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Die Erfindung betrifft einen Kurbeltrieb umfassend eine Kurbelwelle und mindestens ein Pleuel für eine Hubkolbenmaschine.
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Ein Anwendungsfall der Erfindung sind Brennkraftmaschinen mit variablen Triebwerkskomponenten zur Darstellung eines variablen Verdichtungsverhältnisses. Solche Triebwerkskomponenten sind bekannt. Beispielsweise werden in der
DE 10 2013 225 063 A1 und in der
DE 10 2005 055 199 A1 längenvariable Pleuelstangen beschrieben, welche ein hydraulisches System zur Abstützung der Pleuelstangenkraft und zur Variation der Pleuellänge aufweisen. Dieses hydraulische System enthält ein Schaltventil, welches sich auf dem Pleuel befindet. Ein in der Kurbelwelle eingebautes Vorsteuerventil wird eingesetzt, um das (Haupt-)Schaltventil des längenvariablen Pleuels zu schalten.
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Längenvariable Pleuelstangen, im Folgenden auch als VCR-Pleuel bezeichnet, stellen vielversprechende Lösungen dar zur Realisierung einer variablen Verdichtung. Die Abkürzung „VCR“ bezeichnet die Variabilität der Verdichtung (VCR = variable compression ratio).
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Es gibt aber noch weitere Lösungen zur Darstellung einer variablen Verdichtung. In der
DE 10 2009 048172 A1 wird ein Kolben mit variabler Kompressionshöhe beschrieben dessen Druckräume mittels eines fluiddruckbetätigten Schaltventils steuerbar sind. Das Schaltventil wird im Kolbenbolzen angeordnet und umfasst einen fluiddruckbetätigten Kolben. Durch Variation des anliegenden Fluiddruckes wird die Stellung des Schaltventils beeinflusst. Herrscht ein geringer Druck am Steuerkolben des Schaltventils, wird der Steuerkolben durch eine Druckfeder an einen ersten Anschlag gedrückt und das Ventil befindet sich in einer ersten Schaltstellung. Herrscht ein hoher Druck am Steuerkolben des Schaltventils, nimmt der Steuerkolben eine zweite Schaltstellung ein.
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Ein großer Vorteil von VCR-Pleueln und Kolben mit variabler Kompressionshöhe besteht darin, dass sich die Änderungen auf den Kurbeltrieb (und teilweise auf die Kolben) beschränken und der Rest der Brennkraftmaschine nahezu unverändert bleibt.
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Der Schmierölversorgungsdruck, im Folgenden als Öldruck bezeichnet, am Ausgang der Schmierölpumpe ist bei modernen Brennkraftmaschinen steuerbar und wird üblicherweise kennfeldgesteuert an den jeweiligen Motorbetriebszustand angepasst. Solche als Regelölpumpen bezeichnete Pumpen gehören zum Stand der Technik. Meistens wird dabei das Fördervolumen pro Pumpenwellenumdrehung variiert, was sich im Zusammenspiel mit dem hydraulischen Widerstand des Schmierölkreislaufes des Motors in einer Variation des Öldruckes äußert. Somit ist es bei Motoren mit Regelölpumpen leicht möglich, das Öldruckniveau zur Signalübertragung zu nutzen und dadurch Schaltventile im Pleuel oder im Kolbenbolzen zu steuern.
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In
DE 10 2017 102 313 A1 der Anmelderin wird ein solches fluiddruckbetätigtes Schaltventil im Detail beschrieben, welches über eine Steuerdruckleitung mit einem Vorsteuerventil in Fluidverbindung steht. Dieses Vorsteuerventil befindet sich vorzugsweise am freien Wellenende der Kurbelwelle in der Nähe der Drehachse. Die Betätigung dieses Ventils erfolgt über einen feststehenden Aktuator. Die genannte Fluidverbindung zwischen Vorsteuerventil und Schaltventil umfasst Bohrungen in der Kurbelwelle und in den Pleueln sowie eine oder mehrere Nuten in den Pleuellagern. Die Nuten in den Pleuellagern verringern die Tragfähigkeit der Pleuellagerung und sind daher nach Möglichkeit zu vermeiden. Die Funktion und das Zusammenwirken von Vorsteuerventil und Schaltventil sind in der genannten Anmeldung im Detail beschrieben.
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In der nachveröffentlichten
DE 10 2017 122 869 A1 der Anmelderin wird eine Kurbelwelle beschrieben, bei der auf den Hubzapfen ein Ölübertragungsring angeordnet ist, um eine Ölübertragung von der Kurbelwelle auf das Pleuel zu ermöglichen. Über diese hydraulische Verbindung kann ein Vorsteuerventil geschaltet werden oder Versorgungsöl in das Pleuel geleitet werden.
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Der Inhalt dieser Anmeldungen wird durch den Verweis und die Bezugnahme auf diese Anmeldungen zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung, um Wiederholungen zu vermeiden.
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Aus der
DE 10 41 291 A ist eine wälzgelagerte Brennkraftmaschine bekannt bei der das aus dem Hauptlager austretende Öl von einem konzentrisch zum Hauptlagerzapfen montierten Ölsammelring gesammelt und in eine Ölbohrung im Hubzapfen geleitet wird.
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Aus der
AT 518 703 A1 ist eine Hubkolbenmaschine bekannt, bei der innerhalb der Kurbelwelle ein Schmieröl-Kanal und ein Steueröl-Kanal vorgesehen sind. Der Steueröl-Kanal mündet durch ein vollständig innerhalb einer Schulterfläche einer an den Pleuellagersitz angrenzenden Kurbelwangenschulter angeordnete Ausgangsöffnung in wenigstens einen Pleuellagersitz.
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Aus der
WO 2009/ 049 652 A1 ist eine Schmierölversorgung eines Pleuelgleitlagers eier teilwälzgelagerten einteiligen Kurbelwelle mit geteilten Hauptlagern bekannt.
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Aus der
US 2 283 022 A ist eine Flüssigkeitsdichtung für Kurbelwellen bekannt.
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Die Erfindung betrifft ein System zur Übertragung eines Fluids (Steueröl oder Hydrauliköl) von einer Kurbelwelle auf einPleuel einer Hubkolbenmaschine. Dabei werden nur sehr geringe Fluidströme gefördert. Im Idealfall wird nur der Druck des Steueröls zur Signalübertragung verwendet und, mit Ausnahme von Leckagen, findet überhaupt kein Fluidtransport statt. Es ist wichtig, eine hydraulische Verbindung zwischen Bauteilen, die sich relativ zueinander bewegen (Kurbelwelle und Pleuel) so zu realisieren, dass die Leckagemengen relativ gering sind. Die Belastbarkeit des Kurbeltriebs soll nicht oder nur unwesentlich verringert werden. Außerdem soll - weil es sich um ein Massenprodukt handelt - der Fertigungsaufwand möglichst gering sein.
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Im Hinblick auf die Erfindung wird häufig der Begriff „Fluidleitung“ verwendet. Dieser Begriff ist funktional zu verstehen. Eine Fluidleitung im Sinne der Erfindung kann beispielsweise durch eine Bohrung, eine Nut, ein Rohr oder auf andere Weise realisiert werden. Eine Fluidleitung kann auch durch mehrere ineinander mündende Bohrungen realisiert werden, die teilweise nach dem Herstellen der Bohrung wieder verschlossen werden. Damit können Fluidleitungen in einem Motorgehäuse oder in einer Kurbelwelle um die Ecke“ geführt werden.
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Eine Fluidleitung kann auch erzeugt werden, wenn die Kurbelwelle durch generative Herstellungsverfahren hergestellt wird. Dann entfallen die fertigungstechnischen Restriktionen einer Bohrung und die Gestaltung der Fluidleitung kann weitestgehend frei erfolgen. Vor diesem Hintergrund werden die Begriffe „Fluidleitung“ und „Bohrung“ teilweise synonym verwandt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fluidverbindung zwischen Kurbelwelle und Pleuel, bzw. zwischen Vorsteuerventil und Schaltventil, darzustellen, ohne die Tragfähigkeit des Pleuellagers zu beeinträchtigen. Die Lösung soll außerdem kostengünstig und langlebig sein.
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Diese Aufgabe wird bei einem Kurbeltrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kurbeltrieb wird das Öl von den Ölübertragungsringen in das Pleuel in axialer Richtung übertragen. Die axialen Anlaufflächen der Ölübertragungsringe und die damit zusammenwirkenden axialen Anlaufflächen des Pleuels sind demzufolge kreisringförmige ebene oder kegelstumpfförmige Flächen, die fertigungstechnisch einfach zu beherrschen sind und eine Übertragung des Öls bzw. eines Druckimpulses des Steueröls mit geringen Leckagen und geringen Reibungsverlusten ermöglicht.
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Der erfindungsgemäße Ölübertragungsring ermöglicht die Übertragung von Steueröl oder Hydrauliköl von der rotierenden Kurbelwelle auf das Pleuel, ohne die Breite der Lagerdeckel
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bzw. der Pleuellagerung auf dem Hubzapfen nennenswert zu verringern. Dadurch wird die Tragfähigkeit der Pleuellagerung auf dem Hubzapfen nicht oder nur in sehr geringem Maße verringert und die mechanische Belastbarkeit des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs bleibt unverändert hoch.
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Der oder die Ölübertragungsringe können aus härtbarem Stahl hergestellt werden. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Anlauffläche des oder der Ölübertragungsringe härter ist als die Anlauffläche des Pleuels. Dies kann durch Härten, Nitrieren oder Beschichten, beispielsweise mit einer DLC-Beschichtung (DLC= diamond like carbon), erfolgen. Dadurch ist ein sehr langlebiger und verschleißarmer Betrieb möglich.
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Der erfindungsgemäße Ölübertragungsring hat eine relativ einfache Geometrie, so dass er fertigungstechnisch sehr gut zu beherrschen ist und die Kosten zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Ölübertragungsrings gering sind.
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Um sicherzustellen, dass die Ölübertragungsringe sich nicht relativ zu der Kurbelwelle auf dem Hubzapfen verdrehen, weisen der oder die Ölübertragungsringe mindestens eine Ausnehmung auf, die Kurbelwelle weist mindestens auf . Die der oder den Ausnehmungen komplementäre Haltenase auf. Die mindestens eine Haltenase und die mindestens eine Ausnehmung bilden eine formschlüssige Verdrehsicherung des oder der Ölübertragungsringe relativ zu dem Hubzapfen.
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Weil die Ölübertragungsringe relativ zu den Hubzapfen und relativ zu den Kurbelwangen der Kurbelwelle sich nicht bewegen, kann die Ölübertragung von den Kurbelwangen in die Ölübertragungsringe durch eine oder zwei Aufnahmebohrungen erfolgen, die in axialer Richtung, d.h. parallel zur Längsachse des Kurbelzapfens bzw. parallel zur Drehachse der Kurbelwelle, verlaufen.
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Auf Seiten des Pleuels ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass eine Steuerdruckleitung oder eine Versorgungsleitung in der Anlauffläche des Pleuels beginnt und mit der Nut eines der Ölübertragungsringe hydraulisch in Verbindung steht, so dass das in den Nuten der Ölübertragungsringen befindliche Öl in die Steuerdruckleitung oder die Versorgungsleitung des Pleuels gefördert wird. Selbst wenn die Fördermenge sehr gering oder nahezu Null ist, findet eine Druckübertragung zwischen dem Öl in dem Ölübertragungsring und beispielsweise der Steuerdruckleitung im Pleuel statt, so dass auf diese Weise ein Steuerimpuls von einem Vorsteuerventil in der Kurbelwelle auf ein Schaltventil im Pleuel übertragen werden kann.
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Die Ölübertragungsringe weisen mindestens eine Zulaufbohrung auf, wobei die Zulaufbohrung auf einer der Anlauffläche gegenüber liegenden Fläche der Ölübertragungsringe beginnt und in der Nut endet.
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Auf Seiten der Kurbelwelle ist in der oder den Aufnahmebohrungen mindestens ein rohrförmiges Druckstück vorhanden. Das Druckstück stellt eine hydraulische Verbindung zwischen der Steuerölbohrung in einer Kurbelwange der Kurbelwelle und einem der Ölübertragungsringe oder zwischen der Versorgungsölbohrung in der Kurbelwange der Kurbelwelle und dem anderen Ölübertragungsring her.
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Die Druckstücke bzw. die Aufnahmebohrungen sind so positioniert, dass sie fluchtend mit der Zulaufbohrung in den Ölübertragungsringen angeordnet sind. Dadurch wird das Öl von der Steuerölbohrung oder der Versorgungsölbohrung der Kurbelwelle direkt in die Nuten der Ölübertragungsringe gefördert und von dort weiter in die bereits angesprochene Steuerdruckleitung oder Versorgungsleitung im Pleuel gefördert.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist in der Aufnahmebohrung eine Feder vorhanden, welche das Druckstück gegen einen der beiden Ölübertragungsringe drückt. Dadurch ist die Leckage am Übergang zwischen Druckstück und Ölübertragungsring minimal. Ein nennenswerter Verschleiß findet nicht statt, da sich die Ölübertragungsringe nicht relativ zu dem oder den Druckstücken bewegen.
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Um die Steuerölbohrungen oder die Versorgungsölbohrungen, die ja in erster Näherung radial in der Kurbelwange nach außen verlaufen, in eine axiale Richtung umzulenken, ist vorgesehen, dass in mindestens einer Kurbelwange eine Ausnehmung vorhanden ist, dass die Steuerölbohrung oder die Versorgungsölbohrung in die mindestens eine Ausnehmung mündet und dass in der mindestens einen Ausnehmung ein Umlenkstück angeordnet ist. Das Umlenkstück besteht aus eine Verteilernut und einer oder zwei Aufnahmebohrungen für das oder die Druckstücke. Die Aufnahmebohrungen in die Verteilernut, die wiederum mit der Steuerölbohrung oder der Versorgungsölbohrung in der Kurbelwange kommuniziert. Auf diese Weise wird das in der Steuerölbohrung oder der Versorgungsölbohrung strömende Öl von einer radialen Richtung in eine axiale Richtung umgelenkt. Es ist fertigungstechnisch einfacher ein solches Umlenkstück mit der Verteilernut und zwei Aufnahmebohrungen als separates Bauteil herzustellen und dies anschließend in die Ausnehmung der Kurbelwangen der Kurbelwelle einzusetzen, als diese Bohrungen in die Kurbelwangen der Kurbelwelle einzubringen und anschließend die Bohrungen an einem Ende wieder zu verschließen, beispielsweise durch einen Schweißpunkt oder eine Verschlussschraube.
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Um zu gewährleisten, dass das Umlenkstück durch im Betrieb auftretende Fliehkräfte nicht von der Kurbelwange weggeschleudert werden, verengt sich die Ausnehmung in radialer Richtung nach außen und das Umlenkstück wird formschlüssig und bevorzugt mit einem Presssitz in diese Ausnehmung eingepresst. Dadurch ist das Umlenkstück gegen Verlieren gesichert und das Druckstück ist dichtend mit der Kurbelwange verbunden.
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Es ist auch möglich, das Umlenkstück stoffschlüssig mit der Kurbelwange zu verbinden. Das kann durch Laserstrahlschweißen, Elektronenstrahlschweißen oder Hartlöten erfolgen.
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Um zu gewährleisten, dass die Anlaufflächen von Ölübertragungsring und Pleuel stets Kontakt miteinander haben, ist zwischen den Kurbelwangen und den Ölübertragungsringen ein Federelement, insbesondere eine Wellfeder oder eine Tellerfeder, angeordnet. Dieses Federelement drückt den Ölübertragungsring mit seiner Anlauffläche gegen die Anlauffläche des Pleuels. Dadurch wird die Leckage des aus der Nut austretenden Öls minimiert.
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Um die erfindungsgemäßen Ölübertragungsringe auf geschmiedeten oder gegossenen Kurbelwellen montieren zu können, sind die Ölübertragungsringe in vorteilhafter Ausgestaltung zweiteilig ausgeführt und umfassen zwei Ringhälften. Zwischen den beiden Ringhälften sind Ringstöße ausgebildet und in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Ringhälften an den Ringstößen formschlüssig miteinander verbunden. Dadurch ist gewährleistet, dass die Ringhälften bei den erheblichen Fliehkräften, die im Betrieb der Brennkraftmaschine auftreten, als Ring zusammenbleiben und nicht nach außen geschleudert werden.
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Alternativ ist es auch möglich, die Ringhälften, nachdem sie auf den Hubzapfen der Kurbelwelle montiert wurden, stoffschlüssig miteinander zu verbinden, insbesondere zu verschweißen oder zu verlöten.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kurbeltrieb kann vorgesehen sein, dass in einer Zentralbohrung eines Hauptlagerzapfens ein schaltbares Vorsteuerventil angeordnet ist. Die Zentralbohrung, welche das Vorsteuerventil aufnimmt, wird über mindestens eine Zulaufbohrung mit Steueröl versorgt, und die mindestens eine Zulaufbohrung steht mit der Ölversorgung der Brennkraftmaschine hydraulisch in Verbindung. Ein Ausgang dieses schaltbaren Vorsteuerventils wiederum ist mit der Steuerölbohrung in mindestens einer Kurbelwange der Kurbelwelle hydraulisch verbunden.
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Der erfindungsgemäße Kurbeltrieb ist vorteilhafterweise bei einer Brennkraftmaschine, einer Kolbenpumpe oder einem Dampfmotor einsetzbar.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine Ansicht von vorne auf einen erfindungsgemäßen Kurbeltrieb;
- 2 eine Seitenansicht eines zu dem Kurbeltrieb gehörenden Pleuels;
- 3 das Schaltventil in dem Pleuel in einem Schnitt entlang der Linie G-G;
- 4 das Schaltventil in einem Schnitt entlang der Linie B-B;
- 5 ein Detail am Übergang zwischen Kurbelwangen und Ölübertragungsringen;
- 6 eine isometrische Darstellung eines Ausschnitts der Kurbelwange, eines Hubzapfens und eines Ölübertragungsrings;
- 7 einen Schnitt durch ein Umlenkelement und einen Ölübertragungsring;
- 8 die Kurbelwangen des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs mit den Ausnehmungen zur Aufnahme eines Umlenkelements; und
- 9 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Ölübertragungsrings mit formschlüssig miteinander gekoppelten Ringhälften.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In der Figurenbeschreibung liegt das Hauptaugenmerk auf der Weiterentwicklung der Ölübertragung zwischen der Kurbelwelle und dem Pleuel, ausgehend von der
DE 10 2017 122 869 A1 , erläutert.
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Die 1 zeigt eine Ansicht von vorne auf einen erfindungsgemäßen Kurbeltrieb, umfassend eine Kurbelwelle 4 und ein VCR-Pleuel 1. In dieser Ansicht ist ein Hauptlagerzapfen 4.1 der Kurbelwelle 4 zu erkennen. Der mindestens auf der anderen Seite der Kurbelwelle vorhandene weitere Hauptlagerzapfen ist in dieser Ansicht nicht sichtbar.
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Der Mittelpunkt des Hauptlagerzapfens 4.1 definiert eine Drehachse der Kurbelwelle. In der 1 ist auch eine Kurbelwange 4.2 zu sehen. Die Kurbelwange 4.2 ist bei diesem Ausführungsbeispiel einstückig mit einem Hubzapfen 4.6 (siehe 6) verbunden. Ein Mittelpunkt des in der 1 nicht sichtbaren Hubzapfens 4.6 ist mit 4.7 bezeichnet.
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Es gibt auch gebaute Kurbelwellen bei denen Hauptlagerzapfen 4.1, Kurbelwangen 4.2 und Hubzapfen 4.6 miteinander verpresst sind. Die Erfindung kann auch bei gebauten Kurbelwellen zum Einsatz kommen.
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Jeder Hubzapfen 4.6 einer Kurbelwelle 4 trägt ein Pleuel 1. Das Pleuel 1 umfasst ein großes Pleuelauge, das größtenteils durch die Kurbelwange 4.2 verdeckt ist, und ein im oberen Teil der 1 dargestelltes kleines Pleuelauge 1.4.
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Das kleine Pleuelauge
1.4 ist Teil eines Exzenters
1.5, der über einen Schwenkhebel
1.6 in einer Lagerbohrung
1.11 des Pleuels
1 verdreht/verschwenkt werden kann. Die Funktionsweise des VCR-Pleuels
1 ist nicht Gegenstand der Erfindung. Deshalb wird auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet und auf die
DE 10 2017 102 313 A1 und die nachveröffentlichte
DE 10 2017 122 869 A1 der gleichen Anmelderin verwiesen.
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In der 1 ist ein Pleuelunterteil 1.7 im Bereich des großen Pleuelauges zu erkennen. Der Pleuelunterteil 1.7 wird mit Dehnschrauben, von denen in der 1 nur eine zu sehen ist, mit dem oberen Teil 1.8 des Pleuels 1 verbunden.
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In der 2 ist das Pleuel 1 ohne Kurbelwelle 4 dargestellt. In dieser Darstellung ist das große Pleuelauge (ohne Bezugszeichen) und die beide Dehnschrauben zur Befestigung des Pleuelunterteils 1.7 an dem oberen Teil 1.8 des Pleuels 1 zu sehen. In dem Pleuelunterteil 1.7 ist ein Schaltventil 2 angeordnet. Es dient dazu, Öl, welches über die Kurbelwelle in das Pleuel 1 gelangt, wahlweise einem der beiden Stützzylinder (nicht sichtbar in der 1) zuzuführen. Die Stützzylinder dienen dazu, den Schwenkhebel 1.6 zu betätigen, so dass der Exzenter 1.5 relativ zu der Lagerung im Pleuel 1 gedreht wird und infolgedessen der Abstand zwischen dem kleinen Pleuelauge 1.4 und dem großen Pleuelauge des Pleuels 1 verändert wird.
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In der 2 sieht man rechts von dem Exzenter 1.5 eine Stützstange 1.9. Dabei handelt es sich um die sogenannte massenkraftseitige (MKS) Stützstange, die mit dem nicht sichtbaren massenkraftseitigen Stützzylinder verbunden ist. Auf der linken Seite des Exzenters 1.5 bzw. des kleinen Pleuelauges 1.4 ist in der 2 eine gaskraftseitige (GKS) Stützstange 1.10 sichtbar, die mit dem nicht sichtbaren gaskraftseitigen Stützzylinder verbunden ist.
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Für die Erfindung ist die Funktionalität der Stützzylinder nur insofern von Bedeutung, als sie den Schwenkhebel
1.6 betätigen und dadurch den Exzenter
1.5 in der Lagerbohrung
1.11 des Pleuels verdrehen. In der
DE 10 2013 225063 A1 der Anmelderin wird die Funktionsweise der Stützzylinder mit ihren Stützkolben und -kammern im Detail erläutert. Auf diese Erläuterungen sei an dieser Stelle verwiesen. Durch Füllen eines der beiden Stützzylindermit Öl und Ablassen von Öl aus dem jeweils anderen Stützzylinder wird der Schwenkhebel
1.6 und mit ihm der Exzenter
1.5 in der Lagerbohrung
1.11 des Pleuels
1 gedreht.
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Mit Hilfe des Schaltventils 2 wird das Umschalten zwischen der Befüllung eines der beiden Stützzylinder mit Versorgungsöl und das Entleeren des jeweils anderen Stützzylinders gesteuert. Das Schaltventil 2 wird durch Steueröl betätigt.
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Bei VCR-Pleueln, die hydraulisch betätigt werden, müssen zwei separate Versorgungsölflüsse von der Kurbelwelle auf das Pleuel übertragen werden. Einer der beiden Steuerölflüsse betätigt den massenkraftseitigen Stützzylinder während gleichzeitig der gaskraftseitige Stützzylinder entleert wird.
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In Folge dessen bewegt sich der Exzenter 1.6 in die Stellung „niedrige Verdichtung“. Wenn der gaskraftseitige Stützzylinder 1.10 mit Versorgungsöl gefüllt wird und gleichzeitig der massenkraftseitige Stützzylinder entleert wird, bewegt sich der Exzenter 1.6 in die Stellung „hohe Verdichtung“.
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Mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Ölübertragungsrings 5, 6 kann ein Versorgungsölstrom von der Kurbelwelle 4 auf das Pleuel 1 übertragen werden.
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Wenn also das Pleuel 1 sowohl mit Versorgungsöl als auch mit Steueröl versorgt werden muss, dann werden zwei erfindungsgemäße Ölübertragungsringe 5, 6 eingesetzt. Die erfindungsgemäße Übertragung von Versorgungsöl erfolgt bei beiden Ölübertagungsringen 5. 6 auf die gleiche Weise, so dass die Erfindung am Beispiel des Ölübertragungsrings 5 erläutert wird. Für den Ölübertragungsring 6 gilt das Gleiche.
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In den 3 und 4 sind Schnitte durch das Pleuelunterteil 1.7 mit dem Schaltventil 2 dargestellt. Die 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie G-G aus der 2. Die 4 zeigt einen Schnitt entlang der Linie B-B aus der 1.
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Der Erfindung ist von Bedeutung, dass das Schaltventil 2 zwei Ausgänge (oder Arbeitsanschlüsse) hat. Der Ausgang 1.2.2 ist mit dem massenkraftseitigen Stützzylinder 1.9 verbunden. Dies wird auch durch die Buchstabenkombination „MKS“ angedeutet. Der Ausgang 1.2.1 ist mit dem gaskraftseitigen Stützzylinder verbunden. Dies ist auch durch die Buchstabenkombination „GKS“ angedeutet .
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In der 4 sieht man eine Steuerdruckleitung 1.2.3, die einen Druckraum 2.7 gegen die Kraft einer Feder mit Steueröl füllen kann. Wenn der Druckraum 2.7 mit Steueröl gefüllt wird, bewegt sich ein Ventilschieber 2.2 von der in der 4 dargestellten Endposition nach rechts. Wenn der Schieber 2.2 mit seinem in 4 rechten Ende gegen eine feste Platte 2.5 läuft, dann nimmt der Schieber 2.2 und mit ihm das Schaltventil 2 die zweite Schaltstellung ein.
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Beim Betrachten der 3 und 4 ist zu beachten, dass in der Ventilschieber 2.2 in beiden Figuren in der ersten Endposition dargestellt ist. In beiden Figuren liegt der Ventilschieber 2.2 an dem gleichen Deckel 2.3 an. Das liegt an den unterschiedlichen Blickrichtungen in den 3 und 4. Die wichtigsten Bauteile und Nuten des Schaltventils 2 sind in der Bezugszeichenliste aufgeführt.
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Ohne auf die konstruktiven Details und Funktion des Schaltventils einzugehen, ist folgendes festzuhalten:
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In der in den 3 und 4 dargestellten ersten Schaltstellung gelangt Versorgungsöl über eine Versorgungsleitung 1.2.4 in den Ringraum 2.2.1 (siehe 4). Unabhängig von der Schaltstellung des Schaltventils 2 liegt im Ringraum 2.2.1 (siehe 4) Versorgungsöldruck an. In dieser ersten Schaltstellung des Schaltventils 2 nimmt der Exzenter 1.5 die in der 1 dargestellte Position ein. In dieser Position ist der Abstand zwischen dem großen Pleuelauge und kleinem Pleuelauge 1.4 minimal und die Verdichtung daher niedrig. In der dargestellten Schaltstellung kann Öl aus der MKS-Stützkammer über die HD-Ablaufleitung 1.2.2 in den Ringraum 2.2.1 strömen. Von dort aus kann es über ein nicht dargestelltes Rückschlagventil in die GKS-Stützkammer einfließen. Die HD-Ablaufleitungen führen Öl aus den Stützkammern ab. Wenn nun die MKS-Stützkammer „offen“ ist, kann der MKS-Stützkolben eintauchen und der Exzenter 1.6 kann sich im Uhrzeigersinn (siehe 1) drehen. Folglich nimmt die Länge des Pleuels 4 nach einigen Umdrehungen der Kurbelwelle ihren Maximalwert ein; d. h die Verdichtung ist hoch. Wenn durch die Zufuhr von Steueröl in den Druckraum 2.7 der Ventilschieber 2.2. die zweite Schaltstellung einnimmt, dann bewegt sich der Exzenter 1.6 im Gegen-Uhrzeigersinn (siehe 1) und damit in die andere, in 1 nicht dargestellte Position. Der Abstand zwischen kleinem Pleuelauge 1.4 und großem Pleuelauge wird minimal und infolgedessen ist die Verdichtung niedrig.
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Wie bereits weiter oben angesprochen muss das Pleuel 1 bzw. das Schaltventil 2 einerseits mit Steueröl versorgt werden, um das Schaltventil 2 zu betätigen. Die beiden Stützzylinder sind über eine Zulaufleitung oder zweite Leitung permanent mit Versorgungsöl beaufschlagt. In den Zulaufleitungen ist jeweils ein Rückschlagventil vorgesehen. Das Schaltventil 2 steuert den Abfluss von Versorgungsöl aus den Stützzylindern. In Abhängigkeit der Schaltstellung sperrt das Schaltventil 2 den Abfluss von Versorgungsöl aus den das bei ihm ankommende Versorgungsöl über seine Ausgänge entweder zu dem gaskraftseitigen Stützzylinder oder zu dem massenkraftseitigen Stützzylinder. Anders ausgedrückt: Über eine Kurbelwange 4.2 der Kurbelwelle 4 muss Steueröl zu dem Pleuel 1 übertragen werden. Außerdem und unabhängig davon muss Versorgungsöl von der anderen Kurbelwange 4.2 zu dem Pleuel 1 übertragen werden. Der technisch anspruchsvollste Punkt der Ölübertragung von der Kurbelwelle 4 auf das Pleuel 1 ist der Übergang von der Kurbelwange 4.2 auf das Pleuel 1, da das Pleuel 1 um den Hubzapfen 4.6 der Kurbelwelle 4 rotiert. Die Übertragung von Steueröl und Versorgungsöl muss zwischen zwei sich relativ zueinander drehenden Teilen (Kurbelwelle 4 und Pleuel 1) erfolgen.
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Aus der nachveröffentlichten
DE 10 2017 122 869 A1 ist eine Lösung für diese Aufgabe bekannt. Sie arbeitet mit einem Ölübertragungsring, der an seinem Außendurchmesser eine Nut aufweist. Dieser Ölübertragungsring wird in eine Ausnehmung des Pleuels eingesetzt und überträgt über die radial außen befindliche Nut das Steueröl bzw. das Versorgungsöl auf das Pleuel. Weil die Ölübertragung am radial äußeren Durchmesser des Ölübertragungsring erfolgt „radiale Ölübertragung“, kann man ihn als radialen Ölübertragungsring bezeichnen.
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Die vorliegende Erfindung arbeitet ebenfalls mit einem Ölübertragungsring, allerdings wird das Öl zwischen Ölübertragungsring und Pleuel über eine ringförmige stirnseitig eingearbeitete Nut und somit axial übertragen. Daher wird der erfindungsgemäße Ölübertragungsring 5 bzw. 6 auch als axialer Ölübertragungsring bezeichnet. Im Zusammenhang mit der Erfindung ist nochmals darauf hinzuweisen, dass die Erfindung die Übertragung von Steueröl und/oder Versorgungsöl von der Kurbelwelle auf das Pleuel ermöglichen soll. Daher gibt es zwei Ölübertragungsringe 5 bzw. 6. Die Ölübertragungsringe 5 und 6 sind baugleich ausgeführt. Lediglich ihre Funktion (übertragen von Steueröl bzw. Versorgungsöl) ist unterschiedlich. Daher wird der Aufbau und die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Ölübertragungsringe 5 und 6 nur anhand des Ölübertragungsrings 5 erläutert. Der Ölübertragungsring 6 ist baugleich ausgeführt.
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In der 4 sind einige konstruktive Details der Ölübertragungsringe 5 und 6 ersichtlich. Zunächst soll jedoch anhand der 6 die „Peripherie“ der Ölübertragungsringe, nämlich der Hubzapfen 4.6 und die Kurbelwangen 4.2 der Kurbelwelle 4 kurz dargestellt und erläutert werden.
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In der 6 wird deutlich, dass die Kurbelwangen 4.2 über den Durchmesser des Hubzapfens 4.6 hinausragen. Dadurch ergibt sich an beiden Kurbelwangen 4.2 ein ringförmiger erster Anlaufspiegel 4.11 (nicht sichtbar in 6) und ein zweiter Anlaufspiegel 4.12. Die Anlaufspiegel 4.11 und 4.12 sind kreisringförmige Flächen. In der 6 ist ein Wellring 8 dargestellt. Der Wellring 8 wird zwischen den Anlaufspiegeln 4.11 bzw. 4.12 und den Ölübertragungsringen 5 und 6 (der Ölübertragungsring 6 ist in der 6 nicht dargestellt) eingesetzt, um die Ölübertragungsringe 5 und 6 in axialer Richtung gegen das ebenfalls nicht dargestellte Pleuel zu drücken und die Leckage zwischen den Ölübertragungsringen 5, 6 und dem Pleuel 1 zu minimieren.
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In der 6 sind zwei Umlenkstücke 9 zu erkennen. Sie dienen dazu, das in den Kurbelwangen 4.2 durch eine Steuerölbohrung 4.3 und eine nicht dargestellte Versorgungsölbohrung 4.4 strömende Öl aus der annähernd radialen Richtung in eine axiale Richtung, d.h. in eine Richtung parallel zur Längsachse des Hubzapfens 4.6, umzulenken. In der 6 sind Haltenasen 9.1 erkennbar, die zusammen mit einer Ausnehmung 5.2 in dem Ölübertragungsring 5 eine Verdrehsicherung der Ölübertragungsringe 5 und 6 relativ zu der Kurbelwelle 4 bilden.
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Wie man der 6 entnehmen kann, sind rechts und links der Haltenase 9.1 zwei rohrförmige Druckstücke 10 in dem Umlenkstück 9 angeordnet. Die Druckstücke 10 sind hydraulisch mit der Steuerölbohrung 4.3 bzw. der Versorgungsölbohrung 4.4 verbunden und leiten das aus diesen Bohrungen 4.3 und 4.4 strömende Öl in den Ölübertragungsring 5 bzw. 6.
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In der 5 ist ein Schnitt durch die Kurbelwangen 4.2 und den Hubzapfen 4.6 entlang der Linie C-C gemäß 1 dargestellt. In dieser Darstellung sind die Steuerölbohrung 4.3 und die Versorgungsölbohrung 4.4 in den Kurbelwangen 4.2 zu sehen. Sie münden in eine Verteilernut 9.2 in den Umlenkstücken 9. Die Verteilernut 9.2 wiederum ist hydraulisch mit den Aufnahmebohrungen 9.5 für die Druckstück1 10 und die Federn 11 verbunden.
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Zwischen den Umlenkstück 9 und den Ölübertragungsringen 5 und 6 sind bei genauem Hinsehen die rohrförmigen Druckstücke 10 zu erkennen. Da der Spalt zwischen den Umlenkstücken 9 und den Ölübertragungsringen 5 und 6 so klein ist, wurden die Druckstücke 10 in der 5 nicht mit Bezugszeichen versehen.
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Zwischen den Kurbelwangen 4.2 und den Ölübertragungsringen 5 bzw. 6 sind Wellringe 8 angeordnet.
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Wenn die Ölübertragungsringe 5, 6 zweiteilig ausgeführt sind, dann entsteht zwischen den Hälften ein Ringstoß.
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Der Ringstoß zwischen den beiden Hälften des Ölübertragungsrings 5 ist in der 7 mit dem Bezugszeichen 12 versehen. Weil in Umfangsrichtung über den Ringstoß 12 hinweg kein Öl fließen kann, ist es erforderlich, beide Hälften mit Öl zu versorgen; dann werden zwei Druckstücke 10 benötigt. Bei gebauten Kurbelwellen 4 können die Ölübertragungsringe 5, 6 einteilig sein; dann genügt ein Druckstück 10.
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Anhand der 8 ist die Gestaltung der Kurbelwangen 4.2 mit einer im Querschnitt „schwalbenschwanzförmigen“ Ausnehmung 4.5 dargestellt. Diese Ausnehmungen 4.5 sind so geformt, dass die Umlenkstücke 9 in axialer Richtung in die Ausnehmungen eingeschoben werden können. Weil sich die Ausnehmungen 4.5 nach außen hin verjüngen, können die Umlenkstücke 9 durch die im Betrieb auftretenden Fliehkräfte nicht nach außen geschleudert werden, sondern werden formschlüssig in den Ausnehmungen 4.5 gehalten.
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In der 8 ist der erste Anlaufspiegel 4.11 gut zu sehen. Es ist auch möglich, die Umlenkstücke 9 in die Ausnehmung 4.5 einzusetzen und mit den Kurbelwangen 4.2 zu verschweißen oder auf andere Weise (z. B. Hartlöten) stoffschlüssig zu verbinden. Dann ist eine formschlüssige Verbindung zwischen Ausnehmung 4.5 und Umlenkstück 9 nicht erforderlich.
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In der 9 ist eine Ansicht von vorne auf einen Ölübertragungsring 5 dargestellt. Die Hälften 5.1.1 und 5.1.2 des Ölübertragungsrings 5 sind im Bereich der beiden Ringstöße 12 durch eine Verzahnung 5.1 formschlüssig miteinander verbunden. Die Verzahnung 5.1 ist so gestaltet, dass die beiden Hälften 5.1.1 und 5.1.2 in axialer Richtung ineinander geschoben werden können. Anschließend halten die Verzahnungen 5.1 die beiden Hälften 5.1.1 und 5.1.2 trotz der im Betrieb auftretenden Fliehkräfte zusammen. Selbstverständlich sind noch andere formschlüssige Verbindungen im Bereich der Ringstöße 12 möglich.
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Der Innendurchmesser der Ölübertragungsringe 5 und 6 umfasst eine Zentrierfläche 5.6, die auf dem Hubzapfen 4.6 anliegt. Dadurch ist die radiale Positionierung des Ölübertragungsrings 5 bzw. 6 relativ zu dem Hubzapfen 4.6 gewährleistet.
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Damit Öl aus der Pleuellagerung ungehindert abfließen kann, ist die Zentrierfläche 5.6 anmehreren Stellen unterbrochen. Diese Unterbrechungen oder Erweiterungen sind mit dem Bezugszeichen 5.3 gekennzeichnet. Sie ermöglichen das Abfließen von Öl aus der Pleuellagerung in das Kurbelgehäuse des Motors.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pleuel
- 1.2.1
- Hochdruckleitung gaskraftseitig
- 1.2.2
- Hochdruckleitung massenkraftseitig
- 1.2.3
- Steuerdruckleitung
- 1.2.4
- Versorgungsleitung
- 1.3
- Anlauffläche des Pleuels
- 1.4
- kleines Pleuelauge
- 1.5
- Exzenter
- 1.6
- Schwenkhebel
- 1.7
- Pleueloberteil
- 1.8
- Pleuelunterteil
- 1.9
- massenkraftseitige Stützstange
- 1.10
- gaskraftseitige Stützstange
- 2
- Schaltventil
- 2.1
- Ventilgehäuse
- 2.1.1
- HD-Nut gaskraftseitig
- 2.1.2
- HD-Nut massenkraftseitig
- 2.1.3
- Nut Ablauf
- 2.1.4
- Nut Steuerdruck
- 2.2
- Ventilschieber
- 2.2.1
- Ringraum
- 2.2.2
- Steuerkante HD gaskraftseitig
- 2.2.3
- Steuerkante HD massenkraftseitig
- 2.3
- Deckel
- 2.4
- Feder
- 2.5
- Federteller
- 2.6
- Sicherungsring
- 2.7
- Druckraum
- 3
- Kurbelwelle als Baugruppe
- 4
- Kurbelwelle
- 4.1
- Hauptlagerzapfen
- 4.2
- Kurbelwange
- 4.3
- Steuerölbohrung
- 4.4
- Versorgungsölbohrung
- 4.5
- Ausnehmung in Kurbelwange
- 4.6
- Hubzapfen
- 4.11
- erster Anlaufspiegel
- 4.12
- zweiter Anlaufspiegel
- 5.1
- Verschlussverzahnung
- 5.2
- Ausnehmung
- 5.3
- Freistellung/Freistich
- 5.6
- Zentrierfläche
- 5, 6
- Ölübertragungsring
- 5.1.1 5.1.2
- Hälften
- 5.2
- Ausnehmung
- 5.4
- Nut
- 5.5
- Zulaufbohrung
- 5.7
- axiale Anlauffläche
- 7
- Untere Pleuellagerschale
- 8
- Wellfeder
- 9
- Umlenkstück/Umlenkung
- 9.1
- Haltenase
- 9.2
- Verteilernut
- 9.5
- Aufnahmebohrung
- 10
- rohrförmiges Druckstück
- 11
- Feder
- 12
- Ringstoß
