspunktes nur schwer und insbesondere aufwändig einstellbar ist. Eine Verstellung des Volumenstromanteils erfolgt üblicherweise über eine Verstellung des Außenrotors relativ zum Innenrotor, wobei die Ansteuerung für diese Verstellbewegung vergleichsweise aufwändig ist. Bei herkömmlichen Konstantölpumpen werden unterschiedliche Betriebspunkte, beispielsweise ein Betriebspunkt 1 mit einem hohen Volumenstrom und einem gleichzeitig niederen Förderdruck sowie ein Betriebspunkt 2 mit einem niedrigen Volumenstrom und einem hohen Förderdruck über eine Variation der Antriebsdrehzahl eingestellt. Hier macht sich jedoch ein äußerst ungünstiger Wirkungsgrad des Elektromotors bei niedrigen Drehzahlen verbunden mit einem ungünstigen volumetrischen Wirkungsgrad der Pumpe bemerkbar. Somit eignen sich auch gängige Schmierstoffpumpen nicht unbedingt zum einfachen Einstellen unterschiedlicher Betriebspunkte.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Schmierstoffpumpensystem der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch ein einfaches Einstellen unterschiedlicher Betriebspunkte auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine an sich bekannte Flügelzellenpumpe zur Förderung von Schmierstoff, beispielsweise zur Förderung von Öl, zweistufig auszubilden, nämlich mit einem Niederdruckbereich und einem Hochdruckbereich, wodurch sich zwei unterschiedliche Betriebszustände einfach und zugleich mit hohem Wirkungsgrad realisieren lassen. Der Niederdruckbereich sorgt dabei für einen vergleichsweise hohen Volumenstrom bei geringem Förderdruck, wogegen sich der Hochdruckbereich durch einen geringen Volumenstrom bei höherem Förderdruck auszeichnet. Die Flügelzellenpumpe ist dabei Bestandteil eines Schmierstoffversorgungssystems, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, wobei die Flügelzellenpumpe einen rotierenden Innenrotor mit einer Vielzahl von Flügeln aufweist, die einenends in Schlitzen im Innenrotor radial verschieblich und anderenends schwenkbar an einem Außenrotor gelagert sind. Die zweistufige Ausbildung der Flügelzellenpumpe erfolgt nun dadurch, dass die Flügel, der Innenrotor und der Außenrotor Kammern der Niederdruckstufe bilden, wogegen die Flügel und der Innenrotor Kammer der Hochdruckstufe bilden. Beide Stufen, das heißt sowohl die Niederdruckstufe als auch die Hochdruckstufe sind dabei vom Innenrotor angetrieben. Die Niederdruckstufe ist darüber hinaus in Reihe zur Hochdruckstufe geschaltet, insbesondere der Hochdruckstufe vorgelagert. Parallel zur Hochdruckstufe ist darüber hinaus erfindungsgemäß eine Ventileinrichtung vorgesehen, die in einer ersten Stellung die Niederdruckstufe und in einer zweiten Stellung die Hochdruckstufe mit dem Verbraucher verbindet. Selbstverständlich ist dabei denkbar, dass auch in der ersten Stellung der Ventileinrichtung ein geringer Volumenstromanteil von der Hochdruckstufe zum Verbraucher gelangt, wobei dieser Anteil vernachlässigbar klein ist. Mit dem erfindungsgemäßen Schmierstoffversorgungssystem können zumindest zwei unterschiedliche Betriebszustände bzw. Betriebspunkte, nämlich ein erster Betriebspunkt mit hohem Förderstrom und geringem Förderdruck (Niederdruckstufe) und ein zweiter Betriebspunkt mit geringem Förderstrom und hohem Förderdruck (Hochdruckstufe) konstruktiv einfach und darüber hinaus äußerst platzsparend realisiert werden. Insbesondere die kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen zweistufigen Flügelzellenpumpe bietet große Vorteile im Hinblick auf ein stetig kleiner werdendes Bauraumangebot in modernen Motorräumen. Die beiden Betriebspunkte bzw. Betriebszustände lassen sich darüber hinaus durch ein einfaches Umschalten der Ventileinrichtung steuern, wodurch auf eine aufwändige und vergleichsweise teure Steuereinrichtung bzw. Steuermechanismen verzichtet werden kann. Im Vergleich zu bisher verwendeten Konstantölpumpen, die unterschiedliche Betriebszustände durch Variationen der Antriebsdrehzahl realisiert haben, besitzt die erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe sowohl im ersten als auch im zweiten Betriebspunkt einen hohen und damit günstigen Gesamtwirkungsgrad.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, ist ein Ausgang der Niederdruckstufe mit einem Eingang der Hochdruckstufe der Flügelzellenpumpe verbunden und zudem ein 3/2-Wegeventil vorgesehen, das eingangsseitig mit dem Ausgang der Niederdruckstufe und ausgangsseitig mit dem Verbraucher und dem Reservoir gekoppelt ist und in einer ersten Stellung die Niederdruckstufe mit dem Verbraucher verbindet, während es in einer zweiten Stellung die Hochdruckstufe der Flügelzellenpumpe mit dem Verbraucher und dem Ausgang der Niederdruckstufe über eine Drosseleinrichtung mit dem Schmierstoffreservoir verbindet. In der ersten Stellung ist somit die Niederdruckstufe der Flügelzellenpumpe direkt mit dem Verbraucher und zusätzlich indirekt über die Hochdruckstufe mit dem Verbraucher verbunden. Da in diesem Fall der überwiegende Schmiermittelanteil direkt von der Niederdruckstufe an den Verbraucher weitergeleitet wird, ist der an die Hochdruckstufe der Flügelzellenpumpe weitergeleitete Schmierstoffvolumenanteil vergleichsweise gering. Da der Volumenstrom der Niederdruckstufe deutlich größer ist als der Volumenstrom der Hochdruckstufe wird in der zweiten Stellung des 3/2-Wegeventils der nicht benötigte Volumenstromanteil an Schmierstoff zum Reservoir zurückgeführt. Hierdurch lässt sich eine besonders exakte und fein justierbare Schmiermittelversorgung des Verbrauchers erreichen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe,
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2a ein erfindungsgemäßes Schmierstoffversorgungssystem mit einem 2/2-Wegeventil in einer ersten Stellung,
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2b eine Darstellung wie in 2a, jedoch mit dem 2/2-Wegeventil in der zweiten Stellung,
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3a eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Schmierstoffversorgungssystems mit einem 3/2-Wegeventil in einer ersten Stellung,
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3b eine Darstellung wie in 3a, jedoch bei einer zweiten Stellung des 3/2-Wegeventils,
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4 eine Schnittdarstellung durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe,
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5 eine Darstellung wie in 4, jedoch bei einer alternativen Ausführungsform.
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Entsprechend den 2 und 3, weist ein erfindungsgemäßes Schmierstoffversorgungssystem 1, beispielsweise ein Ölversorgungssystem eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug, ein Schmierstoff von einem Reservoir 2 zu einem Verbraucher 3, beispielsweise dem Verbrennungsmotor fördernde Flügelzellenpumpe 4 (vgl. 1) auf. Die Flügelzellenpumpe 4 besitzt dabei einen rotierenden Innenrotor 5 mit einer Vielzahl von Flügeln 6, die einenends in Schlitzen 7 im Innenrotor 5 radial verschieblich und anderenends schwenkbar an einem Außenrotor 8 gelagert sind. Erfindungsgemäß ist nun die Flügelzellenpumpe 4 zweistufig ausgebildet, nämlich mit einer Niederdruckstufe 9 und einer Hochdruckstufe 10 (vgl. die 2 und 3). Dabei bilden die Flügel 6, der Innenrotor 5 und der Außenrotor 8 Kammern 11 der Niederdruckstufe 9, wogegen die Flügel 6 und der Innenrotor 5 Kammern 12 der Hochdruckstufe 10 umschließen. Die Niederdruckstufe 9 als auch die Hochdruckstufe 10 sind dabei gemeinsam, das heißt simultan, vom Innenrotor 5 angetrieben und zugleich in Reihe zueinander geschaltet, wobei die Niederdruckstufe 9 der Hochdruckstufe 10 vorgeschaltet ist (vgl. die 2 und 3). Darüber hinaus ist parallel zur Hochdruckstufe 10 eine Ventileinrichtung 13 vorgesehen, die in einer ersten Stellung die Niederdruckstufe 9 und in einer zweiten Stellung die Hochdruckstufe 10 mit dem Verbraucher 3, beispielsweise mit dem Verbrennungsmotor, verbindet.
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Gemäß den 2a und 2b ist dabei eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schmierstoffversorgungssystems 1 gezeigt, wobei die Ventileinrichtung 13 als 2/2-Wegeventil ausgebildet ist und eingangsseitig mit dem Ausgang der Niederdruckstufe 9 und ausgangsseitig mit dem Verbraucher 3 verbunden ist. Zugleich ist ein Überdruckventil 14 vorgesehen, das eingangsseitig mit dem Eingang der Hochdruckstufe 10 und ausgangsseitig mit dem Reservoir 2 verbunden ist. Die 2a zeigt dabei die Ventileinrichtung 13 in einer ersten Stellung, in welcher ein hoher Volumenstrom bei gleichzeitig geringem Förderdruck von der Niederdruckstufe 9 der Flügelzellenpumpe an den Verbraucher 3 geleitet wird. Ein vergleichsweise geringer Volumenstrom wird dabei am Ausgang der Niederdruckstufe 9 und vor der Ventileinrichtung 13 abgezweigt und von der Hochdruckstufe 10 der Flügelzellenpumpe 4 an den Verbraucher 3 weitergeleitet, wobei dieser Anteil vernachlässigbar ist und im wesentlichen dazu dient, das die Hochdruckstufe 10 der Flügelzellenpumpe 4 nicht trocken läuft.
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Gemäß der 2b ist die Ventileinrichtung 13 in ihrer zweiten Stellung gezeigt, in welcher der Durchfluss durch die Ventileinrichtung 13 gesperrt ist und dadurch den Verbrauchern 3 ausschließlich Schmierstoff über die Hochdruckstufe 10 der Flügelzellenpumpe 4 zugeführt wird. In dieser Stellung wird dem Verbraucher 3 ein vergleichsweise geringer Schmierstoffvolumenstrom mit jedoch vergleichsweise hohem Druck zu Verfügung gestellt. Da sowohl die Niederdruckstufe 9 als auch die Hochdruckstufe 10 der Flügelzellenpumpe 4 über den gemeinsamen Innenrotor 5 gleichförmig angetrieben sind, die Niederdruckstufe 9 jedoch einen deutlich größeren Volumenstrom fördert, muss gemäß der 2b ein Differenzvolumenstrom zwischen der Niederdruckstufe 9 und der Hochdruckstufe 10 über das Überdruckventil 14 zurück in das Reservoir 2 geleitet werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Schmierstoffversorgungssystem 1 gemäß den 3a und 3b ist die Ventileinrichtung 13 als 3/2-Wegeventil ausgebildet bzw. weist ein derartiges 3/2-Wegeventil auf, das eingangsseitig mit dem Ausgang der Niederdruckstufe 9 und ausgangsseitig mit dem Verbraucher 3 und indirekt über eine Drosseleinrichtung 15 mit dem Reservoir 2 verbunden ist.
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Gemäß der 3a befindet sich dabei die Ventileinrichtung 13 in einer ersten Stellung, in welcher dem Verbraucher 3 von der Niederdruckstufe 9 ein hoher Volumenstrom bei gleichzeitig geringem Förderdruck zugeführt wird. Über die Hochdruckstufe 10 der Flügelzellenpumpe 4 wird ein vergleichsweise geringer Volumenstromanteil ebenfalls dem Verbraucher 3 zugeführt. Den für den Betrieb der Hochdruckstufe 10 erforderlichen Volumenstromanteile entnimmt diese ausgangsseitig der Niederdruckstufe 9. Gemäß der 3b ist die Ventileinrichtung 13 in ihrer zweiten Stellung gezeigt, in welcher diese die Hochdruckstufe 10 der Flügelzellenpumpe mit dem Verbraucher 3 und den Ausgang der Niederdruckstufe 9 über die Drosseleinrichtung 15 mit dem Reservoir 2 verbindet. In dieser Stellung wird dem Verbraucher 3 ein geringer Volumenstrom an Schmierstoff bei gleichzeitig deutlich erhöhtem Förderdruck zur Verfügung gestellt. Die Drosseleinrichtung 15 führt dabei den Differenzvolumenstrom zwischen der Niederdruckstufe 9 und der Hochdruckstufe 10 in das Reservoir 2 zurück und erfüllt im wesentlichen die gleiche Aufgabe wie das Überdruckventil 14 gemäß dem Schmierstoffversorgungssystem 1 aus den 2a und 2b.
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Mit dem erfindungsgemäßen Schmierstoffversorgungssystem 1 ist der Einsatz von Flügelzellenpumpen 4 mit zumindest zwei unterschiedlichen Betriebspunkten einfach und insbesondere auch bauraumoptimiert zu realisieren, wobei eine aufwändige Steuerungs- und Regelungstechnik, wie sie bislang zum Steuern bzw. Regeln von Flügelzellenpumpen erforderlich war, entfallen kann. Das Einstellen der unterschiedlichen Betriebspunkte erfolgt ausschließlich über die Stellung der Ventileinrichtung 13, welche im Vergleich zur Steuerung bzw. Regelung der Flügelzellenpumpe 4 äußerst einfach ist. Durch die Integration beider Druckstufen, das heißt der Niederdruckstufe 9 und der Hochdruckstufe 10 in die Flügelzellenpumpe 4 baut diese darüber hinaus äußerst kompakt, was insbesondere im Hinblick auf ein stetig kleiner werdendes Bauraumangebot in modernen Motorräumen von großem Vorteil ist.
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Entsprechend den 4 und 5, weist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe 4 einen in einem Gehäuse 16 angeordneten Innenrotor 5 auf, der zylinderartige, jedoch nicht runde, sondern quaderförmige Schlitze 7 (Nuten) besitzt. Wie den 4 und 5 zu entnehmen ist, besitzt dabei der Innenrotor 5 jeweils sechs Schlitze 7, die strahlenförmig angeordnet sind. Generell kann dabei die Anzahl der Schlitze 7 jedoch beliebig sein. Der Innenrotor 5 ist kraft- und/oder formschlüssig, insbesondere drehfest mit einer Antriebswelle 17 verbunden. Der Außenrotor 8 weist mehrere schwenkbar in diesen eingehängte Flügel 6 auf, die in die Schlitze 7 des Innenrotors 5 zur Drehmitnahme des Außenrotors 8 durch den Innenrotor 5 eingreifen und veränderbare Kammern 11 bilden. Während der Drehbewegung des Innenrotors 5 verändern die Kammern 1 ihr Volumen und sorgen dadurch für einen Förderstrom, beispielsweise eine Schmiermittelförderung, sofern die Flügelzellenpumpe 4 als Schmiermittelpumpe bzw. als Ölpumpe in einem Kraftfahrzeug ausgebildet ist. Dabei erzeugt die Flügelzellenpumpe 4 in den Kammern 11 ein erstes Druckniveau.
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Erfindungsgemäß sind nun die Flügel 6 jeweils mit einem Kolben 18 gekoppelt, der in einem jeweils zugehörigen Schlitz 7 des Innenrotors 5 translatorisch geführt ist. In den durch die Schlitze 7 und die zugehörigen Kolben 18 begrenzten Kammern 12 ist dabei ein anderes Druckniveau einstellbar, als in den Kammern 11 zwischen dem Innenrotor 5 und dem Außenrotor 8, so dass mit der erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe 4 zwei unterschiedliche Druckniveaus erzeugt und dadurch zwei unterschiedliche Verbraucher versorgt werden können. Generell ist auch denkbar, dass in den Kammern 12 ein anderes Medium gepumpt wird als in den Kammern 11. Gemäß der 4 ist dabei ein Lager 22 als Drehschieber ausgebildet und demgemäß um eine Achse 19 verdrehbar. Eine Verdrehung des Lagers 22 bewirkt dabei eine Veränderung der Exzentrizität zwischen dem Innenrotor 5 und dem Außenrotor 8 und dadurch eine Veränderung der Förderleistung der Flügelzellenpumpe 4. Alternativ dazu kann das Lager 22, wie beispielsweise gemäß der 5 gezeigt ist, als Gleitschieber ausgebildet sein und sich auf einer Führungsbahn 20 im Gehäuse 16 bewegen.
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Um einen möglichst leichtgängigen Betrieb der Flügelzellenpumpe 4 zu ermöglichen, sind die Flügel 6 und die zugehörigen Kolben 18 über jeweils einen walzenförmigen Gelenkkopf 21 und eine gabel-/zangenförmige Gelenkaufnahme miteinander gekoppelt, wobei ein derartiger Gelenkkopf 21 und eine solche gabel-/zangenförmige Gelenkaufnahme nicht nur in der Lage sind, Zug- und Druckkräfte zu erzeugen, sondern auch Richtungsabweichungen zwischen dem Kolben 18 und dem jeweils zugehörigen Flügel 6 zu kompensieren. Die Schlitze 7 im Innenrotor 5 können dabei einen eckigen oder ähnlich einem Zylinder einen runden Querschnitt aufweisen. Darüber hinaus kann noch eine nicht gezeigte Federeinrichtung vorgesehen sein, die das Lager 22 in eine Richtung vorspannt und dadurch ein bestimmtes Volumen der Kammern 11 vorgibt.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Flügelzellenpumpe 4 stellt auch eine erhebliche Verbesserung bezüglich einer inneren Dichtigkeit dar, wobei die erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe 4 quasi als Tandempumpe für zwei unterschiedliche Druckniveaus und/oder Medien betrieben werden kann. Möglich wird dies insbesondere durch die Kolben 18 in den Schlitzen 7 des Innenrotors 5 unterhalb der Flügel 6, die konstruktiv derart ausgebildet sind, dass die innere Leckage des Fördermediums von den Kammern 12 zu den Kammern 11 zumindest minimiert wird. Dabei ist es selbstverständlich ebenso möglich, lediglich über die Kammern 11, 12 ein Fluid zu fördern bzw. ein entsprechendes Druckniveau bereitzustellen.
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Eine Steuerung der erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe 4 ist dabei durch ein Verdrehen als Schwenklager ausgebildeten Lagers 22 gemäß der 1 oder durch ein Verschieben des als Gleitschieber ausgebildeten Lagers 22 gemäß der 5 leicht möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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