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Die Erfindung betrifft eine regelbare Kühlmittelpumpe einer Brennkraftmaschine mit einem Pumpengehäuse, einer Pumpenwelle und zugehörigem Flügelrad nach den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Brennkraftmaschinen werden überwiegend flüssigkeitsgekühlt, insbesondere wassergekühlt. Dabei wird bevorzugt Kühlwasser als Kühlmittel eingesetzt, das mittels einer Kühlmittelpumpe in einem bevorzugt geschlossenen Kreislauf durch Kühlkanäle im Bereich der Zylinder und des Zylinderkopfes zirkuliert. Das sich dabei erwärmte Medium wird anschließend in einem Luft-Wasser-Wärmetauscher mittels eines Ventilators und/oder vom Fahrtwind zurückgekühlt. Die Kühlmittelpumpe wird bevorzugt über einen Zugmitteltrieb angetrieben, dessen Zugmittel eine mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelte Riemenscheibe mit einer Riemenscheibe der Kühlmittelpumpe verbindet. Aufgrund der direkten Antriebskoppelung ist die Drehzahl der Kühlmittelpumpe abhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine. Folglich stellt sich im hohen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine ein entsprechend großer Volumenstrom der Kühlmittelpumpe ein, der vielfach nicht zur Kühlung benötigt wird. Beim Kaltstart der Brennkraftmaschine tritt dagegen das Problem auf, dass bereits Kühlmittel durch die Kühlkanäle zirkuliert, was die Erwärmung der Brennräume behindert und somit das Erreichen einer optimalen Betriebstemperatur verzögert. Zur Optimierung von Brennkraftmaschinen im Hinblick auf Emission und Kraftstoffverbrauch ist es sinnvoll, die Brennkraftmaschine nach dem Kaltstart möglichst schnell auf die Betriebstemperatur zu bringen. Dadurch werden sowohl die Reibungsverluste und folglich der Kraftstoffverbrauch und zugleich die Emissionswerte reduziert. Um diesen Effekt zu erzielen, werden regelbare Kühlmittelpumpen eingesetzt, deren geförderter Volumenstrom auf den Kühlungsbedarf der Brennkraftmaschine abgestimmt werden kann.
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Aus der
DE 10 2005 004 315 B4 ist eine regelbare Kühlmittelpumpe bekannt, bei welcher auf einer in einem Pumpengehäuse gelagerten Hohlwelle ein Laufrad oder Flügelrad angeordnet ist, das Kühlmittel aus einem Stutzen in einen Ringkanal des Pumpengehäuses fördert. Dem Laufrad ist ein auf der Hohlwelle platziertes Schiebeelement zugeordnet, das über einen Elektromagneten und entgegen einer Feder axial zu dem Laufrad verschiebbar ist und dabei einen Außenbereich des Laufrades übergreift. In einer Endstellung kann mit Hilfe des Schiebeelements der Ringkanal des Pumpengehäuses verschlossen werden, wodurch eine Kühlwasserförderung der Kühlmittelpumpe unterbleibt. Die
DE 199 01 123 A1 zeigt eine Kühlmittelpumpe, bei der das Fördervolumen der Kühlmittelpumpe durch einen das Flügelrad übergreifenden Schieber beeinflussbar ist, in dem die wirksame Flügelbreite des Flügelrades verändert werden kann. Die Verstellung des Schiebers erfolgt dabei durch das Verdrehen einer gewindeartigen Führung. Gemäß der
DE 10 2005 004 315 A1 wird der auch als Leitscheibe zu bezeichnende Ventilschieber elektromagnetisch mit einer im Pumpengehäuse angeordneten Magnetspule verstellt. Die
DE 10 2005 062 200 A1 offenbart eine regelbare Kühlmittelpumpe, bei der zur Einflussnahme auf die Fördermenge innerhalb des Pumpengehäuses ein in Richtung der Pumpenwellenachse verschiebbarer Ventilschieber eingebracht ist. Der ringförmig ausgebildete Schieber bildet einen den Ausströmbereich des Flügelrades variabel überdeckenden Außenzylinder.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, für eine Aktuatorik zur stufenlosen Verstellung eines Leitblechs einer regelbaren Kühlmittelpumpe eine funktionssichere Abdichtung zu schaffen.
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Diese Problemstellung wird durch eine regelbare Kühlmittelpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
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Erfindungsgemäß ist zur Darstellung einer aufgabengerechten Lösung eine Aktuatorik vorgesehen, die eine innerhalb der Kühlmittelpumpe integrierte Radialkolbenpumpe umfasst. Die Radialkolbenpumpe schließt zwei in einer Durchgangsbohrung der Pumpenwelle geführte, gegenüberliegend eingesetzte und einen Druckraum begrenzende Kolben ein, einen Haupt- bzw. Ansaugkolben sowie einen Gegenkolben. Die Kolben sind an einem in dem Pumpengehäuse in einer Aussparung radial verschiebbaren Führungsschlitten abgestützt, der die Kolben außenseitig umschließt. Über ein auch als Betätigungsstange zu bezeichnendes Verbindungselement ist der Führungsschlitten mit dem elektrisch betätigten Stellelement, einem Aktor verbunden, der die lineare Radialstellbewegung der Kolben auslöst. Zur Abdichtung des Verbindungselements gegenüber dem Pumpengehäuse oder einem der Kühlmittelpumpe zugehörigen Gehäuse ist eine Abdichtung eingesetzt, die einer radialen Stellbewegung des Verbindungselements folgt und die ein Ausströmen von Kühlflüssigkeit bzw. Kühlmittel aus dem Kühlsystem in die Motorraumumgebung verhindert.
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Das Verbindungselement steht außenseitig mit dem auch als Aktor zu bezeichnenden Stellelement der Aktuatorik in Verbindung und innenseitig im kühlmittelbeaufschlagten Pumpenraum permanent in Kontakt mit einer Stirnfläche des Führungsschlittens.
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Vorteilhaft gewährleistet das Abdichtungskonzept gemäß der Erfindung unabhängig von den sich einstellenden Drücken eine zuverlässige Abdichtung. Abweichend zu einer Dichtlippen einschließenden Stangenabdichtung, deren Dichtqualität unmittelbar von einer Druckunterstützung an der Dichtlippe beeinflusst wird, gewährleistet die erfindungsgemäße, unmittelbar mit dem Verbindungselement verbundene Abdichtung selbst bei einem geringen statischen Druck eine zuverlässige Abdichtung. Weiterhin vermeidet das Abdichtungskonzept der Erfindung auch bei einer exzentrischen Lage der Achse des Verbindungselements oder der Betätigungsstange relativ zur Achse der Abdichtungsbefestigung im Pumpgehäuse eine Kühlmittelleckage. Der unmittelbar mit dem Verbindungselement bzw. der Betätigungsstange verbundene und folglich der Stellbewegung der exzentergesteuerten, integrierten Radialkolbenpumpe folgende erfindungsgemäße Abdichtungstyp gewährleistet vorteilhaft für alle auftretenden Exzentrizitäten der Radialkolbenpumpe eine sichere Abdichtung. Die erfindungsgemäße Abdichtung verhindert außerdem wirksam die Bildung eines Leckagepfades und folglich ein Ausströmen von Kühlflüssigkeit aus der Kühlmittelpumpe, was die Funktionssicherheit des Kühlsystems und gleichzeitig der Brennkraftmaschine verbessert. Andererseits wird durch die erfindungsgemäße Abdichtung das Eindringen von Staub und Schmutz in die Führung des Verbindungselementes bzw. der Betätigungsstange unterbunden, was sich vorteilhaft auf den Verschleiß der Führung auswirkt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist als Abdichtung eine Rollmembran vorgesehen, die mit dem Verbindungselement verbunden und die außenseitig ortsfest lagefixiert ist. Die Rollmembran ist an der Betätigungsstange bzw. dem Verbindungselement befestigt und außenseitig ortsfest am Pumpengehäuse fixiert. Über eine rollende Falte bzw. Überlappung kann die Rollmembran die Hubbewegung der Aktuatorik ausgleichen bzw. kompensieren und dabei die Medien Kühlmittel und Luft voneinander vollständig trennen. Zur bauraumoptimierten, definierten Führung und kostengünstigen Realisierung der Rollmembran sind die Bohrung im Pumpengehäuse und der Durchmesser der Betätigungsstange bzw. des Verbindungselements bezüglich ihrer Durchmesser konstruktiv aufeinander abgestimmt. Bevorzugt umschließt die Rollmembran ein Ende des Verbindungselements und bildet im Einbauzustand einen Kontaktbereich bzw. eine Kontaktzone zwischen dem Verbindungselement und dem Führungsschlitten.
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Ferner schließt die Erfindung als Abdichtung einen Faltenbalg mit zumindest einer Falte ein, die sich in Abhängigkeit von der Hubbewegung des Verbindungselementes bzw. der Betätigungsstange schließt oder öffnet. Vergleichbar der Rollmembran ist der Faltenbalg mit der Betätigungsstange bzw. dem Verbindungselement verbunden und außenseitig ortsfest am Pumpengehäuse befestigt.
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Unabhängig von einer als Rollmembran oder Faltenbalg gestalteten Abdichtung weisen diese auf dem zum Kühlmittel gerichteten Nassbereich eine relativ kleindimensionierte, von der Gehäusebohrung außenseitig begrenzte, ringartige Fläche auf. Damit ist sichergestellt, dass der auf der Kühlmittelseite herrschende Druck nur eine geringe einer Aktuierungskraft entgegenstehende Kraft ausübt. Vorteilhaft erfordert die Aktuatorik mit dem erfindungsgemäßen Abdichtungskonzept keinen größer ausgelegten Aktor.
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Die als Rollmembran oder als Faltenbalg ausgeführte, die Betätigungsstange bzw. das Verbindungselement umschließende Abdichtung bildet einen Kontaktbereich bzw. eine Kontaktzone zwischen der Betätigungsstange oder dem Verbindungselement und dem Führungsschlitten. Als Maßnahme zur Erzielung eines verschleißfesten Kontaktbereichs ist die Rollmembran und/oder der Faltenbalg in dieser Zone gewebeverstärkt, beispielsweise mittels einer Glasfaser verstärkt als Schutz gegenüber der auftretenden Hertz’schen Pressung.
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Weiterhin schließt die Erfindung eine bodenlose, zentrisch offene, als Rollmembran oder Faltenbalg ausgeführte Abdichtung ein. Dabei ist die Abdichtung einerseits an dem radial verschiebbaren Verbindungselement und andererseits an dem Pumpengehäuse befestigt. Bevorzugt ist die Abdichtung mittels eines Klemmrings an dem vom Kühlmittel beaufschlagten Ende der Betätigungsstange oder dem Verbindungselement fixiert. Dieses Abdichtungskonzept bietet den Vorteil einer verbesserten Dichtqualität verbunden mit einem Kostenvorteil, da bedingt durch die bodenlose Gestaltung eine Gewebefaserverstärkung entfällt.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass dem Faltenbalg oder der Rollmembran ein ortsfest positionierter, das Verbindungselement oder die Betätigungsstange umschließender, lagefixierter Abstreifer vorgeschaltet bzw. zugeordnet ist. Durch den Abstreifer, der auf der vom Kühlwasser getrennten Luftseite der erfindungsgemäßen Abdichtung vorgeschaltet ist, können Verunreinigungen jeglicher Art von dem sich bildenden Dichtspalt im Bereich der Abdichtung dauerhaft ferngehalten werden, wodurch eine langfristige Dichtfunktion der erfindungsgemäßen Abdichtung realisiert werden kann.
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Bevorzugt ist als Werkstoff für die erfindungsgemäße Abdichtung ein Elastomer, beispielsweise EPDM oder HNBR, vorgesehen. Zur wirksamen gehäuseseitigen Befestigung schließt die Abdichtung vorzugsweise eine äußere Wulst ein, die formschlüssig in die umlaufende Wulst des Pumpengehäuses eingesetzt und mittels eines Gegengehäuses fixiert ist. Als elektrisches Stellelement bzw. Aktor der Aktuatorik eignet sich vorteilhaft ein Elektromotor mit Kupplung und zugehöriger Nocke oder ein Elektromagnet, dessen Stellkraft eine lineare Radialstellbewegung auf den Führungsschlitten im Inneren der Kühlmittelpumpe ausübt.
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Ferner bietet es sich erfindungsgemäß an, die Aktuatorik mit einer Ausfallsicherung oder Failsafe-Einrichtung zu kombinieren. Dazu ist der Schubstange ein Federelement, insbesondere eine Druckfeder zugeordnet, die bei einer Störung, beispielsweise einem Stromausfall der Aktoreinheit, die Schubstange einschließlich des zugehörigen Leitblechs in die Neutralstellung verschiebt, bei der sich der maximale Förder- oder Volumenstrom der Kühlmittelpumpe einstellt.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, wobei sich die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Dabei zeigt:
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1 eine erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe in einem Längsschnitt mit integrierter Aktuatorik;
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2 einen Ausschnitt der in 1 abgebildeten Aktuatorik, die eine erste erfindungsgemäße Abdichtungsvariante einschließt;
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3 einen Ausschnitt der in 1 abgebildeten Aktuatorik, die eine zweite erfindungsgemäße Abdichtungsvariante einschließt;
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4 einen Ausschnitt der in 1 abgebildeten Aktuatorik, die eine dritte erfindungsgemäße Abdichtungsvariante einschließt; und
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5 einen Ausschnitt der in 1 abgebildeten Aktuatorik, die eine vierte erfindungsgemäße Abdichtungsvariante einschließt.
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In der 1 ist eine regelbare Kühlmittelpumpe 1 im Längsschnitt abgebildet, die ein Pumpengehäuse 2 umfasst, in dem eine als Hohlwelle ausgebildete, drehstarr mit einem Flügelrad 3 verbundene Pumpenwelle 4 drehbar gelagert ist. Im Betriebszustand der Kühlmittelpumpe 1 bei rotierendem Flügelrad 3 strömt ein Kühlmittel über den Kühlmitteleinlass 5 axial zu dem Flügelrad 3 und wird radial in einen als Spiralkanal ausgebildeten Kühlmittelauslass 6 geleitet. Dabei bildet ein mit dem Flügelrad 3 verbundener Pumpendeckel 7 einen Übergang zwischen dem Kühlmitteleinlass 5 und dem Kühlmittelauslass 6. Zur Einflussnahme auf den Volumenstrom der Kühlmittelpumpe 1 ist dem Flügelrad 3 ein Leitblech 8 zugeordnet, das axial verschiebbar einen Außenbereich des Flügelrades 3 variabel überdeckt. Dazu ist das Leitblech 8 drehfixiert mit einer in der Pumpenwelle 4 axial verschiebbaren Schubstange 9 verbunden. Über eine Aktuatorik 10 kann die Schubstange 9 und folglich das Leitblech 8 stufenlos zwischen zwei durch den Pumpendeckel 7 und eine Stirnseite 11 des Flügelrades 3 definierten Endlagen positioniert werden. Gemäß der in 1 abgebildeten, an der Stirnseite 11 abgestützten Position des Leitblechs 8 stellt sich ein maximaler Volumenstrom der Kühlmittelpumpe 1 ein. Die Aktuatorik 10 umfasst eine als Radialkolbenpumpe 12 ausgeführte, exzentrisch verstellbare Verdrängerpumpe, die zwei gegenüberliegende Kolben, einen Haupt- oder Ansaugkolben 13 und einen Gegenkolben 14 einschließt, die in einer radialen Durchgangsbohrung 15 der Pumpenwelle 4 geführt sind und die einen Druckraum 19 begrenzen. Außenseitig sind die Kolben 13, 14 von einem auch als Führungselement zu bezeichnenden Führungsschlitten 16 umschlossen. Im Betriebszustand sind die Kolben 13, 14 fliehkraftbedingt sowie unterstützt durch ein zwischen den Kolben 13, 14 eingesetztes Federelement kraftschlüssig an einer Innenkontur des Führungsschlittens 16 abgestützt. Eine radiale Verstellung des Führungsschlittens 16 zur Einstellung einer Exzentrizität der Kolben 13, 14 zwischen einer Rotationsachse 18 der Pumpenwelle 4 und einer Drehachse des Führungsschlittens 16 erfolgt durch ein elektrisch betätigtes Stellelement 17 der Aktuatorik 10. Dabei ist zur Übertragung der Stellbewegung des auch als Aktor zu bezeichnenden Stellelements 17 auf den Führungsschlitten 16 ein Verbindungselement 20 vorgesehen, das mittels einer als Stangendichtung ausgebildeten Abdichtung 21 im Pumpengehäuse 2 abgedichtet eingesetzt ist. Im Bereich großer Exzentrizität kann Kühlmittel aus dem Kühlmittelauslass 6 über ein Ansaugventil 22 des Hauptkolbens 13 in einen Kolbeninnenraum einströmen. Einer in 1 nicht gezeigten Ausschiebeöffnung des Hauptkolbens 13 ist ein Einwegventil zugeordnet, über das in einer Pumpphase der Radialkolbenpumpe 12 das Kühlmittel in den Druckraum 19 der Radialkolbenpumpe 12 einströmt. Der Gegenkolben 14 der Radialkolbenpumpe 12 ist zum Massenausgleich bzw. zur radialen Massenverteilung gegenüber dem Hauptkolben 13 vorgesehen. Über ein als Einwegventil wirkendes, in der Pumpenwelle 4 eingesetztes Schließventil 23 wird während der Aktuierung in der Pumpphase das Kühlmittel aus dem Druckraum 19 in einen Hochdruckraum 24 der Pumpenwelle 4 verdrängt. Dabei wird ein in dem Hochdruckraum 24 verschiebbar geführter Stellkolben 25 druckbeaufschlagt, der mittelbar über die Schubstange 9 mit dem Leitblech 8 verbunden ist. Das Schließventil 23 öffnet, sobald sich ein Druckgefälle einstellt und der Druck im Druckraum 19 das Druckniveau im Hochdruckraum 24 übertrifft. Über den Stellkolben 25 wird eine Stellbewegung der Schubstange 9 und des damit in Verbindung stehenden Leitblechs 8 in Richtung des Pumpendeckels 7 ausgelöst, wenn der Druck im Hochdruckraum 24 die Federkraft einer auch als Failsafe-Einrichtung 26 zu bezeichnenden Druckfeder übersteigt. Eine entgegengesetzte Leitblechbewegung kann über eine Änderung der Exzentrizität der Radialkolbenpumpe 12 erreicht werden.
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2 bis 5 veranschaulichen alternative Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Abdichtungen 27a, 27b, 27c, 27d des Verbindungselements 20 der Aktuatorik 10. Für mit der 1 übereinstimmende Bauteile sind gleiche Bezugsziffern verwendet. Die folgenden Beschreibungen beschränken sich weitestgehend auf unterschiedliche Ausgestaltungen.
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In der 2 ist als Abdichtung 27a des Verbindungselements 20 alternativ zu der Stangendichtung eine Rollmembran vorgesehen, die einer durch einen Doppelpfeil gekennzeichneten Hubbewegung des Stellelementes 17 folgt. Die Abdichtung 27a schließt dazu eine Überlappung 28 ein, deren Auslegung eine maximale Hubbewegung des Stellelements 17 übertrifft. Im Einbauzustand umschließt die Abdichtung 27a einen Endbereich des Verbindungselements 20 und bildet dabei einen Kontaktbereich 29 bzw. eine Kontaktzone zwischen dem Führungsschlitten 16 und dem Verbindungselement 20. Als Maßnahme zur Verschleißminderung schließt der Kontaktbereich 29 der Abdichtung 27a eine Gewebefaserverstärkung 30 ein. Zur Fixierung bildet die Abdichtung 27a eine umlaufende Wulst 31, die formschlüssig in eine Ringnut 32 von einem Flansch 33 eingreift, der mit dem Pumpengehäuse 2 verbunden ist und an dem wiederum das Stellelement 17 befestigt ist.
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Die in 3 gezeigte Abdichtung 27b für das Verbindungselement 20 ist als bodenlose Rollmembran ausgeführt, die mittels eines Klemmrings 34 an dem Verbindungselement 20 befestigt ist und somit keine Gewebefaserverstärkung 30 benötigt. Der Führungsschlitten 16 ist damit unmittelbar an dem Verbindungselement 20 abgestützt. Die weitere außenseitige Anbindung der Abdichtung 27b ist entsprechend der in 2 abgebildeten Befestigung der Abdichtung 27a.
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Gemäß der 4 ist als Abdichtung 27c ein Faltenbalg vorgesehen, bei dem die Hubbewegung des Verbindungselements 20 von einer sich schließenden und öffnenden Falte 35 aufgenommen wird, die sich außenseitig an die Gewebefaserverstärkung 30 anschließt. Ebenso wie in für die Abdichtung 27b als Rollmembran gezeigt, kann auch die als Faltenbalg ausgeführte Abdichtung 27c bodenlos ausgeführt werden und dazu mittels Klemmring an dem Verbindungselement 20 befestigt werden.
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Nach der 5 umfasst die Abdichtung 27d einen Faltenbalg gemäß der 4, der durch einen Abstreifer 36 unterstützt ist. Der das Verbindungselement 20 umschließende Abstreifer 36 ist in einem Gehäuse 37 der Aktuatorik 10 eingesetzt und bildet ein vorgeschaltetes Dichtelement, das die Abdichtung 27d dauerhaft vor Verschmutzung sowie potentieller Beschädigung schützt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlmittelpumpe
- 2
- Pumpengehäuse
- 3
- Flügelrad
- 4
- Pumpenwelle
- 5
- Kühlmitteleinlass
- 6
- Kühlmittelauslass
- 7
- Pumpendeckel
- 8
- Leitblech
- 9
- Schubstange
- 10
- Aktuatorik
- 11
- Stirnseite
- 12
- Radialkolbenpumpe
- 13
- Hauptkolben
- 14
- Gegenkolben
- 15
- Durchgangsbohrung
- 16
- Führungsschlitten
- 17
- Stellelement
- 18
- Rotationsachse
- 19
- Druckraum
- 20
- Verbindungselement
- 21
- Abdichtung
- 22
- Ansaugventil
- 23
- Schließventil
- 24
- Hochdruckraum
- 25
- Stellkolben
- 26
- Failesafe-Einrichtung
- 27a
- Abdichtung
- 27b
- Abdichtung
- 27c
- Abdichtung
- 27d
- Abdichtung
- 28
- Überlappung
- 29
- Kontaktbereich
- 30
- Gewebefaserverstärkung
- 31
- Wulst
- 32
- Ringnut
- 33
- Flansch
- 34
- Klemmring
- 35
- Falte
- 36
- Abstreifer
- 37
- Gehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005004315 B4 [0003]
- DE 19901123 A1 [0003]
- DE 102005004315 A1 [0003]
- DE 102005062200 A1 [0003]
