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Die Erfindung betrifft einen Käfig für ein Axiallager mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Klimakompressor mit dem Axiallager, welcher den Käfig aufweist.
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Bei Kompressoren, insbesondere Klimakompressoren, müssen Wellen gegenüber einer Umgebungskonstruktion bei hohen Drehzahlen über Wälzlager abgestützt werden. Die Wälzlager müssen so ausgelegt sein, dass diese reibungsarm sind und trotz der hohen Drehzahlen eine hohe Lebensdauer aufweisen. Kritisch wird es bei den Wälzlagern, wenn ein Schmierfilm zwischen den Wälzkörpern und den Lagerpartnern, insbesondere der Laufbahn der Wälzkörper, gerissen ist und die Wälzkörper ungeschmiert oder schlecht geschmiert auf den Lagerpartnern abwälzen.
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Eine Kompressorenanwendung ist beispielsweise aus der Druckschrift
EP 1 418 351 A1 bekannt, die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet. In dieser Druckschrift ist eine Kompressorwelle gezeigt, wobei ein Verdichterabschnitt der Kompressorwelle über zwei Axiallager gegenüber der Umgebungskonstruktion abgestützt ist. Die Axiallager sind als Nadellager ausgebildet.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Käfig für ein Axiallager vorzuschlagen, so dass das Axiallager eine besonders lange Lebensdauer aufweist. Diese Aufgabe wird durch ein Käfig mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch einen Klimakompressor mit dem Axiallager, umfassend den Käfig, mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Käfig für ein Axiallager, insbesondere für ein Axialwälzlager. Der Käfig und/oder das Axiallager definiert eine Rotationsachse. Der Käfig weist eine Mehrzahl von Aufnahmen für Rollen auf, wobei die Rollen die Wälzkörper in dem Axiallager bilden. Prinzipiell können die Rollen eine beliebige Form einnehmen, besonders bevorzugt sind die Rollen als Zylinderrollen ausgebildet. Bei einer möglichen Realisierung der Erfindung sind die Rollen als Nadeln ausgebildet. Die Aufnahmen können bevorzugt jeweils genau eine Rolle aufnehmen. Der Käfig hat die Funktion, die Rollen in den Aufnahmen voneinander in Umlaufrichtung zu beabstanden. Vorzugsweise begrenzen die Aufnahmen die Lage der Rollen zudem in radialer Richtung. Die Aufnahmen und/oder die Rollen sind mit der Längserstreckung in radialer Richtung zu der Rotationsachse ausgerichtet. Vorzugsweise liegen die jeweiligen Rollenachsen der Rollen in einer gemeinsamen Radialebene zu der Rotationsachse. Insbesondere sind die Aufnahmen ausgebildet, die Rollen entsprechend aufzunehmen. Die Aufnahmen sind in Umlaufrichtung um die Rotationsachse bevorzugt regelmäßig verteilt.
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Die Rollen wälzen auf Laufbahnen von Lagerpartnern ab. Die Lagerpartner können beispielsweise als Lagerscheiben ausgebildet sein, welche einen Teil des Axiallagers bilden. Alternativ hierzu können die Lagerpartner als Komponenten der Umgebungskonstruktion und/oder einer Welle ausgebildet sein, wobei die Laufbahnen auf den Komponenten angeordnet bzw. durch diese gebildet sind. Es ist auch möglich, dass eine Mischform der Lagerpartner gewählt ist, wobei der eine Lagerpartner als Lagerscheibe und der andere Lagerpartner als Komponente der Umgebungskonstruktion oder Welle ausgebildet ist. Unter die Umgebungskonstruktion fallen insbesondere stationäre Komponenten, wie zum Beispiel Gehäuseabschnitte etc.
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Der Käfig weist Strömungsorgane auf, welche ausgebildet sind, die Schmiermittelführung zu unterstützen. Vorzugsweise sind die Strömungsorgane einteilig und/oder einstückig in dem Käfig integriert. Die Strömungsorgane haben die Aufgabe, bei einer Rotation des Käfigs Schmiermittel einzufangen und zu den Aufnahmen und damit zu den Rollen zu führen. Vorzugsweise weist der Käfig mehrere Strömungsorgane, insbesondere mehr als 10 Strömungsorgane, im Speziellen mehr als 15 Strömungsorgane auf. Besonders bevorzugt sind die Strömungsorgane in Umlaufrichtung regelmäßig verteilt. Die Strömungsorgane sind bevorzugt jeweils gleich ausgebildet und unterscheiden sich durch ihre Positionen in Umlaufrichtung und/oder durch ihre Winkelstellung in Bezug auf die Rotationsachse.
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Es ist dabei eine Überlegung der Erfindung, dass durch die Strömungsorgane aktiv Schmiermittel in Richtung der Aufnahmen und damit zu den Rollen gefördert wird, so dass die Schmiermittelversorgung der Rollen im Betrieb verbessert ist. Durch eine Verbesserung der Schmiermittelversorgung wird ein „Trockenlaufen“ des Axiallagers verhindert, so dass dieses eine besonders hohe Lebensdauer aufweisen kann. Es ist insbesondere problematisch, dass bei einer Rotation des Käfigs bei hohen Drehzahlen sich im Rahmen eines dynamischen Effekts dieser wie eine solide, insbesondere geschlossene Scheibe verhält, so dass verhindert wird, dass Schmiermittel in die Zwischenräume zwischen den Wälzkörpern und somit auch zwischen Laufbahn und Wälzkörpern dringen kann und somit das Lager schmiert. Insbesondere wird durch die Strömungsorgane ein Schmiermittelstrom erzeugt, welcher das Schmiermittel zu den Aufnahmen und damit zu den Rollen führt. Durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit bzw. den Druckaufbau des Schmiermittels kann diesem dynamischen Effekt entgegengewirkt werden.
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Bei einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung weisen die Strömungsorgane jeweils eine Fangöffnung zum Einfangen des Schmiermittels auf. Es ist vorgesehen, dass die Fangöffnung in Umlaufrichtung zu der Rotationsachse geöffnet ist. Damit fängt die Fangöffnung bei der Rotation des Käfigs in Umlaufrichtung Schmiermittel ein. Eine Öffnungsfläche der Fangöffnung ist gewinkelt zu einer Radialebene der Rotationsachse angeordnet. Es kann vorgesehen sein, dass die Öffnungsfläche senkrecht auf der Radialebene steht und damit z.B. in einer gemeinsamen Ebene mit der Rotationsachse liegt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Öffnungsfläche mit einem Winkel von < 90° auf der Radialebene steht, da dies fertigungstechnisch einfacher umsetzbar ist.
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Dabei ist es besonders bevorzugt, dass die Fangöffnung umlaufend geschlossen ist. Insbesondere bildet die Fangöffnung einen Durchbruch, ein Fenster oder eine Öffnung in dem Käfig aus. Durch die umlaufend geschlossene Ausbildung wird eine definierte Eintrittsfläche und damit eine sichere Funktionsweise der Strömungsorgane unterstützt.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strömungsorgane jeweils eine Führungsnut aufweisen. Die Führungsnut ist vorzugsweise in axialer Richtung geöffnet. Die Führungsnut schließt sich strömungstechnisch an die Fangöffnung an. In der Kombination der Fangöffnung mit der Führungsnut wird erreicht, dass das Schmiermittel prozesssicher eingefangen und dann in der gewünschten Richtung weitergeleitet wird. Besonders bevorzugt ist ein Nutgrund im Verlauf der Führungsnut ansteigend in axialer Richtung gegen die Umlaufrichtung ausgebildet, um das Schmiermittel in die gewünschte Richtung weiterzuleiten.
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Bei einer besonders bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung ist der Käfig als ein Blechformteil ausgebildet. Insbesondere wird der Käfig durch eine Verfahrensfolge einer trennenden Bearbeitung und einer umformtechnischen Bearbeitung in einer beliebigen Reihenfolge erzeugt. Vorzugsweise wird als Halbzeug ein Metallblech, insbesondere ein Stahlblech, verwendet, welches eine Dicke kleiner als 2 mm, insbesondere kleiner als 1 mm aufweist. In dieser Ausgestaltung ist es bevorzugt, dass die Strömungsorgane als Umformabschnitte, insbesondere Trenn-Umformabschnitte ausgebildet sind. Im Rahmen der Fertigung des Käfigs als Blechformteil können insbesondere die Führungsnuten umformtechnisch in den Käfig, im Speziellen durch Anprägen, eingebracht werden. Die Fangöffnungen können vor oder nach dem Einbringen der Führungsnuten in den Käfig, insbesondere durch Trennen, eingebracht werden. Nachdem der vollständige Käfig umformtechnisch gefertigt wird, können die Strömungsorgane mitlaufend gefertigt werden, ohne die Fertigungskosten zu erhöhen oder deutlich zu erhöhen. Damit kann die verbesserte Funktion des Käfigs kostenneutral oder zumindest kostensensibel umgesetzt werden.
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Nachdem der Käfig im Betrieb um die Rotationsachse rotiert, wird das Schmiermittel radial nach außen gedrängt. Vor diesem Hintergrund ist es bevorzugt, dass die Strömungsorgane radial innenliegend zu den Aufnahmen angeordnet sind.
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Besonders bevorzugt weist der Käfig einen Innenumfangabschnitt auf, wobei die Strömungsorgane in dem Innenumfangabschnitt eingebracht sind. Der Innenumfangabschnitt kann beispielsweise als ein Kreisringabschnitt ausgebildet sein, wobei der Kreisringabschnitt in einer Radialebene zu der Rotationsachse liegt.
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Bei einer bevorzugten konstruktiven Weiterbildung der Erfindung ist die Führungsnut zu einer ersten axialen Seite des Innenumfangabschnitts geöffnet und die Fangöffnung des gleichen Strömungsorgans ist zu einer anderen axialen Seite des Innenumfangabschnitts geöffnet. Das Schmiermittel wird somit durch den Innenumfangabschnitt durchgeführt. Auf diese Weise ist auch sichergestellt, dass die Fangöffnung umlaufend durch den Innenumfangabschnitt geschlossen ist. Besonders bevorzugt befindet sich das Strömungsorgan als Umformabschnitt auf einer axialen Seite des Innenumfangabschnitts, wobei die andere axiale Seite des Innenumfangabschnitts plan ausgebildet ist. In dieser bevorzugten Ausgestaltung erfolgt ein Materialfluss bei der Umformung ausgehend von dem Innenumfangabschnitt nur in eine axiale Richtung.
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Um das Schmiermittel möglichst effektiv zu den Aufnahmen zu leiten, ist es bevorzugt, dass die Führungsnut ausgehend von der Fangöffnung zum einen gegen die Umlaufeinrichtung und zum andern radial nach außen verläuft.
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In einer möglichen konstruktiven Realisierung der Erfindung weist der Käfig eine Mehrzahl von Stegen auf, welche die Aufnahmen in Umlaufrichtung voneinander abgrenzen. Die Stege weisen jeweils einen Mittelabschnitt und zwei Anbindungsabschnitte auf, wobei der Mittelabstand zwischen den Anbindungsabschnitten angeordnet ist. Über die Anbindungsabschnitte sind die Stege mit dem Käfig verbunden. Die Anbindungsabschnitte sind gegenüber dem Mittelabschnitt in axialer Richtung zurückversetzt. Es ist vorgesehen, dass die Führungsnut zu dem Mittelabschnitt geöffnet ist, so dass das Schmiermittel ungehindert zu den Aufnahmen und zu den Rollen gelangen kann.
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Ein weiterer Gegenstand Erfindung betrifft einen Kompressor mit einem Axiallager und einer Welle, wobei das Axiallager einen Käfig nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist. Besonders bevorzugt ist der Kompressor als ein Klimakompressor für ein Fahrzeug ausgebildet. Die Welle ist insbesondere als eine Kompressorwelle ausgebildet. Der Klimakompressor ist insbesondere als ein Spiral-, Flügelzellen- oder Axialkolbenverdichter ausgebildet. Im Speziellen weist die Welle einen Taumelscheibenabschnitt auf, wobei das Axiallager den Taumelscheibenabschnitt gegenüber der Umgebungskonstruktion lagert.
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Besonders bevorzugt ist das Schmiermittel als ein Kältemittel ausgebildet. Das Kältemittel weist insbesondere einen Siedepunkt kleiner als 150°, vorzugsweise kleiner als 120° auf. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Kältemittel, das zur Wärmeübertragung in einer Kälteanlage, insbesondere mit dem Kompressor eingesetzt wird, und das bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt, wobei Zustandsänderungen des Kältemittels erfolgen. Im Speziellen ist das Kältemittel als R1234yf ausgebildet.
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Es ist vorgesehen, dass das Axiallager mit dem Käfig mit dem Kältemittel geschmiert wird. Da das Kältemittel im Vergleich zu konventionellen Schmiermitteln, wie zum Beispiel Getriebeöl etc., schlechtere Schmiereigenschaften aufweist, treten die Vorteile durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Käfigs besonders in den Vordergrund.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Diese zeigen:
- 1 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines Käfigs für ein Axiallager mit Rollen als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine Ausschnittvergrößerung des Käfigs in der 1 auf einer ersten axialen Seite;
- 3 eine Ausschnittvergrößerung des Käfigs in der 1 auf einer zweiten axialen Seite;
- 4 eine Ausschnittvergrößerung des Käfigs in der 1 auf der zweiten axialen Seiten leicht geänderter Darstellung.
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Die 1 zeigt in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung einen Käfig 1 für ein Axiallager als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. In dem Käfig 1 sind Rollen 2 eingelegt, welche Wälzkörper in dem Axiallager bilden. Im Betrieb rotiert der Käfig 1 um eine Rotationsachse R in einer Umlaufrichtung U.
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Der Käfig 1 weist für die Rollen 2 eine entsprechende Anzahl von Aufnahmen 3 auf, wobei die Aufnahmen 3 und/oder die Rollen 2 so angeordnet sind, dass die Einzelrotationsachsen der Rollen 2 in einer gemeinsamen Radialebene zu der Rotationsachse R liegen und sich mit der Rotationsachse R schneiden. Die Rollen 2 sind als Zylinderrollen ausgebildet.
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Der Käfig 1 weist einen Rollenabschnitt 4 auf sowie einen Innenumfangabschnitt 5 auf, wobei in dem Rollenabschnitt 4 die Aufnahmen 3 bzw. die Rollen 2 angeordnet sind und wobei der Innenumfangabschnitt 5 radial innenseitig zu dem Rollenabschnitt 4 angeordnet ist. Der Innenumfangabschnitt 5 ist als ein Kreisringabschnitt ausgebildet, wobei der Kreisringabschnitt und/oder der Innenumfangabschnitt 5 in einer Radialebene zu der Rotationsachse R liegt.
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Der Käfig 1 weist Strömungsorgane 6 auf, wobei die Strömungsorgane 6 radial innenseitig zu dem Rollenabschnitt 4 angeordnet sind. In dem Ausführungsbeispiel sind die Strömungsorgane 6 auf dem Innenumfangabschnitt 5 angeordnet. Die Strömungsorgane 6 haben die Funktion, Schmiermittel aus der Umgebung einzufangen und zu den Aufnahmen 3 und damit zu den Rollen 2 zu führen. Zur Umsetzung dieser Funktion sind die Strömungsorgane 6 z.B. mit einer turbinenartigen Kontur ausgebildet. Die Strömungsorgane 6 sind in Umlaufrichtung U regelmäßig an dem Innenumfangabschnitt 5 verteilt.
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In der 2 ist ein Detailausschnitt des Käfigs 1 im Bereich des Innenumfangabschnitts 5 in einer Detailvergrößerung gezeigt. In Anlehnung an eine Pumpe könnte diese axiale Seite auch als Saugseite für das Schmiermittel bezeichnet werden. Aus der Darstellung ergibt sich, dass die Strömungsorgane 6 jeweils eine Fangöffnung 7 aufweisen, welche in Umlaufrichtung U geöffnet ist. Die Fangöffnung 7 ist als ein Fenster ausgebildet und umlaufend mit einem Rand begrenzt. Über die Fangöffnungen 7 wird im Betrieb das Schmiermittel eingefangen. Die Fangöffnungen 7 stehen über den Innenumfangabschnitt 5 in axialer Richtung über.
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Wie sich insbesondere aus einer Zusammenschau der 2, 3 und 4 ergibt, schließt sich bei jedem Strömungsorgan 6 an die Fangöffnung 7 eine Führungsnut 8 an, wobei die Führungsnuten 8 zu der anderen axialen Seite des Innenumfangabschnitts 5 geöffnet ist, so dass diese andere axiale Seite in Anlehnung an eine Pumpe auch als Druckseite für das Schmiermittel bezeichnet werden kann. Somit tritt das Schmiermittel an der einen axialen Seite, der Saugseite, des Innenumfangabschnitts 5 ein und tritt an der anderen axialen Seite, der Druckseite, das Innenumfangabschnitts 5 aus.
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Die Führungsnoten 8 erstrecken sich zum einen gegen die Umlaufrichtung U und zum anderen verlaufen diese von einem kleinen Durchmesser zu einem großen Durchmesser, so dass diese in radialer Richtung nach außen laufen, um die Aufnahmen 3 bzw. die Rollen 2 mit dem Schmiermittel zu versorgen.
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Der Käfig 1 ist als ein Blechformteil ausgebildet und weist eine Vielzahl von Stegen 9 auf, welche zwischen den Aufnahmen 3 angeordnet sind. Die Stege 9 weisen jeweils einen Mittelabschnitt 10 sowie zwei Anbindungsabschnitte 11 auf, wobei der Mittelabschnitt 10 jeweils zwischen den zwei Anbindungsabschnitten 11 angeordnet ist. Ein äußerer Anbindungsabschnitt 11 verbindet den Steg 9 mit einem Außenbereich 12 des Rollenabschnitts 4, ein innerer Anbindungsabschnitte 11 verbindet den Steg mit dem Innenumfangabschnitt 5. In Richtung der Druckseite steht der Mittelabschnitt 10 gegenüber den Anbindungsabschnitten 11 sowie gegenüber dem Innenumfangabschnitt 5 in axialer Richtung über. Dadurch wird erreicht, dass Schmiermittel, welches aus den Führungsnuten 8 austritt ungehindert zu den Aufnahmen 3 und somit zu den Rollen 2 gelangen kann.
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Die Strömungsorgane 6 können fertigungstechnisch beispielsweise durch eine Prägung und Trennung in den Innenumfangabschnitt 5 eingebracht sein.
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Funktional betrachtet verhält sich der Käfig 1 bei hohen Drehzahlen wie eine solide Scheibe, wobei die Winkelgeschwindigkeit der einzelnen Wälzkörper verhindert, das Schmiermittel in die Zwischenräume (zwischen den Wälzkörpern und somit auch zwischen Laufbahn und Wälzkörpern) dringen kann und somit das Axiallager schmiert. Durch das Anbringen der Strömungsorgane 6 mit den turbinenartigen Konturen wird Schmiermittel gesammelt und weitertransportiert. Die Strömungsorgane 6 als Schmiermittelzuführung ist am Innendurchmesser des Käfigs 1 in dem Innenumfangabschnitt 5 angebracht, da die Fliehkräfte nach außen wirken und das Schmiermittel über eine Welle, insbesondere vom Innenumfang, eingebracht wird. Durch die aufgrund der Strömungsorgane 6 erhöhte Strömungsgeschwindigkeit des Schmiermittels bzw. durch einen entsprechenden Druckaufbau kann die Schmierung mit dem Schmiermittel deutlich verbessert werden.
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Das Axiallager mit dem Käfig 1 kann beispielsweise in einem Klimakompressor eingesetzt werden, wobei das Schmiermittel durch ein Kältemittel des Klimakompressors gebildet ist. Bei der Verwendung des Kältemittels als Schmiermittel unterstützen die Strömungsorgane 6 die Schmiermittelversorgung der Rollen 4.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Käfig
- 2
- Rollen
- 3
- Aufnahmen
- 4
- Rollenabschnitt
- 5
- Innenumfangabschnitt
- 6
- Strömungsorgane
- 7
- Fangöffnung
- 8
- Führungsnut
- 9
- Stege
- 10
- Mittelabschnitt
- 11
- Anbindungsabschnitte
- 12
- Außenbereich
- R
- Rotationsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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