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Die Erfindung betrifft eine hydraulische Betätigungseinrichtung, insbesondere zur Betätigung einer Lamellenkupplung.
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Der statische Druck einer rotierenden Lamellenkupplung wird verstärkt durch den Druck des rotierenden Ölvolumen, dem Fliehkraftdruck. Der Druck p ist proportional zu n2 und r2, wobei n die Drehzahl und r der Radius ist. Üblicherweise werden die Hydraulikkolben durch Federkräfte nach der Druckabschaltung zurückgestellt. Da die durch die rotierende Öl-Säule verursachten Kräfte sehr hoch und drehzahlabhängig sind und entgegen der Federkräfte wirken, wird das Öffnen der Kupplung verhindert oder erschwert. Damit die Kupplung beim Abschalten des statischen Druckes dennoch durch die vorgesehenen Druckfedern geöffnet werden kann, werden Gegenkolben aus Blechumformteilen, die eine Gegenkraft erzeugen genutzt. Eine derartige Lösung ist wegen hoher Werkzeugkosten nur für hohe Stückzahlen geeignet.
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Eine weitere Lösung ist ein Kugelventil, das auf Druckabsenkung reagiert und eine Auslassbohrung im Kolben oder Kolbenraum öffnet. Diese Lösung hat sich jedoch als nicht zuverlässig herausgestellt.
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Aus der
EP 1 235 993 ist die Betätigung einer Lamellenkupplung mit Fliehkraftausgleich bekannt. In einer ersten Lösungsvariante ist ein Fliehgewicht vorgesehen. Das Fliehgewicht ist drehbar gelagert. In Abhängigkeit von der Drehzahl wird das Fliehgewicht ausgelenkt. Ein Hebel des Fliehgewichtes wirkt auf die Rückseite eines Kolbens, wobei der Kolben für die Betätigung einer Lamellenkupplung vorgesehen ist. In einer weiteren Ausführungsvariante ist anstelle des Hebels ein Kompensationsdruckraum vorgesehen, wobei der Druck auf die der Lamellenkupplung zugewandte Seite des Kolbens wirkt. Dadurch wird ein drehzahlabhängiger Druck aufgebaut, der dem durch den Druckraum auf den Koben wirkenden Druck entgegen wirkt.
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Aus der
WO 2011/103556 ist ein hydraulisch betätigtes Kupplungssystem mit einer Fliehkraftkompensation bekannt. Derartige Kupplungen werden beispielsweise in industriellen Maschinen wie bei Bohrmaschinen verwendet. Dort ist insbesondere die Ansprechzeit der Kupplung von gehobener Bedeutung. Zur Kompensation der Fliehkraft ist eine zweite Hydraulikkammer vorgesehen, die auf eine Seite des Betätigungskolbens wirkt. Durch Druckaufbau in dieser Kammer wird ein Ausrücken der Kupplung unterstützt.
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Weiterhin sind z.B. bei dem ZF Ecolife oder dem Allison Transmission HD4060 Getriebe Blechelemente zur Bereitstellung einer Fliehkraftkompensation vorgesehen. Der Nachteil derartiger Lösungen ist, dass mit derartigen Konstruktionen hohe Werkzeugkosten verbunden sind und sich derartige Lösungen wirtschaftlich nicht für geringe Stückzahlen umsetzen lassen.
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Eine weitere Lösung ist ein Kugelventil, das auf Druckabsenkung reagiert und eine Auslassbohrung im Kolben oder Kolbenraum öffnet. Jedoch arbeitet diese Lösung häufig nicht zuverlässig.
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Als weitere Lösung ist es bekannt, eine Dauerauslassbohrung im Kolbenraum oder im Kolben vorzusehen. Um den mit der Dauerauslassbohrung verbundenen Ölabfluss zu kompensieren, ist der Einsatz einer größeren Ölpumpe erforderlich.
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Es liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde eine hydraulische Betätigungseinrichtung mit Fliehkraftkompensation bei geringen Stückzahlen kostengünstig bereitstellen zu können.
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Dabei sind bei einer kostengünstigen Betätigungseinrichtung sowohl der für eine mechanische Auslegung erforderliche Aufwand als auch die Kosten für die Herstellung der verwendeten Bauteile von Bedeutung. Die Verwendung von Standardbauteilen bzw. von Massenprodukten führen zu einer bedeutenden Kostenreduzierung.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführung finden sich in den Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße hydraulische Betätigungsvorrichtung ist für den Einsatz in einem Getriebe vorgesehen.
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Vorzugsweise ist die Betätigungsvorrichtung für den Einsatz in einem Schienengetriebe oder für den Einsatz in einem hydromechanischen Getriebe für den Nutzfahrzeugbereich vorgesehen.
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Die erfindungsgemäße hydraulischen Betätigungsvorrichtung weist einen Arbeitskolben und einen Kompensationskolben auf. Der Arbeitskolben ist zur Begrenzung einer ersten Druckkammer vorgesehen. Durch eine Auslenkung des Arbeitskolbens wird eine Betätigung durchgeführt. Der ersten Druckkammer ist eine zweite Druckkammer zugeordnet. Die zweite Druckkammer ist zur Bereitstellung einer Kompensationskraft vorgesehen. Die Kompensationskraft ist der Betätigungskraft durch den Arbeitskolben entgegengerichtet. Die Kompensationskraft ist für eine Kompensation einer drehzahlabhängigen Fliehkraft vorgesehen. Für die Bereitstellung der Kompensationskraft ist ein Kompensationskolben vorgesehen, wobei der Kompensationskolben mit dem Arbeitskolben in Wirkverbindung steht. Durch ein Vorsehen eines beabstandet zum Arbeitskolben angeordneten Kompensationskolben wird ein einfacher Aufbau erreicht, der sich günstig auf die Herstellungskosten auswirkt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, für den Arbeitskolben und der Kompensationskolben Gleichteilen einzusetzen. Dadurch kann eine Reduktion der Herstellkosten erreicht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Arbeitskolben und der Kompensationskolben durch ein Verbindungselement, insbesondere durch ein Stiftelement, fest oder mit einem vorbestimmten Spiel miteinander verbunden sind.
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Eine Bewegung des Arbeitskolben bewirkt eine Bewegung des Kompensationskolbens und umgekehrt. Als Stiftelement kann beispielsweise ein Stift oder eine Schraube vorgesehen sein.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Verbindungselement in einem Träger axial verschiebbar gelagert ist. Dadurch wird ein besonders einfacher Aufbau möglich, was sich vorteilhaft auf die Herstellkosten auswirkt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Druckkammer in dem Träger ausgebildet sind. Dadurch kann ein besonders einfacher Aufbau erreicht werden. Dadurch kann wiederum eine Kostenreduktion erreicht werden. Auch wird dadurch eine einfache Vormontage in einem Bauteil, dem Träger, ermöglicht, was sich vorteilhaft auf die Montagekosten auswirkt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist für eine hydraulische Trennung von der ersten Druckkammer und der zweiten Druckkammer eine Dichtung zwischen Träger und Verbindungselement vorgesehen. Dafür kann die Dichtung in einer im Träger oder im Stiftelement vorgesehenen Ausnehmung vorgesehen sein. Die Dichtung reduziert eine Leckage zwischen den Druckkammern, was sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad auswirkt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass in dem Träger eine erste Zuführung zur ersten Druckkammer und eine zweite Zuführung zur zweiten Druckkammer ausgebildet sind. Auch diese konstruktiv einfache Lösung ist kostengünstig realisierbar.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Zuführung einen anderen Durchmesser, vorzugsweise einen größeren Durchmesser, als die zweite Zuführung aufweist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Arbeitskolben und der Kompensationskolben auf radial gleicher Höhe im Träger gelagert sind. Dadurch wird die Bereitstellung einer Wirkverbindung mit einem nicht komplexen Aufbau möglich. Das trägt wiederum zu geringen Herstellkosten und Montagekosten bei.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass alle Bauteile des Betätigungselementes durch Bohren, Fräsen, Drehen herstellbar oder als handelsübliches Massenprodukt, wie insbesondere eingesetzte Dichtungen, verfügbar ist. Gerade bei geringen Stückzahlen, sind die Herstellkosten und auch die Kosten für die mechanische Auslegung von hoher Bedeutung. Wenn schon die Auslegung komplex ist und dann auch noch die Herstellkosten durch für die Herstellung erforderliches Werkzeug belastet werden, so ist eine derartige Lösung für geringe Stückzahlen aus Kostengründen nicht umsetzbar.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt eine erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung in einem hydromechanischen Getriebe vorzusehen. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Rückstellfeder vorgesehen ist. Die Rückstellfeder wirkt einer Auslenkung des Arbeitskolbens entgegen. Die Rückstellfeder wird bei Auslenkung des Arbeitskolbens zur Bereitstellung einer Rückstellkraft gespannt. Dadurch unterstützt die Rückstellfeder die Rückstellung des Arbeitskolbens. Die durch die Rückstellfeder bereitgestellte Rückstellkraft ist jedoch nicht abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit. Durch die Rückstellfeder wird somit bereits eine vom Betätigungsweg abhängige Rückstellkraft bereitgestellt. Dadurch wird erreicht, dass nur ein Teil der insgesamt für eine Rückstellung des Arbeitskolbens erforderliche Rückstellkraft mittels des Kompensationskolbens bereitgestellt werden muss. Folgedessen kann der Kompensationskolben bzw. der für eine Rückstellung des Arbeitskolbens in der Druckkammer des Kompensationskolbens erforderliche Druck geringer gewählt werden. Das hat wiederum Einfluss auf die erforderliche Pumpleistung und die Leckage.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Kompensationskolben auf der der Lamellenkupplung abgewandten Seite des Arbeitskolbens angeordnet ist. Dadurch kann eine Ineinanderschachtelung von Arbeitskolben und Kompensationskolben vermieden werden. Das hat einen positiven Effekt auf die Auslegungs- und Herstellkosten.
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Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen hydraulischen Betätigungsvorrichtung für eine Verwendung in einem Getriebe, wobei bei der hydraulischen Betätigungsvorrichtung als Arbeitskolben und Kompensationskolben Gleichteile verbaut werden. Vorzugsweise sind der Arbeitskolben und der Kompensationskolben und der Träger durch konventionelle Fräs- und Drehbearbeitung hergestellt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Arbeitskolben und der Kompensationskolben in einem Träger ausgebildet und die in dem Träger ausgebildete erste und zweite Druckkammer können durch im Träger ausgebildeten Zuleitungen mit Hydraulikmedium, insbesondere Öl beaufschlagt werden. Durch diese Kompakte aus Bildung mittels eines Trägers ist eine Vormontage des Arbeitskolbens und des Kompensationskolbens möglich.
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Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Ausprägungen der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Die genannten Merkmale können nicht nur in der dargestellten Kombination vorteilhaft umgesetzt werden, sondern auch einzeln untereinander kombiniert werden. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
- 1 Ausschnittsweise Darstellung einer Getriebeanordnung
- 2 Ausführung mit zwei verschraubten gegenüberliegenden Kolben
- 3 Ausführung mit zwei über einen Zylinderstift verbundenen Kolben.
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In 1 ist ein Ausschnitt eines Antriebsstranges gezeigt. Es ist eine hydrodynamische Kupplung 4 als Anfahrkupplung vorgesehen. Daran schließt sich eine Getriebeanordnung 2 an. Diese Getriebeanordnung 2 umfasst Lamellenkupplungen 3 zum Schalten der einzelnen Getriebeübersetzungen. Für die Steuerung einer Drehmomentübertragung der Lamellenkupplung 3 ist eine Betätigungsvorrichtung 5 vorgesehen. Eine Ausführung der Betätigungsvorrichtung ist in den 2 und 3 detailliert dargestellt. Die Betätigungsvorrichtung 5 weist einen axial entlang einer Rotationsachse 20 verschiebbaren Arbeitskolben 7 auf. Der Arbeitskolben 7 ist in einem um die Rotationsachse rotierbar gelagerten Träger 9 gelagert. Auf der der Lamellenkupplung 3 abgewandten Seite des Arbeitskolbens 7 ist eine erste Druckkammer 10 zur Auslenkung des Arbeitskolbens 7 ausgebildet. Zur hydraulischen Abdichtung der ersten Druckkammer 10 sind Dichtungen 14 zwischen Arbeitskolben 7 und Träger 9 vorgesehen. In der gezeigten Darstellung sind die Dichtungen 14 in dem Arbeitskolben 7 angeordnet. Die Dichtungen 14 könnten aber auch in dem Träger 9 angeordnet sein. Dieser Arbeitskolben 7 ist mit einem Kompensationskolben 8 fest verbunden. Der Kompensationskolben 8 ist ebenfalls in dem Träger 9 gelagert. Durch den Kompensationskolben 8 und den Träger 9 wird eine zweite Druckkammer 11 gebildet. Zwischen Kompensationskolben 8 und Träger 9 ist wiederum zur Abdichtung der zweiten Druckkammer eine Dichtung 15 angeordnet. Auch zwischen Träger 8 und Verbindungselement 12 ist eine Dichtung vorgesehen. Dadurch sind die erste Druckkammer 10 und die zweite Druckkammer 11 hydraulisch voneinander getrennt. Das Verbindungselement 12 ist mittels des Trägers 9 in Bezug auf die Rotationsachse 20 axial verschiebbar gelagert. In dem Träger ist eine erste Zuführung 17 zu der ersten Druckkammer 10 und eine zweite Zuführung 18 zu der zweiten Druckkammer 11 ausgebildet. Durch Druckbeaufschlagung über die erste und/oder die zweite Zuführung kann eine Auslenkung der miteinander verbundenen Kolben 7, 8 erreicht werden. Dabei sind die Wirkflächen des Kompensationskolbens und des Arbeitskolbens mit entgegengesetzter Orientierung angeordnet. Eine durch Druckbeaufschlagung der ersten Druckkammer erzeugte Kraft kann durch eine Druckbeaufschlagung der zweiten Druckkammer erzeugten Kraft kompensiert werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist bei der zweiten Druckkammer eine Beaufschlagung durch Schmieröl vorgesehen. Eine Ventilsteuerung ist für eine Beaufschlagung mit Schmieröl in der gezeigten Ausführung nicht erforderlich. Für eine Rückstellung im Stillstand ist eine Rückstellfeder 6 vorgesehen. Durch eine Beaufschlagung der zweiten Druckkammer wird eine drehzahlabhängige Rückstellkraft bereitgestellt. Durch die Höhe des Ölzuführradiuses 29 kann die resultierende Kraft eingestellt werden.
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In der dargestellten Ausführung sind der Arbeitskolben und der Kompensationskolben in gleichem Abstand von der Rotationsachse angeordnet und weisen betragsmäßig die gleiche Wirkfläche auf. Dadurch ist die Regelung einer gewünschten Kompensationskraft besonders einfach, da eine Berücksichtigung der Rotationsgeschwindigkeit und des radialen Abstandes zur Rotationsachse bei gleichem Öl-Zuführradius nicht erforderlich ist. Durch den Durchmesser der ersten und der zweiten Zuführung werden ebenso die Wirkkräfte in den Kolbenräumen (r2) gesteuert. Es kann zur Anpassung der resultierenden Kräfte an den Kolben ein Differenzbetrag der ersten und zweiten Zuführradien genutzt werden.
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Der Arbeitskolben 7 ist mit einer Platte 16 versehen. Auf diese Platte 16 wirkt die Federkraft der vorgesehenen Rückstellfeder 6. Durch die Rückstellfeder wird eine Rückstellkraft bereitgestellt. Durch die Rückstellfeder ist sichergestellt, dass die Lamellenkupplung im Ruhezustand geöffnet ist.
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Die beiden dargestellten Ausführungen gemäß 2 und 3 unterscheiden sich in der Ausführung des Verbindungselementes 12. Als Verbindungselement 12 ist bei der in 2 dargestellten Ausführung ein Verbindungsbolzen 21 gezeigt. Der Verbindungsbolzen 21 ist über einen Schraubenkopf 22 und eine Mutter 23 fest geklemmt. Mit 24 sind Unterlegscheiben bezeichnet. Die beiden Kolben 7, 8 werden durch die Wahl der Maßtoleranzen axial nicht geklemmt. Eine statische Abdichtung zwischen dem Arbeitskolben 7 und dem Verbindungsbolzen 21 kann die Leckage zusätzlich reduzieren.
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Alternativ, nicht dargestellt, könnte ein zylindrischer Verbindungsbolzen, der mit den beiden Kolben bei der Montage durch eine Schraube zunächst geklemmt wird, vorgesehen sein. Durch gezieltes Loslösen der Mutter wird ein gewünschtes Axialspiel an den Kolben eingestellt und ein Klemmen wird verhindert. Eine statische Abdichtung zwischen den Arbeitskolben und dem Verbindungsbolzen kann die Leckage zusätzlich reduzieren.
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3 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der ein Zylinderstift als Verbindungsbolzen 21 vorgesehen ist. Mittels des Zylinderstiftes werden die beiden Kolben 7, 8 miteinander in einem definierten Abstand verbunden. Zur Fixierung des Zylinderstiftes sind beidseitig Sicherungsringe 26 vorgesehen.
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Eine statische Abdichtung zwischen den Arbeitskolben und dem Verbindungselement kann die Leckage zusätzlich reduzieren
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Die Abdichtung der beiden Kolbenräume zueinander kann auch in Form einer Spaltdichtung ohne Dichtring zwischen Kupplungsträger und Bolzen oder Schraube realisiert werden.
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Für alle Varianten gilt:
- Die Anwendung ist im Nutzfahrzeugbereich bei mittleren bis kleinen Stückzahlen wirtschaftlich interessant. Unter kleinen Stückzahlen werden Stückzahlen bis 25.000 Stück pro Jahr angesehen. Als mittlere Stückzahlen werden Stückzahlen pro Jahr von bis zu 50.000 Stück pro Jahr angesehen.
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Verbindungselemente 12 können aus Schrauben, Nieten, Bolzen oder Zylinderstifte mit Sicherungsringen bestehen.
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Bei den gezeigten Varianten können für Dichtungen und Kolben Gleichteile verwendet werden. Alle Bauteile können durch konventionelle Dreh- und Fräsbearbeitung hergestellt werden.
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Am Kompensationskolben 8 kann eine definierte Durchmesser- oder Zuführradiusanpassung dafür sorgen, dass auftretende Reibungskräfte oder eine gewünschte Überkompensation von Fliehkräften erreicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsstrang
- 2
- Getriebe, hydromechanisches Getriebe
- 3
- Lamellenkupplung
- 4
- Hydrodynamische Kupplung
- 5
- Betätigungsvorrichtung
- 6
- Rückstellfeder
- 7
- Arbeitskolben
- 8
- Kompensationskolben
- 9
- rotierender Träger
- 10
- erste Druckkammer; Druckkammer des Arbeitskolbens, Arbeitskolbendruckkam mer
- 11
- zweite Druckkammer, Druckkammer des Kompensationskolbens , Kompensationsdruckkammer
- 12
- Verbindungselement (der Kolben)
- 13
- Dichtung zwischen den Druckkammern
- 14
- Dichtung im Arbeitskolben
- 15
- Dichtung im Arbeitskolben
- 16
- Platte
- 17
- erste Zuführung, Ölzuführung der Arbeitskolbendruckkammer
- 18
- zweite Zuführung, Ölzuführung der Kompensationsdruckkammer
- 20
- Rotationsachse
- 21
- Schraube
- 22
- Schraubenkopf
- 23
- Mutter
- 24
- Unterlegscheibe
- 26
- Sicherungsring
- 27
- Stiftelement
- 28
- Stift
- 29
- Ölzuführradius Kompensationsdruckkammer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1235993 [0004]
- WO 2011/103556 [0005]
