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Die Erfindung betrifft eine regelbare Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore, beispielsweise von Lastkraftwagen.
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Die Verbrennungsmotore der Kraftfahrzeuge weisen zumeist einen Kühlmittelkreislauf auf, um stets eine optimale Betriebstemperatur des Motors zu gewährleisten.
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Für einen effektiven Wärmetransport ist es daher erforderlich, dass das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf ständig in Bewegung gehalten wird.
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Hierzu wird das Flügelrad der Kühlmittelpumpe im Allgemeinen direkt mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gekoppelt.
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Diese direkte Kopplung der Kühlmittelpumpe mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors hat zur Folge, dass der von der Kühlmittelpumpe geförderte Kühlmittelvolumenstrom stets von der Drehzahl des Motors bestimmt wird.
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Für die Auslegung des Flügelrades der Kühlmittelpumpe ist daher der für die jeweilige Motordrehzahl extremste Bedarfsfall maßgebend, d. h. die Kühlmittelpumpe ist stets so ausgelegt, dass selbst bei niedriger Drehzahl und hoher Motorbelastung eine ausreichende Kühlleistung erzielt werden kann.
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Im täglichen Fahrbetrieb werden jedoch nur während maximal 50% der Betriebszeit des Verbrennungsmotors diese hohen Kühlleistungen benötigt.
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In den kälteren Jahreszeiten ist dieser Prozentsatz noch deutlich geringer.
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Während der verbleibenden Betriebszeit wäre somit für eine ausreichende Kühlleistung eine wesentlich geringere Flügelraddrehzahl völlig ausreichend, um beispielsweise mit 50% der maximalen Fördermenge im Teilastbetrieb die AGR-Kühlung zu gewährleisten.
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Dieser Umstand führt nun dazu, dass alle nicht regelbaren Kühlmittelpumpen im durchschnittlichen Fahrbetrieb in einem sehr wirkungsgradungünstigen Betriebspunkt arbeiten und dadurch „unnötig” Kraftstoff zum Antrieb des Flügelrades, d. h. zur Umwälzung des Kühlmittelvolumenstromes verbrauchen.
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Um nun die Nachteile der direkt von der Kurbelwelle angetriebenen Kühlmittelpumpe zu reduzieren, werden im Stand der Technik auch für größere Verbrennungsmotore über eine Riemenscheibe von der Kurbelwelle angetriebene, regelbare Kühlmittelpumpen (beispielsweise für Lastkraftwagen) vorbeschrieben.
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Einerseits wird die von der Kurbelwelle über eine Riemenscheibe auf eine Pumpenwelle übertragene Drehzahl mit unterschiedlichen technischen Mitteln reduziert und dann als Antriebsdrehzahl auf das Flügelrad übertragen.
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Andererseits werden die Fördervolumenströme, wie beispielsweise auch bei der von der Anmelderin in der
DE 10 2005 062 200 B3 vorbeschrieben, in der Praxis bewährten Bauform, mittels über den Austrittsquerschnitt des Flügelrades verschiebbarer, d. h. den Austrittsquerschnitt des Flügelrades variabel überdeckender, drehfest im Pumpengehäuse angeordneter zylindrischer Regelschieber variiert.
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In anderen Bauformen werden diese über den Austrittsquerschnitt des Flügelrades verschiebbaren Regelzylinder, wie von der Anmelderin in der
DE 10 2007 019 263 B3 vorbeschrieben, und ebenfalls bereits in der Praxis bewährt, in Verbindung mit mehrstufigen Schaufelrädern eingesetzt, bei denen dann der Fördervolumenstrom einer der Stufen des jeweiligen Flügelrades variiert werden kann.
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Andere Bauformen des Standes der Technik zur Regelung der Volumenströme bei Pumpen, beschreiben Lösungen mit vom Flügelrad mitgenommenen, d. h. mit der Antriebswelle mitdrehenden Regelschiebern, welche in Verbindung mit einer definierten Längsverschiebung des jeweiligen Regelschiebers entlang der Schaufelbreite den Laufradquerschnitt definiert variieren und so den Volumenstrom regeln.
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Beispielsweise beschreibt die
DE 21 10 776 A1 eine derartige Pumpe mit regelbaren Laufradquerschnitt. Zur definierten Verschiebung der mit dem Flügelrad mitdrehenden Regelschieber ist bei dieser Lösung in der Antriebswelle eine über das Flügelrad angetriebene, mitdrehende Verstellspindel angeordnet, welche mittels eines außerhalb des Pumpengehäuses angeordneten, mit einem Regler versehenen Kolbenantriebs in der Arbeitswelle längs verschoben werden kann.
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Diese Lösung hat die Nachteile, dass sie einen sehr großen Bauraum erfordert, material- und kostenintensiv ist, zudem sehr störanfällig aufgebaut ist, bei Ausfall der Regelung nicht automatisch auf maximale Leistung umschaltet, und unter dem Gesichtspunkt der Arbeitssicherheit zudem ein hohes Risiko in sich birgt.
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In anderen Bauformen, mit (mit dem Flügelrad) mitdrehenden Regelschiebern sind die Verstellvorrichtung und die Arbeitsspindel nicht, wie soeben beschrieben in Achsrichtung ineinander, sondern auch gegenüberliegend fluchtend angeordnet.
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Eine derartige Bauform wird in der
DE 37 32 038 C2 vorbeschrieben. In dieser Bauform wird der zum Laufrad korrespondierende Regelschieber wiederum über das Flügelrad von der Antriebswelle mitgenommen. Über ein am Pumpengehäuse einer Riemenscheibe, dem Antriebsmittel der Antriebswelle, gegenüberliegend angeordnetes separates Betätigungselement, kann der Regelschieber bei dieser Lösung mittels Unterdruck definiert verschoben werden.
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Ein Ausfall der Regelung bewirkt bei dieser Lösung, dass mittels einer Rückstellfeder automatisch auf die maximale Pumpenleistung umgeschaltet wird.
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Doch auch diese Bauform erfordert infolge der gegenüberliegend fluchtenden Anordnung einen sehr großen Bauraum und ist zudem material- und kosten intensiv.
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In anderen Lösungen wurden mit wesentlich geringerem Aufwand und kleinerem Bauvolumen in der Antriebswelle axial verschiebbare Kolben in Verbindung mit druckfederbeaufschlagten Thermostaten/Wachselementen integriert.
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Der wesentliche Nachteil dieser Lösungen besteht jedoch darin, dass sie für eine aktive Regelung der Kühlmittelfördermenge zu träge reagieren und keinesfalls nach der Erwärmung des Motors (d. h. im „Dauerbetrieb”) die Motortemperatur so zu beeinflussen vermögen, dass im gesamten Arbeitsbereich des Motors sowohl die Schadstoffemission, wie auch die Reibungsverluste und auch der Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert werden könnten.
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Daher wurde beispielsweise in der
DE 10 2008 046 424 A1 vorgeschlagen den in der Antriebswelle angeordneten axial verschiebbare Kolben zur definierten Axialverschiebung des mit dem Laufrad korrespondierenden Regelschiebers elektromagnetisch zu betätigen, d. h. drehende Bauteile mit Hilfe einer im Pumpengehäuse angeordneten Magnetspule zu verschieben.
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Bei dieser Lösung ist an der dem Verstellelement, einer Leitscheibe, gegenüberliegenden Ende der Verstellvorrichtung im Magnetfeld einer im Pumpengehäuse integrierten Magnetspule ein Magnetanker starr angeordnet, mittels der die verschiebbar in der Antriebswelle geführte Verstellvorrichtung unter Einwirkung des elektromagnetischen Feldes der Magnetspule linear verschoben werden kann.
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Der Einbau derartiger elektromagnetisch betätigter Verstellelemente, beispielsweise in der Nähe des Turboladers, erfordert zwingend eine Kühlung der Magnetspule (und damit ein relativ großen „Bauraum”), da ansonsten bei Temperaturen ab etwa 120°C die Magnetspule zerstört würde.
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Dieser wiederum zwingend erforderliche, relativ große „Bauraum”, auch für die gemäß der
DE 10 2008 046 424 A1 , in einem Pumpengehäuse angeordnete Magnetspule, steht dem im Motorraum zur Verfügung stehenden, sehr stark begrenzten „Einbauraum” diametral entgegen.
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Nachteilig bei dieser Lösung ist zudem auch, dass diese über keine „Fail-Safe” Funktion verfügt und zudem die Fertigung und Montage dieser Lösung sehr kostenintensiv ist, da die Funktionsbaugruppen nicht für mehrere Baugrößen einheitlich herstellbar, d. h. standardisierbar sind, und daher für jede Pumpenbaugröße separat angefertigt werden müssen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine regelbare Kühlmittelpumpe für Kraftfahrzeuge mit einem mit dem Flügelrad mitdrehenden Regelschieber zu entwickeln, welche die vorgenannten Nachteile vermeidet, und die auch insbesondere bei größeren Verbrennungsmotoren, beispielsweise denen von Lastkraftwagen, eingesetzt werden kann, die einerseits über geringe Reibungsverluste und über einen hohen Gesamtwirkungsgrad verfügt, dabei aber nur einen minimierten Bauraum bei geringem Eigengewicht erfordert, zudem robust aufgebaut ist, über relativ wenige Bauteile verfügt, einfach monierbar und kostengünstig herstellbar ist, unter allen Einsatzbedingungen stets zuverlässig und störunanfällig arbeitet und zudem gleichzeitig über eine „Fail-Safe” Funktion verfügt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine regelbare Kühlmittelpumpe für Kraftfahrzeuge mit einem Flügelrad (1) und einen mit dem Flügelrad (1) mitdrehenden Regelschieber (2), nach den Merkmalen des Hauptanspruches der Erfindung gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungen, Einzelheiten wie auch weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles in Verbindung mit einer Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Lösung.
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Nachfolgend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit einer Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Lösung näher erläutert.
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Die 1 zeigt die erfindungsgemäße, regelbare Kühlmittelpumpe für Kraftfahrzeuge in einer Ausführungsform für Lastkraftwagen mit einem Flügelrad 1 und einem mit dem Flügelrad 1 mitdrehenden Regelschieber 2 im Betriebszustand „Volllast”, in der Seitenansicht im Schnitt, mit einem Pumpengehäuse 3.
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An diesem Pumpengehäuse 3 ist ein Pumpenlager 4 angeordnet.
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Am Pumpenlager 4 ist eine gegenüber dem Pumpengehäuse 3 mittels einer Dichtung 5 abgedichtete Pumpenhohlwelle 6 drehbar gelagert.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist als Dichtung 5 eine Gleitringdichtung eingesetzt.
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Erfindungsgemäß ist endseitig am Lagersitz der Pumpenhohlwelle 6 eine den Lagersitz und das Pumpenlager 4 einschließende Riemenscheibe 7 angeordnet.
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Auf dem strömungsseitig gegenüberliegenden, freien Ende der Pumpenhohlwelle 6 ist drehfest das Flügelrad 1 mit einem Boden 8 und Schaufeln 9 angeordnet.
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Innerhalb des Flügelrades 1 ist axial verschiebbar der mit dem Flügelrad 1 mitdrehende, mit Schaufelschlitzen 10 versehene Regelschieber 2 angeordnet, an dessen Außenumfang ein starr am Regelschieber 2 angeordneter, den Boden 8 des Flügelrades 1 umschließender Zylinderring 11 angeordnet ist.
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Zentrisch/Mittig am Regelschieber 2 ist drehfest eine Verstellspindel 14 angeordnet, die in Achslängsrichtung in einer Verstellspindelführung 12 der Pumpenhohlwelle 6 längsverschiebar gelagert, und mittels einer Wellendichtung 13, beispielsweise in Form eines O-Ringes, in der Verstellspindelführung 12 abgedichtet ist.
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Erfindungsgemäß ist in der Pumpenhohlwelle 6 in Richtung der Riemenscheibe 7, der Verstellspindelführung 12 benachbart eine Arbeitskammer 15 angeordnet, wobei die der Verstellspindelführung 12 benachbarte Stirnseite der Arbeitskammer 15 als Federanlage 16 ausgebildet ist, und die aus der Verstellspindelführung 12 in die Arbeitskammer 15 hineinragende Verstellspindel 14 einen Federführungssteg 17 und diesem benachbart einen Federanlagebund 18 aufweist, und zwischen der Federanlage 16 und dem Federanlagebund 18 im Bereich des Federführungssteges 17 eine Druckfeder 19 angeordnet ist.
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Die erfindungsgemäße Anordnung der Druckfeder 19 gewährleistet eine fertigungs- und montagtechnisch einfache, kostengünstige und zuverlässige Rückstellung des Regelschiebers 2 zur zuverlässigen Gewährleistung einer „Fail-Safe” Funktion der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe.
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Kennzeichnend ist auch, dass am freien, dem Regelschieber 2 gegenüberliegenden Ende der Verstellspindel 14 stirnseitig, eine Axiallageraufnahme 20 und am Pumpengehäuse 3 ein Aktuatorgehäuse 22 mit einem in die Arbeitskammer 15 der Pumpenhohlwelle 6 mit radialem Freilaufspiel hineinragenden Arbeitszylinder 23 angeordnet ist.
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Im Arbeitszylinder 23 ist eine Zylinderbohrung 24 angeordnet in der ein mit der Verstellspindel 14 fluchtender Arbeitskolben 25 mit einer axiallagerseitigen Axiallageranlage 21 verschiebbar gelagert ist.
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Zwischen der Axiallageraufnahme 20 und der Axiallageranlage 21, d. h. zwischen der Verstellspindel 14 und dem Arbeitszylinder 23 ist erfindungsgemäß ein Axiallager 26 angeordnet.
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Durch die Anordnung des Axiallagers 26 ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung, bei sehr geringen, im Praxiseinsatz zu vernachlässigenden Reibungsverlusten, eine zuverlässige Betätigung der sich drehenden Verstellspindel 14 durch den nicht rotierenden Arbeitskolben 25.
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Erfindungswesentlich ist auch, dass im Aktuatorgehäuse 22 eine in die Zylinderbohrung 24 mündende Druckleitung 27 angeordnet ist, die über ein Steuerventil 28 mit einem Druckerzeuger 29 verbunden ist.
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Durch eine Variation des Druckes in der Druckleitung 27 wird der in der Zylinderbohrung 24 angeordnete Arbeitskolben 25 verfahren.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist am Arbeitskolben 25 ein Kolbenring 33 angeordnet.
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In Abhängigkeit vom jeweiligen Hub des Arbeitskolbens 25 bewirkt die erfindungsgemäße Anordnung der Druckfeder 19 gleichzeitig eine fertigungs- und montagtechnisch einfache, kostengünstige und zuverlässige, definierte, spielfreie Rückstellung des Arbeitskolbens 25 und in der Gesamtheit der erfindungsgemäßen Wirkungen ein sehr exaktes, robustes und störunanfälliges Verfahren der sich drehenden Verstellspindel 14 und des an der Verstellspindel 14 drehfest angeordneten Regelschiebers 2.
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Zugleich bewirkt die erfindungsgemäße Integration nahezu aller den Regelschieber 2 betätigenden Funktionsbaugruppen in den Bereich der Riemenscheibe 7 eine sehr kompakte und bauraumminimierte Pumpenbauform.
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Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich aber auch dadurch aus, dass sie neben dem kompakten Aufbau auch über relativ wenige Bauteile verfügt, die sehr kostengünstig herstellbar und zudem einfach monierbar sind.
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Erfindungsgemäß ist in diesem Zusammenhang auch, dass am Außenrand des Bodens 8 des Flügelrades 1 zwischen dem Boden 8 und dem Zylinderring 11 ein Regelschieberabdichtring 31 angeordnet ist, der ein strömungsgünstiges, zuverlässiges „Schließen” und eine optimale Abdichtung zwischen dem Boden 8 und dem Zylinderring 11 gewährleistet, und dadurch „Leckageströme” und die damit verbundenen Wirkungsgradverluste vermeidet.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist axiallagerseitig am Arbeitszylinder 23 ein Zylinderanlagebund 32 angeordnet, der gleichzeitig eine Endlagenbegrenzung für den Arbeitszylinder 23 darstellt.
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Kennzeichnend ist, dass sich in der Druckleitung 27, der in diesem Ausführungsbeispiel vorgestellten Kühlmittelpumpe für Lastkraftwagen, ein gasförmiges Medium, Druckluft befindet.
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So kann die bei Lastkraftwagen „an Bord” anliegende Druckluft zur erfindungsgemäßen Betätigung des Regelschiebers 2 genutzt werden.
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Erfindungsgemäß ist im Aktuatorgehäuse 22 ein Wegsensor 30 angeordnet, der die Lage des Arbeitskolbens 25 exakt bestimmt, so dass in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Regelschieberverstellvorrichtung eine unter allen Einsatzbedingungen stets zuverlässige, störunanfällige, sehr exakte Regelung des Kühlmittelvolumenstromes mittels der hier vorliegenden Lösung gewährleistet ist.
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Gegenüber herkömmlichen Lösungen zeichnet sich die hier vorgestellte erfindungsgemäße Anordnung durch einen deutlich reduzierten/minimierten Bauraum bei minimiertem Eigengewicht aus, ist dabei sehr robust und störunanfällig aufgebaut und gleichzeitig einfach und kastengünstig herstellbar. Neben der sehr einfachen und kostengünstigen Herstellung und Montage gewährleistet die hier vorliegende Lösung neben einer hohen Zuverlassigkeit, einen sehr geringen Verschleiß und auf Grund der minimierten Reibungs- und Strömungsverluste zudem einen hohen Gesamtwirkungsgrad.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flügelrad
- 2
- Regelschieber
- 3
- Pumpengehäuse
- 4
- Pumpenlager
- 5
- Dichtung
- 6
- Pumpenhohlwelle
- 7
- Riemenscheibe
- 8
- Boden
- 9
- Schaufel
- 10
- Schaufelschlitz
- 11
- Zylinderring
- 12
- Verstellspindelführung
- 13
- Wellendichtung
- 14
- Verstellspindel
- 15
- Arbeitskammer
- 16
- Federanlage
- 17
- Federführungssteg
- 18
- Federanlagebund
- 19
- Druckfeder
- 20
- Axiallageraufnahme
- 21
- Axiallageranlage
- 22
- Aktuatorgehäuse
- 23
- Arbeitszylinder
- 24
- Zylinderbohrung
- 25
- Arbeitskolben
- 26
- Axiallager
- 27
- Druckleitung
- 28
- Steuerventil
- 29
- Druckerzeuger
- 30
- Wegsensor
- 31
- Regelschieberabdichtring
- 32
- Zylinderanlagebund
- 33
- Kolbenring
