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Die Erfindung betrifft eine elektrische Innenläufermaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 umfassend ein Metallgehäuse, in welchem über eine durch Schrumpfen des Metallgehäuses erzeugte Pressverbindung, ein mehrere hintereinander angeordnete Bleche umfassendes Statorpaket festgelegt ist, innerhalb dessen ein rotierbarer Innenläufer angeordnet ist (
DE 102 61 617 A1 ), wobei sich das Statorpaket in radialer Richtung über Federmittel am Innenumfang des Metallgehäuses abstützt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Montieren eines Statorpaketes in einem Metallgehäuse einer solchen Innenläufermaschine.
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Zur Montage von Innenläufermotoren mit Stahlgehäuse ist es bekannt, das Statorpaket rein mechanisch durch Erzeugen einer Presspassung in dem Stahlgehäuse festzulegen. Die Presspassung wird durch Schrumpfen erzeugt, in dem das Stahlgehäuse zunächst erhitzt wird und sich dabei ausdehnt. Das Statorpaket wird dann im erhitzten Zustand des Stahlgehäuses in dieses eingeschoben, woraufhin das Stahlgehäuse abgekühlt wird und dadurch zusammenschrumpft und nach radial innen gegen das Statorpaket gepresst wird. Es resultiert also eine Pressverbindung zwischen dem Stahlgehäuse und dem Statorpaket.
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Diese Technologie wird bei Innenläufermotoren mit Aluminiumgehäusen nicht eingesetzt, da aufgrund der unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten von Stahl und Aluminium keine sichere Verbindung über einen großen Temperaturbereich von beispielsweise –40°C bis +140°C gewährleistet werden kann, was jedoch für einige Anwendungen gefordert wird.
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Daher werden bisher Statorpakete von Innenläufermotoren in das Aluminiumgehäuse eingeklebt. Das Einkleben ist jedoch ein aufwendiges und kostenintensives Verfahren mit aufwendigen Fertigungsschritten, die Dosier-, Absaug- und Trocknungsanlagen erfordern.
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Aus der
DE 102 61 617 A1 ist eine elektrische Maschine bekannt, deren Stator sich über deren Statorpaket über von dem Statorpaket separate Spannmittel am Innenumfang eines Gehäuses abstützt. Aus der Druckschrift ist es weiterhin bekannt, zwischen dem Gehäuse und dem Stator eine Pressverbindung durch Schrumpfen des Metallgehäuses zu erzeugen.
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Aus der
EP 2 482 429 A1 ist es bekannt, zwischen einem Statorkern und einem Rahmen einer Rohrmühle Federmittel einzusetzen. Gemäß einer Ausführungsform können die Federmittel im Statorkern vorgesehene, umfangsgeschlossene Aussparungen umfassen.
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Aus der
DE 10 2011 084 296 A1 ist eine elektrische Maschine bekannt, bei der das Statorpaket eine Wicklung trägt.
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Die
AT 505 153 B1 beschreibt einen Schienenfahrzeug-Direktantrieb sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Die
DE 100 41 330 A1 beschreibt ein Verfahren zum Einsetzen eines Einlaufschrägen aufweisenden Ständerpaketes.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Innenläufermaschine, d. h. einen Innenläufermotor oder Innenläufergenerator anzugeben, die auf einfache Weise, insbesondere unter Verzicht eines Klebeschrittes zum Festlegen des Statorpaketes in dem Metallgehäuse montierbar ist, unabhängig von der Wahl der Metallart des Gehäuses. Ferner besteht die Aufgabe im Bereitstellen eines entsprechenden Montageverfahrens, welches für Innenläufermaschinen geeignet ist, unabhängig von der Metallart des Metallgehäuses.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Innenläufermaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, Federmittel vorzusehen, über die sich das Statorpaket am Innenumfang des Metallgehäuses abstützt. Bei den Federmitteln handelt es sich um in das Statorpaket, insbesondere in mindestens ein Blech des Statorpaketes integrierte, d. h. einteilig mit mindestens einem Blech ausgebildete Federmittel. Die Federmittel stützen sich dabei in radialer Richtung am Metallgehäuse ab und dienen dabei zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen und eines möglichen Luftspaltes, infolge einer, je nach Wahl der Materialkombination Metallgehäuse/Statorpaket mehr oder weniger stärkeren oder geringeren Ausdehnung des Metallgehäuses bei höheren Temperaturen.
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Das Vorsehen im Statorpaket integraler Federmittel ermöglicht die Anwendung des Schrumpfverfahrens auch bei Nicht-Stahlmetallgehäusen, insbesondere Leichtmetalllegierungs-Metallgehäusen, bevorzugt Aluminiumgehäusen zur Herstellung einer Pressverbindung. Gerade bei Aluminiumgehäusen ist mit einer vergleichsweise starken Ausdehnung des Aluminiumgehäuses bei höheren Temperaturen zu rechnen. Die Federmittel garantieren auch bei einer starken temperaturbedingten Ausdehnung des Aluminiumgehäuses einen sicheren Halt des Statorpaketes im Metallgehäuse. Besonders zweckmäßig ist es hierzu, dass die Federmittel beim Einführen des Statorpaketes und der Federmittel in das Gehäuse vorgespannt sind, so dass sie bereits unter Federvorspannung am noch heißen Metallgehäuse anliegen.
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Insgesamt ermöglicht die erfindungemäße Ausgestaltung der elektrischen Innenläufermaschine eine sichere Verbindung über einen vergleichsweise großen Temperaturbereich, insbesondere von etwa –40°C bis etwa +140°C.
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Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn das Statorpaket ausschließlich über die durch Schrumpfen erzeugte Pressverbindung am Metallgehäuse festgelegt wird, dass also vollständig auf Klebemittel verzichtet wird.
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In diesem Fall können aufwendige Fertigungsschritte, wie das Klebstoffdosieren, Klebstoffdämpfeabsaugen und Klebstofftrocknen wegfallen. Die Zykluszeiten reduzieren sich erheblich und die Arbeitsplätze für Montagepersonal werden sicherer, da nicht mehr mit Gefahrstoffen umgegangen werden muss. Darüber hinaus entfällt die Gefahrstofflogistik – eine aufwendige Lagerung und Verwaltung der Klebstoffe entfällt. Darüber hinaus werden Gefahrstoffaustritte (mangels Gefahrstoffen) sicher verhindert.
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Eine nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete elektrische Innenläufermaschine, insbesondere ein Innenläufermotor oder ein Innenläufergenerator entfaltet seine vollen Vorteile für den bevorzugten Fall, dass das Metall des Metallgehäuses von dem Metall des Statorpaketes, insbesondere von Blechen des Statorpaketes, unterschiedlich ist. Besonders bevorzugt ist eine Kombination eines aus Aluminium ausgebildeten Metallblechs mit einem Statorpaket aus Stahlblech. Bei einer derartigen Konfiguration geben die Federmittel in einem unteren Temperaturbereich, in welchem das Metallgehäuse stärker schrumpft als das Statorpaket nach und verhindern damit eine Überdehnung des Aluminiumgehäuses. Bei höheren Temperaturen, bei denen die Ausdehnung des Aluminiumgehäuses höher ist als die des Statorpaketes verformen sich die Federelemente, insbesondere bei einer entsprechenden Vorspannung beim Einbau, in radialer Richtung nach außen und übernehmen damit die Halterung des Statorpaketes.
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Insgesamt kann es in Abhängigkeit der Temperatur sein, dass sich das Statorpaket ausschließlich über die Federmittel am Innenumfang des Metallgehäuses abstützt. Je nach Dimensionierung der Federmittel ist es auch möglich, insbesondere bei niedrigeren Temperaturen, dass sich das Statorpaket in Bereichen benachbart der Federmittel (zusätzlich zu den Federmitteln) unmittelbar am Innenumfang des Metallgehäuses abstützt.
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Die Federmittel sind bevorzugt so dimensioniert, dass sie einen sich in Folge thermischer Ausdehnung bildenden maximalen Luftspalt zwischen dem Metallgehäuse und dem die Wicklung tragenden Statorpaket ausgleichen. Nimmt man beispielsweise bei einer elektrischen Innenläufermaschine mit einem Innendurchmesser des Metallgehäuses von 80 mm einen maximalen radialen Luftspalt aufgrund von thermischer Ausdehnung von etwa 0,08 mm an, müssen die Federmittel diesen Weg abdecken. Bevorzugt können bei vorgenanntem Beispiel die Federmittel im eingebauten Zustand nach radial innen und radial außen elastisch mindestens jeweils um 0,04 mm verformt werden. Bei einer Innenläufermaschine mit einem Gehäuseinnendurchmesser von 30 mm kann man beispielsweise von einem maximalen Luftspalt von etwa 0,033 mm ausgehen, wobei hier die Federmittel bevorzugt in zwei Richtungen jeweils um mindestens 0,0165 mm elastisch verformbar sind. Bei vorstehenden Werten handelt es sich um angenommene Werte ohne Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen und Vorspannungen. Allgemein ist festzustellen, dass die Federmittel eine Abstützung am Innenumfang des Metallgehäuses auch bei für die jeweiligen Einsatzbedingungen maximalem Luftspalt gewährleisten sollten, bevorzugt unter Verbleiben der Restvorspannung zur Gewährleistung einer optimalen Positionierung.
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Im Hinblick auf die konkrete Ausgestaltung des Metallgehäuses, insbesondere eines Aluminiumgehäuses gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Das Metallgehäuse sollte das Statorpaket vollumfänglich umschließen, wozu es beispielsweise hülsenförmig oder topfförmig ausgestaltet sein kann. Bevorzugt umfasst das Metallgehäuse einen Zylinderabschnitt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen das Statorpaket aus mehreren hintereinander angeordneten Metallblechen auszubilden, wobei die Federmittel an zumindest einem der Bleche durch Stanzen und ggf. Biegen hergestellt sind, und zwar in Form einer Federgeometrie, d. h. einer Metallblechgeometrie, die in radialer Richtung elastisch deformierbar ist. Bevorzugt handelt es sich bei einem Stanzschritt zum Ausstanzen des Bleches und zum Ausstanzen der Federgeometrie um ein und denselben Stanzschritt. Ganz besonders bevorzugt sind an mehreren der Metallbleche Federgeometrien vorgesehen, beispielsweise an jedem zweiten oder dritten Blech. Besonders bevorzugt sind Federgeometrien in Umfangrichtung beabstandet angeordnet, insbesondere mehrere Federgeometrien an einem Blech, wobei es besonders zweckmäßig ist, wenn an mehreren Blechen jeweils an denselben Umfangspositionen Federgeometrien vorgesehen sind. Durch die Anzahl der Federgeometrien am Umfang zumindest eines der Statorbleche sowie durch die Anzahl der Bleche mit Federgeometrien können die Haltekräfte eingestellt bzw. variiert werden.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn an zumindest einem der Bleche, mehrere, insbesondere drei oder vier, bevorzugt gleichmäßig, in Umfangsrichtung beabstandete Federgeometrien ausgebildet sind, wobei es noch weiter bevorzugt ist, wenn nicht nur ein einziges Blech die mehreren in Umfangsrichtung beabstandeten Federgeometrien aufweist sondern mehrere Bleche, beispielsweise unmittelbar benachbarte, oder alternativ über mindestens ein, insbesondere federgeometriefreies Blech beabstandete Bleche. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn mindestens zwei der Federgeometrien aufweisenden Bleche identisch ausgestaltet sind, so dass sich die Federgeometrien der Bleche an denselben Umfangspositionen befinden.
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Im Hinblick auf die konstruktive Ausgestaltung der Bleche ist es vorteilhaft, wenn die Bleche des Statorpaketes mehrere über jeweils einen sogenannten Zahn voneinander beabstandete Nuten zur Aufnahme der mindestens einen Wicklung aufweisen, wobei die Zähne radial außen in ein, insbesondere umlaufendes Joch bzw. einem Jochabschnitt ausmünden. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die mindestens eine Federgeometrie, vorzugsweise die mehreren in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Federgeometrien dann jeweils an dem Joch angeordnet sind, und zwar in einer gedachten radialen Verlängerung eines Zahns, da hieraus eine minimale Deformation des Bleches bei niedrigen Temperaturen und der daraus resultierenden höheren Federkraft resultiert.
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Auch im Hinblick auf die konstruktive Ausgestaltung der Federgeometrie gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Besonders zweckmäßig ist es, wenn, wie erläutert, die Federgeometrie durch Ausstanzen hergestellt wird. Dabei kann es sich ausschließlich um einen Stanzschritt handeln oder alternativ um die Kombination eines Stanzschrittes mit einem Biegeschritt zum Formen der Geometrie. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Federgeometrie durch Stanzen einer randseitig, d. h. nach radial außen offenen, Ausnehmung ausgebildet wird, wobei durch die Ausnehmung zwei in Umfangsrichtung beabstandete, in radialer Richtung verformbare Federarme resultieren, die bei Bedarf noch gebogen werden können.
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Wie eingangs bereits ausgeführt ist es bevorzugt, wenn die Federmittel selbst im erhitzten Zustand des Metallgehäuses, d. h. vor dem Schrumpfen zur Ausbildung der Pressverbindung sich in radialer Richtung federnd am Innenumfang des Metallgehäuses abstützen, wobei es hierzu bevorzugt ist, an dem Gehäuse eine Einlaufschräge anzuordnen, die so ausgebildet ist, dass die Federmittel beim Einschieben des Statorpaketes und der, insbesondere integralen Federmittel durch die Einlaufschräge in radialer Richtung kraftbeaufschlagt und somit elastisch vorgespannt werden. Alternativ zu einer am Gehäuse vorgesehenen Einlaufschräge kann auch eine Einlaufschräge an einer fakultativen Montagehilfe realisiert sein, die bei der Montage vor der Einführöffnung des Metallgehäuses positioniert wird und die dann die elastische Vorspannung der Federmittel bei dem axialen Einfügen übernimmt.
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Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn sich die Federmittel in radialer Richtung in einer Abstützgeometrie am Innenumfang des Metallgehäuses abstützen, wobei die Abstützgeometrie bevorzugt derart ausgebildet ist, dass sie aufgrund eines formschlüssigen Zusammenwirkens mit den Federmitteln als Verdrehsicherung, d. h. ein Verdrehen des Statorpaketes relativ zum Metallgehäuse bei hohen Außentemperaturen sicher verhindert. Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, eine derartige Abstützgeometrie als Längsnut oder Längsrille auszugestalten, in die die Federmittel in axialer Richtung einschiebbar sind Hierzu ist die Abstützgeometrie, d. h. insbesondere die Längsnut oder Längsrille in axialer Richtung bevorzugt offen. Ganz besonders bevorzugt ist für den Fall des Vorsehens von mehreren in Umfangsrichtung beabstandeten Federgeometrien jeder Federgeometrieumfangsposition eine entsprechende Abstützgeometrie, insbesondere Längsnut oder Längsrille zugeordnet.
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Die Erfindung führt auch auf ein Verfahren zum Montieren einer nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Innenläufermaschine, genauer zum Montieren des Statorpaketes einer solchen Maschine in einem Metallgehäuse einer solchen Maschine, insbesondere einem Aluminiumgehäuse. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens eines, bevorzugt bereits mit einer Wicklung versehenen Statorpaketes von Federmitteln, wobei die Federmittel bevorzugt, wie bereits erläutert, integraler Bestandteil des Statorpaketes sind und ganz besonders bevorzugt durch einen Stanzvorgang, ggf. kombiniert mit einem Biegevorgang oder ausschließlich einem Stanzvorgang hergestellt werden.
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Ferner sollte ein über Umgebungstemperatur erhitztes, insbesondere über 150°C, noch weiter bevorzugt über 180°C, besonders bevorzugt auf eine Temperatur zwischen 180°C und 280°C, erhitztes Metallgehäuse, insbesondere ein Aluminiumgehäuse bereitgestellt werden, in welches das Statorpaket und die Federmittel eingebracht werden, insbesondere durch axiales Einschieben, insbesondere unter gleichzeitiger Vorspannung der Federmittel, wobei hierzu alternativ eine Einlaufschräge am Metallgehäuse vorgesehen sein kann oder an einer fakultativen Montagehilfe. Nach dem Einbringen des Statorpaketes und der Federmittel in das Metallgehäuse wird letzteres abgekühlt, insbesondere auf Umgebungstemperatur.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn zum Festlegen des Statorpaketes im Metallgehäuse auf Klebemittel verzichtet wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung sowie anhand der Zeichnungen.
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Dies zeigen in der einzigen 1 einen Ausschnitt von Teilen einer Innenläufermaschine.
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In 1 sind Bestandteile einer beispielsweise als Innenläufermotor ausgebildeten Innenläufermaschine 1 gezeigt. Die übrigen, an sich bekannten Teile wie eine, beispielsweise im Fall eines Innenläufermotors bestrombare, Wicklung sowie ein bevorzugt permanentmagnetischer Innenläufer sind aus Übersichtlichkeitgründen nicht dargestellt.
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In 1 ist ein Blech 2 (Metallblech) eines, mehrere hintereinander angeordnete Bleche umfassenden Statorpaketes 3 (Wicklungsträger) gezeigt. Das Blech 2 umfasst ein radial außen umlaufendes Joch 4 (Jochabschnitt), von dem in Umfangsrichtung beabstandet mehrere, über jeweils eine Nut 5 zur Aufnahme einer Wicklung beabstandete Zähne 6 nach radial innen ragen.
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Am Außenumfang des Statorpaketes 3, genauer des Bleches 2 sind Federmittel 7 in Form von in Umfangsrichtung beabstandeten Federgeometrien 8 vorgesehen, mit denen sich das Statorpaket 3 am Innenumfang 9 eines im Wesentlichen zylindrischen Metallgehäuses 10, hier beispielhaft aus Aluminium abstützt. Gezeigt ist aus Übersichtlichkeitgründen nur eine Federgeometrie mit zwei in Umfangsrichtung beabstandeten Federarmen 11, 12, die beim Stanzen des Bleches 2 durch die Realisierung einer nach radial außen offenen Aussparung 13 hergestellt wurden. Die Federmittel, genauer die Federgeometrie 8 bzw. die Federarme 11, 12 können in radialer Richtung, wie durch die zwei Doppelpfeile symbolisiert federn. Im konkreten Ausführungsbeispiel befinden sich die Federmittel 7 radial außen am Joch 4, und zwar in der gedachten radialen Verlängerung des Zahns 6.
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Zur zusätzlichen drehfesten Fixierung bzw. Festlegung des Statorpaketes 3 am Innenumfang des Metallgehäuses 10 ist am Innenumfang eine als sich in axialer Richtung des Gehäuses, d. h. in die Zeichnungsebene hinein erstreckende Abstützstruktur 14 in Form einer flachen Nut vorgesehen, an dessen Nutgrund die Federarme 11, 12, d. h. die Federmittel 7 anliegen.
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Ein ggf. vorgesehener bzw. sich bildender, geringer Luftspalt 15 zwischen dem Innenumfang 9 des Metallgehäuses 10 und den Bereichen des Außenumfangs des Statorpaketes 3, hier des Bleches 2 in Umfangsrichtung benachbart zu den Federmitteln 7 verändert sich in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des hier beispielhaft aus Aluminium ausgebildeten Metallgehäuses und des beispielhaft aus Stahlblech ausgebildeten Bleches 2.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Innenläufermotor
- 2
- Blech
- 3
- Statorpaket
- 4
- Joch
- 5
- Nut
- 6
- Zähne
- 7
- Federmittel
- 8
- Federgeometrie
- 9
- Innenumfang
- 10
- Metallgehäuse
- 11
- Federarm
- 12
- Federarm
- 13
- Ausnehmung
- 14
- Abstützstruktur
- 15
- Luftspalt
