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Die Erfindung betrifft eine Dämpfventileinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Aus der
DE 10 2019 212 966 A1 ist eine Dämpfventileinrichtung bekannt, bei der ein ringförmiges Ventilelement eine radiale Aufweitbewegung ausführt, so dass ein von dem Ventilelement und einer Strömungsleitfläche gebildeter Drosselquerschnitt ausgehend von einer maximal geöffneten Durchlassstellung in eine Drosselstellung übergeht. Zusätzlich umfasst die Dämpfventileinrichtung ein Überdruckventil, das an einen Druckraum angeschlossen ist, der von einer Mantelfläche des Ventilelements begrenzt wird, so dass die Mantelfläche eine druckbeaufschlagte Fläche darstellt, über die in Abhängigkeit des Druckniveaus innerhalb des Druckraums eine radiale Stellkraft auf das Ventilelement ausgeübt wird.
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Aus der
DE 18 11 222 A ist ein hydraulischer Schwingungsdämpfer bekannt, dessen Kolbenventil beiderseits des Kolbens angeordnete Ventilplatten aufweist, die mit einem kleineren Außendurchmesser als ein Innendurchmesser eines Arbeitszylinder, in dem der Kolben eine axiale Hubbewegung ausführt, dimensioniert sind. Die Ventilplatten stützen sich über Ventilfedern an Ventilkegeln ab, die axiale Ventilkörper des Kolbenventils bilden und im Zusammenwirken mit den Ventilfedern das Durchströmungsverhalten und damit die Dämpfkraftcharakteristik des Schwingungsdämpfers bestimmen.
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Ein Vorteil des Druckbegrenzungsventils besteht darin, dass die Dämpfventileinrichtung und damit der gesamte Schwingungsdämpfer vor einer Überlastung, z. B. durch eine Blockadestelle des Ventilelements, geschützt wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Dämpfventileinrichtung dahingehend zu verbessern, sodass eine noch individuellere Anpassung der Dämpfkraftcharakteristik möglich ist.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Ventileinrichtung ergänzend zur Schließfeder ein weiteres Steuerelement aufweist, das die Hubbewegung eines Ventilkörpers der Ventileinrichtung steuert.
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Die Ventileinrichtung stellt praktisch ein Vorsteuerelement für die Dämpfventileinrichtung dar. Über das Betriebsverhalten der Ventileinrichtung wird direkt das Betriebsverhalten des Ventilelements, also die radiale Durchmesserveränderung bestimmt.
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Bei einer ersten Ausführung der Erfindung wird das Steuerelement von einem elastischen Anschlag gebildet, der nach einem definierten Abhubweg des Ventilkörpers einsetzt. Der Abbhubweg bestimmt den wirksamen Abflussquerschnitt aus dem Druckraum der Dämpfventileinrichtung. Je größer der Abflussquerschnitt ist, umso geringer ist das Druckniveau in dem Druckraum bezogen auf eine Anströmung bzw. Befüllung des Druckraums. Daraus resultiert dann eine relativ gesehen geringere Aufweitkraft auf das Ventilelement. Der elastische Anschlag lässt das Druckniveau innerhalb des Druckraums ansteigen, da der elastische Anschlag funktional eine Zuhaltekraft darstellt. Infolgedessen bewegt sich das Ventilelement in Richtung der Strömungsleitfläche.
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Im Hinblick auf einen einfachen Aufbau wird der elastische Anschlag von einer in einem Abstand zum Ventilträger angeordneten Anschlagscheibe gebildet.
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Alternativ kann die Abhubbewegung des Ventilkörper der Ventileinrichtung von einer Dämpfeinrichtung gesteuert wird. Bevorzugt ist die Dämpfeinrichtung als eine hydraulische Dämpfeinrichtung ausgeführt.
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Eine weitere Einflussgröße auf das Betriebsverhalten der Drosselstelle steht dann zur Verfügung, wenn auch eine Schließbewegung des Ventilkörpers der Ventileinrichtung von einer Dämpfeinrichtung gesteuert wird.
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Eine mögliche konstruktive Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Ventileinrichtung einen Verdrängerraum und einen Verdrängerkörper aufweist, wobei der Verdrängerkörper mit dem Ventilkörper der Ventileinrichtung in Wirkverbindung steht. Aufgrund der kleinen Hubwege des Ventilkörpers ist zur technischen Umsetzung nur ein sehr kleiner Bauraum notwendig.
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Auch bei dieser Variante besteht die erweiterte Variationsbreite, indem der Verdrängerraum in Abhängigkeit der Arbeitsbewegung des Verdrängerkörpers eine richtungsabhängige Dämpfung des Ventilkörpers erzeugt.
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Bei einer möglichen Ausführungsform weist der Verdrängerraum einen Drosselkanal mit einem strömungsrichtungsabhängigen Querschnitt auf. Dieser strömungsrichtungsabhängige Querschnitt kann z. B. von einer Ringscheibe innerhalb des Verdrängerraums gebildet werden, die mit dem Drosselkanal in Reihe angeordnet ist.
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Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 Einbausituation der Dämpfventileinrichtung in einem Schwingungsdämpfer
- 2 u. 3 Verschiedene Ausführungsformen der Dämpfventileinrichtung
- 4 Dämpfkraftkennlinienvergleich
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Die 1 zeigt eine Dämpfventileinrichtung 1 für einen nur ausschnittsweise dargestellten Schwingungsdämpfer 3 beliebiger Bauweise. Neben der Dämpfventileinrichtung 1 umfasst der Schwingungsdämpfer 3 ein erstes Dämpfventil 5 mit einem als Kolben 7 ausgeführten Dämpfventilkörper, der an einer Kolbenstange 9 befestigt ist.
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Der Dämpfventilkörper 7 unterteilt einen Zylinder 11 des Schwingungsdämpfers in einen kolbenstangenseitigen und einen kolbenstangenfernen Arbeitsraum 13; 15, die beide mit Dämpfmedium gefüllt sind. In dem Dämpfventilkörper 7 sind Durchtrittskanäle 17; 19 für jeweils eine Durchströmungsrichtung auf unterschiedlichen Teilkreisen ausgeführt. Die Ausgestaltung der Durchtrittskanäle 17; 19 ist nur beispielhaft anzusehen. Eine Austrittsseite der Durchtrittskanäle 17; 19 ist mit mindestens einer Ventilscheibe 21; 23 zumindest teilweise abgedeckt.
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Beispielhaft ist ein Ventilträger 25 der Dämpfventileinrichtung 1 direkt an der Kolbenstange 9 fixiert.
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Der Ventilträger 25 weist eine umlaufende Ringnut 27 auf, in der ein im Durchmesser veränderbares Ventilelement 29 geführt ist. Dieses Ventilelement 29 ist radial beweglich und bildet einen Ventilkörper für eine Drosselstelle 31 als Teil der Dämpfventileinrichtung 1. Grundsätzlich kann das Ventilelement als radial elastisches Bauteil ausgeführt sein. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass das Ventilelement beispielsweise gelenkig gelagerter Schenkel aufweist, die eine radiale Schwenkbewegung ausführen. Hinsichtlich einer gelenkigen Lagerung wird beispielhaft auf die
DE 10 2019 215 558 A1 verwiesen. Das Ventilelement 29 bildet mit einer Innenwandung des Zylinders 11 die Drosselstelle 31, wobei die Innenwandung eine Strömungsleitfläche 33 darstellt.
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Das Ventilelement 29 ist mit einer Rückstellfeder 35 bestückt, wie. z. B. in der 2 vergrößert dargestellt ist. Zwischen der Strömungsleitfläche 33 und einer äußere Mantelfläche 37 des Ventilelements 29 liegt ein variabler Drosselquerschnitt 39 vor, der eine zusätzliche Dämpfkraft erzeugt.
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Bei einer Kolbenstangengeschwindigkeit in einem ersten Betriebsbereich, z. B. kleiner 1 m/s, ist die Drosselstelle 31 vollständig geöffnet. Die Dämpfkraft wird dann nur von den Durchtrittskanälen 17; 19 in Verbindung mit den Ventilscheiben 21; 23 erzeugt. Bei einer Anströmung der Ventilscheiben 21; 23 heben die Ventilscheiben 21; 23 von ihrer Ventilsitzfläche 41; 43 ab. Die Abhubbewegung wird jeweils von einer Stützscheibe 45; 47 begrenzt.
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In einem zweiten Betriebsbereich mit einer Kolbenstangengeschwindigkeit, die größer ist als die Grenzgeschwindigkeit des ersten Betriebsbereichs, also größer als die beispielhaft angegebenen 1 m/s, geht das Ventilelement 29 in eine Drosselstellung über und führt dabei eine Schließbewegung in Richtung der Strömungsleitfläche 33 aus. Bedingt durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit des Dämpfmediums in der als Ringspalt geformten Drosselstelle 31 bildet sich ein Unterdruck, der zu einer radialen Aufweitung des Ventilelements 29 führt. Damit jedoch keinesfalls eine Blockade der Drosselstelle 31 auftreten kann, kann der definierte Mindestdurchlassquerschnitt z. B. von der Rückstellfeder 35 eingehalten werden. In der vorliegenden Ausführung verfügt der Ventilträger 25 dafür über einen Anschlag 49 und eine Deckseite des Ventilelements 25 über einen Gegenanschlag 51.
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Des Weiteren umfasst die Dämpfventileinrichtung 1 mindestens eine Ventileinrichtung 53 zur Steuerung des Betriebsverhaltens des Ventilelements 29. In den 2 ff. wird darauf detailliert eingegangen.
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Die 2 zeigt die Dämpfventileinrichtung 1 in einem größeren Maßstab. In dieser 2 ist erkennbar, dass eine Mantelfläche 55 des Ventilelements 29 und die Ringnut 27 einen Druckraum 57 begrenzen, der über mindestens ein Zuströmöffnung 59 und mindestes eine Abströmöffnung 61 mit dem angrenzenden Arbeitsraum 13 verbunden ist. Der Druck innerhalb des Druckraums 57 übt eine radiale Verstellkraft auf das Ventilelement 29 aus und unterstützt damit die aufgrund des in der Drosselstelle 31 herrschenden Minderdrucks wirksame Aufweitkraft. Beide Druckkraftkomponenten wirken in dieselbe Richtung und haben mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des Dämpfmediums eine größere Wirkung. Bei wirksamer Drosselstelle 31 wird der kolbenstangenseitige Arbeitsraum 13 in einen Teilarbeitsraum zwischen einer Kolbenstangenführung 63, 1, und dem Ventilträger 25 und einem Teilarbeitsraum zwischen dem Ventilträger 25 und dem Kolben 7 geteilt.
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Tendenziell ist der Querschnitt der Zuströmöffnung 59 größer als der Querschnitt der Abströmöffnung 61. Über das Verhältnis dieser beiden Querschnitte zueinander kann das grundlegende Arbeitsverhalten des Ventilelements eingestellt werden. Je größer das Querschnittsverhältnis von Zuströmöffnung/Abströmungsöffnung ausgeführt ist, umso kleiner kann die Strömungsgeschwindigkeit sein, um eine Aufweitbewegung des Ventilelements auszulösen.
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In der vorliegenden Variante der Erfindung ist die Abströmöffnung 61 mit der Ventileinrichtung 53 bestückt. Die Ventileinrichtung 53 weist ein weiteres Steuerelement 63 auf, das die Hubbewegung eines Ventilkörpers 65 als Bestandteil der Ventileinrichtung 53 steuert. Dabei wird eine Abhubbewegung des Ventilkörpers 65 der Ventileinrichtung 53 von einer Dämpfeinrichtung als Steuerelement 63 gesteuert. Die Ventileinrichtung bzw. die Dämpfeinrichtung weist einen Verdrängerraum 67 und einen Verdrängerkörper 69 auf, wobei der Verdrängerkörper 69 mit dem Ventilkörper 65 der Ventileinrichtung 53 in Wirkverbindung steht. Konkret bildet der Ventilkörper 65 auch den Verdrängerkörper 69, indem der Ventilkörper 65 in dem Verdrängerraum 67 beweglich geführt ist. Ein Drosselkanal 71 verbindet den Verdrängerraum 67 mit dem Arbeitsraum 13.
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Die Ventileinrichtung 53 ist als ein Sitzventil ausgeführt, dessen Ventilkörper 65 auf einer Austrittsseite der Abströmöffnung 61 aufliegt. Ein Federelement 73 der Ventileinrichtung 53 stützt sich an einer Wandung des Verdrängerraums 67 ab. Das Federelement spannt einerseits den Ventilkörper 65 gegen die Ventilsitzfläche der Abströmöffnung 61 und andererseits eine Ringscheibe 75 gegen den Drosselkanal 71 vor. Auch in dieser Arbeitsstellung der Ventileinrichtung verfügt die Abströmöffnung 61 über einen Mindestdurchlassquerschnitt 77. Dieser Mindestdurchlassquerschnitt 77 kann z. B. durch eine Kerbe in der Ventilsitzfläche oder im Ventilkörper 65 gebildet werden. Mittels des Federelements 73 wird der Ventilkörper 65 und damit die Ventileinrichtung 53 in eine definierte Ausgangsstellung bewegt.
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Die Ventileinrichtung 53 ist für eine Grundfunktion der Dämpfventileinrichtung 1 nicht zwingend erforderlich. Vielmehr dient die Ventileinrichtung 53 der individuellen Anpassung einer standardisierten Dämpfventileinrichtung 1 an eine gewünschte Dämpfkraftkennlinie. Deshalb ist die Ventileinrichtung 53 bevorzugt in einem zum Ventilträger 25 separaten Gehäuse 79 angeordnet. Beispielhaft ist das Gehäuse 79 der Ventileinrichtung 53 auf einer Deckseite des Ventilträgers 25 fixiert.
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Bei einer Anströmung der Dämpfventileinrichtung 1 entsteht innerhalb der Drosselstelle 31 ein Minderdruck, der zu einer radialen Aufweitkraft auf das Ventilelement 29 führt. Die Rückstellkraft der Rückstellfeder 35 wirkt dieser Aufweitkraft entgegen. Innerhalb des Druckraums 57 baut sich ein Druckniveau auf, das bei einem ausreichend hohen Druckwert die Ventileinrichtung 53 in eine Öffnungsposition bewegt. Die Abhubbewegung des Ventilkörpers 65 von der Abströmöffnung 61 erfolgt gedämpft, indem Dämpfmedium von dem Ventilkörper 65 über den Drosselkanal 71 aus dem Verdrängerraum 67 gefördert wird. Ein rascher Druckanstieg im Druckraum 57 führt zu einer höheren Abhubgeschwindigkeit des Ventilkörpers 65 von der Abströmöffnung 61. Diese höhere Abhubgeschwindigkeit des Ventilkörpers 65 erzeugt eine höhere Dämpfung über den Drosselkanal 71. Die höhere Dämpfung verzögert jedoch die Abhubbewegung, so dass tendenziell ein kleinerer Abströmquerschnitt wirksam ist. Folglich wird die Drosselstelle 31 ausgehend von einer maximalen Durchlassstellung des Ventilelements 29 mit einer größeren Verstellgeschwindigkeit bewegt, wobei sich dann der größere Abströmquerschnitt bemerkbar macht und die Verstellgeschwindigkeit abnimmt und gleichzeitig der Druck im Druckraum 57 nicht mehr in dem Maße ansteigen kann, ggf. sogar zurückgeht. Dieses Verhalten ist abhängig von der Anregung des Schwingungsdämpfers und dem damit verbunden Druckaufbau hinsichtlich Druckniveau und der Geschwindigkeit des Druckaufbaus innerhalb des Druckraums 57.
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Auch eine Schließbewegung des Ventilkörpers 65 der Ventileinrichtung 53 wird von der Dämpfeinrichtung 67; 69; 71; 73 gesteuert, indem der Verdrängerraum 67 zusammen mit dem Verdrängerkörper 69 und dem Drosselkanal 71 in Abhängigkeit der Arbeitsbewegung des Verdrängerkörpers 69 eine richtungsabhängige Dämpfung des Ventilkörpers 65 erzeugt. Die gedämpfte Schließbewegung führt zu einem relativ grö-ßeren Abströmquerschnitt in Verbindung mit einem geringeren Drosselwirkung der Drosselstelle 31.
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Damit nicht zwei getrennte Dämpfeinrichtungen notwendig sind, weist der Verdrängerraum 67 einen Drosselkanal 71 mit einem strömungsrichtungsabhängigen Querschnitt auf. Der strömungsrichtungsabhängige Querschnitt wird von der Ringscheibe 75 gebildet, die innerhalb des Verdrängerraums 67 räumlich zwischen dem Verdrängerkörper 69 und dem Drosselkanal 71 angeordnet ist. In Abflussrichtung aus dem Verdrängerraum steht nur der Abflussquerschnitt der Ringscheibe 75 zur Verfügung. In Einströmrichtung über den Drosselkanal 71 kann die Ringscheibe 75 von der Wandung des Verdrängerraums 67 abheben und einen größeren Einströmquerschnitt freigeben. Diese Ringscheibe 75 ist jedoch als Option zu bewerten und stellt keinesfalls ein unbedingt erforderliches Bauteil dar.
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Die 3 zeigt eine Ausführungsform der Dämpfventileinrichtung 1, bei der das Steuerelement 63 von einem elastischen Anschlag 81 gebildet wird, der nach einem definierten Abhubweg des Ventilkörpers 65 einsetzt. Auch hier steht für das Steuerelement ein zum Ventilträger 25 separates Gehäuse 79 zur Verfügung. Der elastische Anschlag 81 wird von einer in einem axialen Abstand zum Ventilträger 25 angeordneten Anschlagscheibe gebildet. Die elastische Anschlagscheibe ist mit ihrer Federkraft dem Federelement 73 mechanisch parallelgeschaltet. Über den Abstand der Anschlagscheibe 81 wird der Einsatzpunkt an dem Ventilkörper 65 definiert. Die Federrate der Anschlagscheibe 81 bestimmt die Federkraft, die dann zusätzlich auf den Ventilkörper 65 einwirkt.
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Mit der 4 soll das Potential der Dämpfeinrichtung 1 verdeutlicht werden, die ein Dämpfkraft-Hub-Diagramm zeigt. Dabei wird von der Kolbenstange ein Hubweg von „-S“ bis + „S“ zurückgelegt. „S“ steht für eine Hubendlage bei einer Geschwindigkeit v= 0 und bei der Hublage „0“, also in der Hubmittellage des Schwingungsdämpfers liegt die größte Kolbenstangengeschwindigkeit an. Als Anregung dient eine einfache Sinus-Anregung des Schwingungsdämpfers 3. Eine erste Kennlinie K1 beschreibt einen nahezu idealen Halbkreis. Diese Dämpfkraft wird z. B. von einem konventionellen Dämpfventil beliebiger Bauart erzeugt. Die Fläche innerhalb des Halbkreises beschreibt die Dämpfarbeit, die von dem Dämpfventil erzeugt wird, um eine ausreichende Fahrsicherheit zu gewährleisten.
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Eine Kennlinie K2 repräsentiert ein Dämpfventil mit einer deutlich flacheren Dämpfkraftkennlinie. Die Dämpfventileinrichtung 1 in Kombination mit einem entsprechend konventionellen Dämpfventil, z. B. einem Kolbenventil 17; 21 führt zu einer tendenziell parabellförmigen Dämpfkraftkennlinie K2. Da die Dämpfkraftanforderung aus dem Stillstand des Schwingungsdämpfers 3 heraus eher gering ist, kann man die Dämpfventileinrichtung 1 derart auslegen, dass sie erst bei einer höheren Geschwindigkeit, bei dem bereits ein Weg „S1“ zurückgelegt wurde, eine Dämpfkraft erzeugt. Dadurch wird ein Komfortgewinn erzielt. Danach steigen die Arbeitsgeschwindigkeit des Schwingungsdämpfers und damit die Dämpfkraft weiter an. Bei einem konventionellen Dämpfventil würde der Dämpfkraftverlauf nun weiter der halbkreisförmigen Kennlinie folgen. Wenn eine Dämpfventileinrichtung 1 vorliegt, dann schaltet sich diese aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit des Dämpfmediums innerhalb der Drosselstelle 31 im Schaltpunkt P1 zu. Dadurch würde eine Dämpfkraft D1 erreicht, die deutlich oberhalb des konventionellen Dämpfventils liegt. Gegen Ende des Hubweges des Schwingungsdämpfers geht die Dämpfventileinrichtung 1 aufgrund der abnehmenden Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Drosselstellung aus einer Drosselstellung in ihre Durchlassstellung zurück und damit folgt die Dämpfkraft dem konventionellen Verlauf.
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Bei dieser Ausführungsform ist vor allem das Druckniveau innerhalb des Druckraums ausschlaggebend für die Wirkung des Steuerelements 63 und damit für das Dämpfkraftverhalten der Dämpfventileinrichtung.
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Um die parabelförmige Dämpfkraftkennlinie K2 zu glätten und Dämpfkraftspitzen zu vermeiden, verfügt die Dämpfventileinrichtung 1 über die Ventileinrichtung 53. Wäre die Ventileinrichtung ungedämpft, dann stünde der Kennlinienbereich ab einem Knickpunkt P2 bis zur Basiskennlinie K1 im Punkt K3 zur Verfügung.
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Die Dämpfung der Ventileinrichtung 53 führt zu dem geänderten Druckverhältnissen im Druckraum 57 der Ringnut 27. Damit wird eine gemäßigte Steigerung der Dämpfkraft erreicht. Je nach Abstimmung kann das Spektrum bis zur parabelförmigen Kennlinie ausgenutzt werden. Beispielhaft ist eine gestrichelte Kennlinie V53D eingetragen.
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Aufgrund der Dämpfwirkung an der Ventileinrichtung 53 bei einer Schließbewegung des Ventilkörpers 65, also dem Punkt K3, sinkt die Dämpfkraft unterhalb des Niveaus des konventionellen Druckbegrenzungsventils. Auch hier kann über das Maß der Dämpfwirkung der Dämpfkraftverlauf angepasst werden.
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Wenn die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Drosselstelle ein Niveau erreicht, bei der sich das Ventilelement vollständig in der Durchlassposition befindet, stellt sich wiederum die Dämpfkraftcharakteristik K1 eines konventionellen Dämpfventils, dargestellt durch den Halbkreisbogen, ein.
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Die Kennlinie V53F beschreibt die Dämpfventileinrichtung 1 nach der 3. Beispielhaft verläuft die Dämpfkraftkennlinie zwischen der eines üblichen Druckbegrenzungsventils und der ebenfalls beispielhaften Ausführung nach V53D. Mit dem Steuerelement des elastischen Anschlags 81 erhält nun einen weiteren Knickpunkt P4, der für eine noch gezieltere Dämpfkraftabstimmung steht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dämpfventileinrichtung
- 3
- Schwingungsdämpfer
- 5
- erstes Dämpfventil
- 7
- Dämpfventilkörper
- 9
- Kolbenstange
- 11
- Zylinder
- 13
- kolbenstangenseitiger Arbeitsraum
- 15
- kolbenstangenferner Arbeitsraum
- 17
- Durchtrittskanäle
- 19
- Durchtrittskanäle
- 21
- Ventilscheibe
- 23
- Ventilscheibe
- 25
- Ventilträger
- 27
- Ringnut
- 29
- Ventilelement
- 31
- Drosselstelle
- 33
- Strömungsleitfläche
- 35
- Rückstellfeder
- 37
- äußere Mantelfläche des Ventilelements
- 39
- Drosselquerschnitt der Drosselstelle
- 41
- Ventilsitzfläche
- 43
- Ventilsitzfläche
- 45
- Stützscheibe
- 47
- Stützscheibe
- 49
- Anschlag
- 51
- Gegenanschlag
- 53
- Ventileinrichtung
- 55
- Mantelfläche
- 57
- Druckraum
- 59
- Zuströmöffnung
- 61
- Abströmöffnung
- 63
- Steuerelement
- 65
- Ventilkörper
- 67
- Verdrängerraum
- 69
- Verdrängerkörper
- 71
- Drosselkanal
- 73
- Federelement
- 75
- Ringscheibe
- 77
- Mindestquerschnitt
- 79
- Gehäuse
- 81
- elastischer Anschlag