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Die Erfindung betrifft eine Metallsickendichtung und einen Abgasturbolader mit der Metallsickendichtung.
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Metallsickendichtungen wirken derart, dass sich in Dichtbleche eingeprägte Sicken an die zu dichtenden Flächen anpressen. Der Kontakt zwischen Sicken und zu dichtenden Flächen ist dabei nahezu linienartig. Oftmals sind mehrere Dichtbleche übereinandergelegt. Die jeweiligen Sicken der Bleche berühren dann die gegenüberliegenden Dichtflächen. Sickenbleche wirken durch die Vorspannung der Sicken, die auch unter Temperaturbelastung ihre Elastizität weitgehend beibehalten. Die Materialien werden dementsprechend ausgewählt. Wenn die Sicken auf Block gepresst werden, geht die Sickenwirkung verloren, da die Sicke plattgepresst wird. Um dies zu verhindern, erhalten die Metallsickendichtungen im Allgemeinen eine sogenannte ”Stopperlage”. Diese gewährleistet einen ausreichenden Abstand der Dichtflächen im Bereich der Sicken.
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1 zeigt eine Metallsickendichtung 3 nach dem Stand der Technik zwischen einem ersten Element 1 und einem zweiten Element 2. Die vorbekannte Metallsickendichtung 3 umfasst eine erste Lage 6, eine zweite Lage 7 und eine Stopperlage 8. Die drei Lagen sind übereinander gestapelt. In der ersten Lage 6 und in der zweiten Lage 7 sind Sicken 9 ausgebildet. Durch alle drei Lagen ragt ein Verspannungsmittel 5, insbesondere eine Schraube, entlang einer Verspannungsrichtung 4. Mittels diesem Verspannungsmittel 5 werden die zwei Elemente 1, 2 gegeneinander verpresst. Dabei verformt sich die Sicke 9 und dichtet ab. Bei thermisch bedingten Ausdehnungsvorgängen dehnen sich die vorbekannten Metallsickendichtungen 3 nicht notwendigerweise im gleichen Maße wie die Dichtflächen der beiden Elemente 1, 2. Die beiden Lagen 6, 7 sind bei hochtemperaturbelasteten Dichtungen austenitisch, während die abzudichtenden Elemente 1, 2 ferritisch sind. Dadurch entstehen Unterschiede im Ausdehnungsverhalten. Die verpresste Metallsickendichtung 3 würde sich bei thermischer Belastung weiter ausdehnen als die abzudichtenden Elemente 1, 2. Da diese Ausdehnung aufgrund der Verpressung jedoch nicht möglich ist, wird die Metallsickendichtung 3 mikroskopisch gestaucht. Diese Stauchung wird bei Abkühlung nicht vollständig rückgängig gemacht, da die Festigkeit der Metallsickendichtung 3 bei Abkühlung zunächst zunimmt, bevor die Spannungen groß genug werden, um die Stauchung der Metallsickendichtung 3 rückgängig zu machen. Daher verkürzen sich vorbekannte hochtemperaturbelastete Metallsickendichtungen 3 mit Stopperlage 8 mit zunehmender Zyklenzahl, bilden Aufwertungen und können reißen. Dadurch werden sie undicht. Auch die Verwendung von Langlöchern zur Aufnahme des Verspannungsmittels 5 verhindert dies nicht in ausreichendem Maße.
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2 zeigt eine weitere Anordnung gemäß dem Stand der Technik. Hier ist die vorbekannte Metallsickendichtung 3 in einer Nut 10 im ersten Element 1 aufgenommen. Diese Metallsickendichtung 3 umfasst keine Stopperlage. Um in diesem Beispiel der Metallsickendichtung 3 einen ausreichenden Raum zur Ausdehnung zu ermöglichen, ist die Nut 10 in das erste Element 1 eingefräst. Die Tiefe der Nut 10 wird dabei so gewählt, dass die Metallsickendichtung 3 nicht auf Block gepresst werden kann. Die entsprechende Verschraubung der Elemente 1, 2 erfolgt dann direkt gegeneinander, wobei die Metallsickendichtung 3 nicht Teil des Schraubverbandes wird. Nachteilig ist hierbei, dass die Bearbeitung des ersten Elements 1 durch das Einfräsen der Nut 10 aufwendig und teuer ist.
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Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Metallsickendichtung bereitzustellen, die bei kostengünstiger Herstellung und Montage, insbesondere bei hoher thermischer Belastung, ein dauerhaftes und sicheres Abdichten zweier Elemente ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmalskombination des unabhängigen Anspruchs. Die abhängigen Ansprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Somit wird die Aufgabe gelöst durch eine Metallsickendichtung, umfassend einen Dichtungsbereich mit zumindest einer Sicke, zumindest einen Verspannungsbereich, und zumindest einen den Dichtungsbereich mit dem Verspannungsbereich verbindenden Zwischenbereich. Der Verspannungsbereich weist zumindest eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Verspannungsmittels, insbesondere einer Schraube, auf. Diese Ausnehmung ist insbesondere als Durchgangsloch oder seitlich offenes Durchgangsloch ausgebildet. Erfindungsgemäß ist der Zwischenbereich in einer Richtung senkrecht zur Verspannungsrichtung deformationslabiler ausgestaltet als der Dichtungsbereich und/oder der Verspannungsbereich. Die Verspannungsrichtung erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht zur Metallsickendichtung, also parallel zum Verspannungsmittel bzw. der Schraube. ”Deformationslabil” bedeutet insbesondere, dass bei thermischer Erwärmung der gesamten Metallsickendichtung sich der Zwischenbereich plastisch und/oder elastisch verformt, sodass Spannungen in der Metallsickendichtung abgebaut werden. Erfindungsgemäß ist die Metallsickendichtung Bestandteil eines Schraubverbandes, zusammen mit einem ersten und zweiten zu verbindenden Element. Bevorzugt sind die zwei zu verbindenden Elemente nur auf Höhe des Verspannungsbereichs miteinander verklemmt. Die übrigen Bereiche der abzudichtenden Flächen an den beiden Elementen können sich thermisch ausdehnen und bewirken keine Verspannung der Metallsickendichtung. Die Metallsickendichtung kann aufgrund der deformationslabilen Ausgestaltung des Zwischenbereichs insbesondere thermisch bedingte Verformungen leicht ausgleichen. Eine Nut wie in 2 nach dem Stand der Technik gezeigt, ist nicht mehr nötig.
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In bevorzugter Ausbildung ist vorgesehen, dass der Dichtungsbereich zumindest zwei in Verspannungsrichtung übereinander angeordnete Lagen umfasst und der Zwischenbereich zumindest eine Lage weniger als der Dichtungsbereich umfasst. Insbesondere umfasst der Dichtungsbereich zwei Lagen und der Zwischenbereich nur eine Lage.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass der Verspannungsbereich zumindest zwei in Verspannungsrichtung übereinander angeordnete Lagen umfasst und der Zwischenbereich zumindest eine Lage weniger als der Verspannungsbereich umfasst. Insbesondere umfasst der Verspannungsbereich zwei Lagen, wobei eine der beiden Lagen die sog. Stopperlage ist.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass im Zwischenbereich zumindest eine sich in Verspannungsrichtung erhebende Welle ausgebildet ist. Insbesondere ist der Zwischenbereich als ein gewelltes Blech ausgebildet. Durch die Ausbildung von Wellen in dem Blech des Zwischenbereiches ist der Zwischenbereich ”ziehharmonikaähnlich”.
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In besonders bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass der Zwischenbereich zumindest einen Steg zwischen dem Verspannungsbereich und dem Dichtungsbereich umfasst, wobei insbesondere eine Länge des Steges größer einer Breite des Steges ist. Bevorzugt umfasst die Metallsickendichtung mehrere Verspannungsbereiche mit jeweils einer Ausnehmung zum Einstecken eines Verspannungsmittels. Jeder dieser Verspannungsbereiche ist mittels eines separaten Steges mit dem Dichtungsbereich verbunden. Damit die Metallsickendichtung gegenüber den Verschraubungspunkten durch thermische Ausdehnung ausreichend verschiebbar bleibt, werden die Verspannungsbereiche bevorzugt nur mit dem dünnen und ziehharmonikaähnlichen Steg mit dem Dichtungsbereich verbunden. Dadurch ist gewährleistet, dass die Metallsickendichtung sich ausdehnen kann und die Position durch die Anbindung zu den Verschraubungspunkten gewährleistet bleibt.
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Zwischen dem Schwerpunkt der gesamten Metallsickendichtung und dem Mittelpunkt einer der Ausnehmungen im Verspannungsbereich ist eine imaginäre Linie definiert. Ein Winkel zwischen dem Steg und dieser imaginären Linie liegt zwischen 30° und 150°, insbesondere zwischen 40° und 140°, insbesondere zwischen 50° und 130°. Bevorzugt ist der Winkel eines jeden Steges entsprechend diesen Winkelbereichen ausgebildet. Insbesondere bei runden bzw. umlaufenden Metallsickendichtungen führt die Ausgestaltung der Stege in diesem Winkelbereich zu einer annähernd radialen Erstreckung der Stege. Dadurch wird ein Gesamtdurchmesser der Metallsickendichtung möglichst gering gehalten.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass eine erste Dicke des Verspannungsbereiches zwischen einer zweiten Dicke des Zwischenbereichs und einer dritten Dicke des Dichtungsbereichs liegt. Die Dicken werden dabei in Verspannungsrichtung gemessen. Die Dicke des Dichtungsbereichs ist in unmontiertem Zustand zu messen. Durch diese Ausgestaltung hat insbesondere der Zwischenbereich ausreichende Ausdehnungsmöglichkeiten in Verspannungsrichtung.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Metallsickendichtung zumindest eine einstückig gefertigte Lage aufweist, die gemeinsamer Bestandteil des Verspannungsbereichs, des Zwischenbereichs und des Dichtungsbereichs ist.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Verhältnis eines größten ersten Durchmessers des Verspannungsbereichs, gemessen senkrecht zur Verspannungsrichtung, zu einem zweiten Durchmesser der Ausnehmung für das Verspannungsmittel höchstens 5, insbesondere höchstens 4, insbesondere höchstens 3, beträgt. Dadurch wird gewährleistet, dass die Größe des Verspannungsbereichs, insbesondere die Größe der Stopperlage, möglichst gering gehalten wird, so dass ausreichend Platz für den Zwischenbereich zur Verfügung steht.
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Die Metallsickendichtung wird besonders bevorzugt aus einem metallenen Blech gefertigt. Die Stopperlage kann sowohl aus Metall, als auch aus Kunststoff, bestehen.
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Die Erfindung umfasst des Weiteren einen Abgasturbolader mit zumindest einer der soeben beschriebenen Metallsickendichtungen. Insbesondere bei Abgasturboladern werden die Metallsickendichtungen sehr oft thermischen Belastungen ausgesetzt, so dass hier die erfindungsgemäße Metallsickendichtung besonders bevorzugt zum Einsatz kommt.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung im Detail erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Metallsickendichtung gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine weitere Metallsickendichtung nach dem Stand der Technik,
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3 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Metallsickendichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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3a eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Metallsickendichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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4 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Metallsickendichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, und
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5 einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader mit einer Dichtfläche für die erfindungsgemäße Metallsickendichtung gemäß beiden Ausführungsbeispielen.
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Im Folgenden werden anhand der 3 bis 5 Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail erläutert.
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3 zeigt eine Metallsickendichtung 11 im montierten Zustand zwischen einem ersten Element 1 und einem zweiten Element 2. Mittels der Metallsickendichtung 11 werden die gegenüberliegenden Flächen des ersten und zweiten Elements 1, 2 gegeneinander abgedichtet.
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Die beiden Elemente 1, 2 sind mittels eines Verbindungsmittels 5, ausgebildet als Schraube, miteinander verpresst. Das Verbindungsmittel 5 erstreckt sich in Verspannungsrichtung 4. In der Metallsickendichtung 11 ist eine Ausnehmung 21, ausgebildet als Durchgangsloch, vorgesehen. Durch diese Ausnehmung 21 erstreckt sich das Verbindungsmittel 5 vom ersten Element 1 zum zweiten Element 2.
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Die Metallsickendichtung 11 unterteilt sich in einer Richtung senkrecht zur Verspannungsrichtung 4 in einen Dichtungsbereich 12, einen Verspannungsbereich 13 und einen Zwischenbereich 14. Der Zwischenbereich 14 liegt zwischen dem Dichtungsbereich 12 und dem Verspannungsbereich 13. Der Dichtungsbereich 12 geht direkt über in den Zwischenbereich 14. Der Zwischenbereich 14 geht direkt über in den Verspannungsbereich 13. Die Metallsickendichtung 11 umfasst eine erste Lage 6 aus einem metallischen Blech. Die erste Lage 6 erstreckt sich über alle drei Bereiche, den Dichtungsbereich 12, den Verspannungsbereich 13 und den Zwischenbereich 14. Des Weiteren umfasst die Metallsickendichtung 11 eine zweite Lage 7 aus einem metallischen Blech und eine Stopperlage 8. Die zweite Lage 7 erstreckt sich lediglich über den Dichtungsbereich 12. Die Stopperlage 8 erstreckt sich lediglich über den Verspannungsbereich 13. Die zweite Lage 7 liegt auf der ersten Lage 6 auf. Die Stopperlage 8 liegt ebenfalls auf der ersten Lage 6 auf. Somit ist der Zwischenbereich 14 nur durch die erste Lage 6 gebildet.
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Im Dichtungsbereich 12 sind in der ersten Lage 6 und in der zweiten Lage 7 Sicken ausgebildet. Diese Sicken werden beim Verpressen der beiden Elemente 1, 2 leicht deformiert und dichten somit die beiden Elemente 1, 2 gegeneinander ab. Der Zwischenbereich 14 weist zwei Wellen 15, 16 in der ersten Lage 6 auf. Diese Wellen 15, 16 stellen eine ”ziehharmonikaähnliche” Ausgestaltung des Zwischenbereichs 14 dar.
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Der Verspannungsbereich 13 definiert mit der ersten Lage 6 und der Stopperlage 8 den minimalen Abstand zwischen den beiden Elementen 1, 2. In Verspannungsrichtung 4 gemessen weist der Verspannungsbereich 13 eine erste Dicke 28 auf. Der ziehharmonikaähnliche Bereich im Zwischenbereich 14 weist, ebenfalls in Verspannungsrichtung 4 gemessen, eine zweite Dicke 29 auf. Die erste Dicke 28 ist wesentlich größer als die zweite Dicke 29. Des Weiteren ist die erste Dicke 28 kleiner als eine dritte Dicke am Dichtungsbereich 12 im unmontierten Zustand.
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Ferner zeigt 3 einen ersten Durchmesser 17. Dieser erste Durchmesser 17 definiert den maximalen Durchmesser des Verspannungsbereichs 13, insbesondere der Stopperlage 8. Ein zweiter Durchmesser 18 bezeichnet den Innendurchmesser der Ausnehmung 21. Der erste Durchmesser 17 ist möglichst klein gewählt, so dass ausreichend Platz für den Dichtungsbereich 12 und den Zwischenbereich 14 zur Verfügung steht. In Abhängigkeit von der Größe der Ausnehmung 21 bzw. der Größe des gewählten Verspannungsmittels 5 wird der erste Durchmesser 17 angepasst.
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3a beschreibt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtung, wobei sowohl der Dichtungsbereich 12 wie auch der Zwischenbereich 14 aus nur einer Lage bestehen. In diesem Fall ist die Höhe der Sicken im Dichtbereich 12 größer zu wählen als im Zwischenbereich 14. Der Verspannungsbereich 13 kann dabei durch eine Bördelung oder durch Falten der einen Lage erzeugt werden.
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4 zeigt die metallische Abdichtung 11 aus 3 in einer Draufsicht. Anhand von 4 ist gut zu sehen, dass der Dichtungsbereich 12 als geschlossener Ring ausgebildet ist. Des Weiteren weist die Metallsickendichtung 11 mehrere Verspannungsbereiche 13 mit jeweils einer Ausnehmung 21 auf. Die einzelnen Verspannungsbereiche 13 sind jeweils über einen als Steg ausgebildeten Zwischenbereich 14 mit dem Dichtungsbereich 12 verbunden.
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Des Weiteren zeigt 4, dass die Ausnehmungen 21 sowohl als geschlossene Löcher als auch als seitlich offene Löcher ausgebildet werden können. Die zweite Lage 7 wird mit der ersten Lage 6 über die eingezeichneten Schweißpunkte 19 verbunden.
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Die als Stege ausgebildeten Zwischenbereiche 14 sind im Wesentlichen radial um den Dichtungsbereich 12 angeordnet. Diese radiale Anordnung wird insbesondere wie folgt definiert: Ein Schwerpunkt 20 der Metallsickendichtung 11 ist in 4 eingezeichnet. Ebenso zeigt 4 zu jeder Ausnehmung 21 einen Mittelpunkt 22 der entsprechenden Ausnehmung 21. Eine Verbindung zwischen Mittelpunkt 22 und Schwerpunkt 20 wird als erste imaginäre Linie 24 bezeichnet. Des Weiteren zeigt 4 mit Bezugszeichen 23 eine Mitte des Endes des Steges am Dichtungsbereich 12. Durch den Mittelpunkt 22 und diese Mitte 23 verläuft eine zweite imaginäre Linie 25. Ein Winkel zwischen erster imaginärer Linie 24 und zweiter imaginärer Linie 25 ist bezüglich der einzelnen Verspannungsbereiche 13 mit α, β, γ, δ, ε bezeichnet. Die jeweiligen Winkel liegen zwischen 30° und 150°, insbesondere zwischen 40° und 140°, insbesondere zwischen 50° und 130°. Diese Stege können auch so ausgeführt werden, insbesondere so schmal, dass sie auch in radialer Richtung labil sind und nicht ausschließlich quer zur Wellenrichtung. Dies kann auch durch eine entsprechende Ausrichtung weiterer Wellen erzielt werden.
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Des Weiteren zeigt 4 eine Länge 26 der als Stege ausgebildeten Zwischenbereiche 14. Die Länge 26 wird von der Mitte 23 parallel zur zweiten imaginären Linie 25 bis zum Verspannungsbereich 13 gemessen. Eine Breite 27 der Stege wird gemessen an der breitesten Stelle der Stege, senkrecht zur zweiten imaginären Linie 25. Die Länge 26 ist insbesondere größer als die Breite 27. Insbesondere beträgt die Länge 26 zumindest das 1,2-fache, insbesondere das 1,5-fache, der Breite 27.
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5 zeigt einen Abgasturbolader 30 mit einem Verdichter 31 und einer Turbine 32. Die Laufräder des Verdichters 31 und der Turbine 32 sind über eine Welle 33 verbunden. Die Turbine 32 wird über Abgas einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben. Über die Welle 33 wir der Verdichter 31 in Rotation versetzt und so die Ladeluft für die Verbrennungskraftmaschine aufgeladen. Das Gehäuse 1 (erstes Element) weist zumindest eine Dichtfläche 34 auf. Auf diese Dichtfläche 34 wird die Metallsickendichtung 11 und eine Deckel (zweites Element) aufgesetzt und verschraubt.
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Neben der vorstehenden schriftlichen Beschreibung der Erfindung wird zu deren ergänzender Offenbarung hiermit explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den 3 bis 5 Bezug genommen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Element
- 2
- zweites Element
- 3
- Metallsickendichtung nach dem Stand der Technik
- 4
- Verspannungsrichtung
- 5
- Verspannungsmittel (Schraube)
- 6
- erste Lage
- 7
- zweite Lage
- 8
- Stopperlage
- 9
- Sicken
- 10
- Nut
- 11
- erfindungsgemäße Metallsickendichtung
- 12
- Dichtungsbereich
- 13
- Verspannungsbereich
- 14
- Zwischenbereich
- 15
- erste Welle
- 16
- zweite Welle
- 17
- erster Durchmesser
- 18
- zweiter Durchmesser
- 19
- Schweißpunkte
- 20
- Schwerpunkt
- 21
- Ausnehmung
- 22
- Mittelpunkt der Ausnehmung
- 23
- Mitte der Ende der Stege
- 24
- erste imaginäre Linie
- 25
- zweite imaginäre Linie
- 26
- Länge
- 27
- Breite
- 28
- erste Dicke
- 29
- zweite Dicke
- 30
- Abgasturbolader
- 31
- Verdichter
- 32
- Turbine
- 33
- Welle
- 34
- Dichtfläche
