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Die
Erfindung betrifft eine Synchronisiervorrichtung mit den Merkmalen
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Handschaltgetriebe
werden üblicherweise
in Vorgelegebauweise ausgeführt
und haben eine Antriebswelle, eine Vorgelegewelle und in der Regel eine
zur Antriebswelle koaxiale Abtriebswelle. Je nach der Anzahl der
Gänge befinden
sich auf den Wellen entsprechend viele Zahnradzüge, bestehend aus einem mit
einer Welle drehfest verbundenen Festrad, das mit einem drehbar
auf einer anderen Welle gelagerten Losrad ständig kämmt.
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Beim
Schaltvorgang wird eins der beispielsweise auf der Abtriebswelle
befindlichen Losräder
mit der Abtriebswelle über
eine Kupplung verbunden, die das gesamte Antriebsmoment überträgt. Um große Antriebsmomente
mit einfachen, platzsparenden und leicht zu schaltenden Mitteln übertragen
zu können, verwendet
man vorzugsweise formschlüssige
Kupplungen. Während
des Schaltens wird die Zugkraft mittels einer Fahrkupplung unterbrochen.
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Um
die Getriebe einfach, leicht, stoßfrei, schnell und geräuscharm
zu schalten, müssen
die zu schaltenden Kupplungsteile der formschlüssigen Kupplungen nahezu die
gleiche Drehzahl haben, bevor sie ineinandergreifen. Hierzu dienen
Synchronisiervorrichtungen, die den antriebsseitigen Teil des Antriebsstrangs
zwischen der Fahrkupplung und der zu schaltenden Kupplung während der
Zugkraftunterbrechung auf eine Drehzahl verzögert bzw. beschleunigt, die
die Fahrgeschwindigkeit an dem abtriebsseitigen Kupplungsteil vorgibt.
Schaltet man von einem niedrigeren Gang mit einer größeren Untersetzung
in einen höheren
Gang mit einer kleineren Untersetzung hoch, wird der antriebsseitige
Teil des Antriebstrangs verzögert,
im entgegengesetzten Fall beschleunigt.
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Die üblichen
Synchronisiervorrichtungen haben für diese Beschleunigungs- und
Abbremsvorgänge
Reibkupplungen in Form von Reibkegeln. Diese müssen nicht das Antriebsmoment übertragen, sondern
nur die Synchronisierarbeit leisten, die sich aus Trägheitsmomenten
der rotierenden Massen des antriebsseitigen Teils des Antriebsstrangs
und reibungsbedingten Schleppmomenten ergibt. Sie können entsprechend
klein dimensioniert werden. In der Regel ist jeder formschlüssigen Kupplung
eine Sychronisiervorrichtung zugeordnet. Es ist aber auch möglich, daß eine zentrale
Sychronisiervorrichtung mehreren formschlüssigen Kupplungen zugeordnet ist.
Ferner weisen in der Regel die Sychronisiervorrichtungen Sperreinrichtungen
auf, die verhindern, daß die
formschlüssigen
Kupplungen eingerückt
werden können,
bevor die Synchrondrehzahl nahezu erreicht ist.
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Um
den Fahrer eines Fahrzeugs zu entlasten, werden einzelne oder mehrere
Funktionen des Schaltvorgangs automatisiert, z. B. das Kuppeln,
das Auswählen
und das Einlegen eines Gangs. Bei sogenannten automatisierten Schaltgetrieben
ist unter anderem auch der Synchronisiervorgang automatisiert, und
zwar in der Regel indem zum Beschleunigen der Motor und die Anfahrkupplung
und zum Verzögern eine
zentrale Bremse im antriebsseitigen Teil des Antriebsstrangs, z.
B. in Verbindung mit der Vorgelegewelle entsprechend gesteuert werden.
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Aus
der
EP 552 560 B1 ist
ein Vorgelegegetriebe mit einer Bremse bekannt, die auf die Vorgelegewelle
wirkt. Sie hat einen Stufenkolben, der in einem zweiteiligen Bremsgehäuse in einem
Zylinder verschiebbar gelagert ist und mit dem Zylinder einen größeren und
einen kleineren Zylinderraum auf der der Vorgelegewelle abgewandten
Kolbenseite bildet. Diese werden getrennt über außerhalb des Bremsgehäuses liegende
nicht dargestellte Ventile und über jeweils
einen sich im Bremsgehäuse
befindenden Kanal angesteuert. Wird der Kolben mit Druck beaufschlagt,
preßt
dieser im Bremsgehäuse
verschiebbar und drehfest gelagerte Lamellen mit sich drehenden Lamellen,
die mit der Vorgelegewelle über
eine Mitnahmeverzahnung verbunden sind, zusammen gegen eine drehfeste
Stützscheibe,
wodurch die Vorgelegewelle abgebremst wird. Dabei dient jeder der
beiden Kanäle
zum Druckaufbau und Druckabbau.
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Während der
größere Zylinderraum,
der einer größeren Kolbenfläche zugeordnet
ist, für
die Funktion eines sogenannten Hillholders vorgesehen ist, der das
Fahrzeug im Gefälle
gegen Zurückrollen sichert,
ist der kleinere Zylinderraum, der einer kleineren Kolbenfläche zugeordnet
ist, für
einen Drehzahlangleich beim Hochschalten vorgesehen.
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Der
Kanal, der zum kleineren Zylinderraum führt, wird aus zwei senkrecht
aufeinander stehenden Bohrungen gebildet und führt von seitlich außen in den
mittig angeordneten kleineren Zylinderraum. Ferner liegt das Ventil
außerhalb
des Bremsgehäuses.
Es entsteht somit ein langer Kanal vom Ventil bis zum Zylinderraum
und damit ein großes
Volumen, über
das der Druck zur Kolbenverstellung auf- und abgebaut werden muß. Da bis
zum Ansprechen der Bremse sowohl im Zylinderraum als auch im Kanal der
Betätigungsdruck
aufgebaut bzw. abgebaut werden muß, ist mit einer entsprechenden
Zeitverzögerung
zu rechnen.
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Ferner
sind Einflüsse
von Betriebsbedingungen wie Außentemperatur,
Kompressibilität
des Druckmediums, Elastizität
der Kanalwandung und möglicherweise
von eingeschlossenen Verunreinigungen, Temperatur- und Viskositätsveränderungen, Verschleiß usw. bei
einem großen
Volumen umso größer. Das
Ansprechverhalten verändert
sich abhängig
von diesen Einflüssen,
so daß die
Schaltvorgänge
in Abhängigkeit
von den Parametern unterschiedlich ablaufen.
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Vor
diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen
Synchronisiervorrichtung, insbesondere für ein automatisiertes Vorgelegegetriebe,
zu entwickeln, bei der ein exakteres, schnelleres und möglichst
gleichbleibendes Ansprechverhalten einer auf die Vorgelegewelle
wirkenden Bremse erreicht werden kann.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst,
während
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den
Unteransprüchen
entnommen werden können.
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Wird über einen
Kanal der Zylinderraum mit Druck beaufschlagt und entlüftet, muß im gesamten Kanal
der Druck auf- und abgebaut werden, was mit einer Zeitverzögerung verbunden
ist. Ein besonders schnelles Ansprechverhalten wird erreicht, wenn
der Druck in der Druckleitung beibehalten werden kann. Erfindungsgemäß wird dies
mit zwei getrennten Kanälen
und jeweils einem zugeordneten Ventil erzielt, und zwar mit einem
Zuführkanal
und einem Belüftungskanal.
Das Ventil im Zuführkanal
wird geöffnet, um
die Bremse zu schließen,
während
das Ventil im Belüftungskanal
geschlossen ist. Beim Öffnen
der Bremse wird das Ventil im Zuführkanal geschlossen und das
im Belüftungskanal
geöffnet.
Der Druck vor dem Ventil im Zuführkanal
wird beibehalten, so daß bei
erneutem Schließen
der Bremse der Druck nur im kurzen Kanal vom Ventil bis zum Zylinderraum
aufgebaut werden muß.
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Indem
die Ventile nahe beim Kolben im Bremsgehäuse angeordnet sind, kann eine
kurze Kanallänge
vom Ventil bis zum Zylinderraum und damit ein kleines Volumen erreicht
werden. Einflüsse,
insbesondere von der Kompressibilität, des Druckmediums, der Elastizität der Kanalwandung
und möglicherweise
von eingeschlossenen Verunreinigungen usw., werden auf ein Minimum
begrenzt, wodurch ein exaktes, schnelles und nahezu gleichbleibendes
Ansprechverhalten erreicht wird. Ferner tragen geradlinige Kanäle vom Ventil
zum Zylinderraum zu einer kurzen Länge und einem kleinen Volumen
bei, die zudem einfach und kostengünstig durch einen Bearbeitungsvorgang
hergestellt werden können,
beispielsweise durch Bohren.
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Verändern sich
die Einflußgrößen, wie
Temperatur, Viskosität,
Kompressibilität
usw., verändert sich
auch der Druckverlauf im Zylinderraum und damit die Verzögerung der
Vorgelegewelle über
der Zeit, sprich der Bremsgradient. Um dies zu vermeiden, wird vorgeschlagen,
einen Sollbremsgradienten über
eine durch einen ersten Drehzahlgeber erfaßte Abtriebsdrehzahl zu berechnen,
einen Istbremsgradienten aus der von einem zweiten Drehzahlgeber
an der Vorgelegewelle erfaßten
Drehzahl zu berechnen und diesen auf den Sollbremsgradienten zu
regeln, indem der angelegte Druck am Kolben entsprechend angepaßt wird.
Der Einfluß von
sich verändernden Größen wird
somit durch entsprechendes Regeln ausgeglichen.
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Vorzugsweise
werden im Zuführ-
und Belüftungskanal
Zweiwegeventile verwendet. Soll der Druck abhängig von bestimmten Parametern
verändert
werden, wie beispielsweise dem Ist- und Sollbremsgradienten usw.,
ist es zweckmäßig, impulsgesteuerte übererregte
Magnetventile zu verwenden, die eine geringe Massenträgheit und
eine hohe Ansprechempfindlichkeit besitzen. Solche Ventile werden
z. B. bei Antiblockiersystemen in Fahrzeugbremsen verwendet.
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Die
Ventile werden impulsgesteuert. Aus dem Mittelwert der Öffnungsimpulse
und der Druckdifferenz ergibt sich der Volumenstrom und damit der Druckaufbau.
Der Mittelwert kann durch Pulsdauer und Pulsfrequenz variiert werden.
Denkbar ist auch, daß das
Ventil im Belüftungskanal
abgestimmt auf das Ventil im Zuführkanal
impulsgesteuert wird, um einen bestimmten Druckverlauf zu erzeugen.
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Der
sich durch den Mittelwert ergebende Druck kann nicht größer als
der Versorgungsdruck selbst sein. Es empfiehlt sich daher, die kleinste
erforderliche Bremskraft, bei der die Bremse noch sicher funktioniert,
auf den minimalen Versorgungsdruck auszulegen, so daß die Funktionssichertheit der
Bremse stets gewährleistet
ist.
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Vorzugsweise
werden die Ventile von einem Mikroprozessor abhängig von der Abtriebsdrehzahl geregelt.
Erfindungsgemäß wird ausgehend
von der Abtriebsdrehzahl und einer vorgewählten Übersetzung ein Sollbremsgradient
und eine Sollanschlußdrehzahl
im Mikroprozessor berechnet, nach denen eine erfaßte Istdrehzahl
und ein erfaßter
Istbremsgradient geregelt werden.
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Die
Bremse kann sich an einem Ende der Vorgelegewelle vor dem Gehäuse des
Getriebes befinden. Es ist aber auch denkbar, daß sie im Getriebegehäuse angeordnet
ist. Ferner können
anstatt Lamellen sonstige Reibflächen
angewendet werden, z. B. Reibkegel usw..
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Aufgrund
der kleinen Volumina durch kurze Kanäle und die dadurch auf ein
Minimum begrenzten Einflüsse,
die zusätzlich
durch Regeln des Istbremsgradienten auf einen Sollbremsgradienten
ausgeglichen werden, können
kompressible Druckmedien, z. B. Druckluft verwendet werden. Druckluft
belastet und gefährdet
durch Leckagen die Umwelt unbedeutend gegenüber Drucköl.
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Die
Bremse ist mit einer hydraulischen und einer pneumatischen Kolbenbetätigung vom
PKW bis zum schweren NKW einsetzbar. Speziell bei NKW's ist es jedoch besonders
günstig,
den Kolben pneumatisch zu betätigen,
da beim NKW für
die Bremseinrichtung des Fahrzeugs in der Regel eine Druckluftversorgung
vorhanden ist, die gleichzeitig zur Synchronisierung verwendet werden
kann.
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Wird
die Bremse ausgehend vom geöffneten Zustand
geschlossen, sollte der Druck von Beginn an gleichmäßig auf
eine möglichst
große
Querschnittsfläche
des Kolbens wirken. Bei einer Ausgestaltung der Erfindung münden die
Kanäle
in einem gemeinsamen Totraum des Zylinders. Dieser kann durch eine
Aussparung im Kolben oder im Bremsgehäuse gebildet werden, die sich
an eine Anschlagfläche
des Kolbens in Bewegungsrichtung anschließt. Der Druck kann sich somit
in der Ausgangsstellung über den
Querschnitt des Totraums verteilen, wodurch er von Beginn auf einer
relativ großen
Angriffsfläche
am Kolben wirken kann.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung sowie die daraus resultierende Vorteile
sind der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen.
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In
der Beschreibung und in den Ansprüchen sind zahlreiche Merkmale
im Zusammenhang dargestellt und beschrieben. Der Fachmann wird die
Merkmale zweckmäßigerweise
auch einzeln betrachten und zu weiteren sinnvollen Kombinationen
zusammenfassen.
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Es
zeigt:
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1 einen
Schnitt durch eine Synchronisiervorrichtung.
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1 zeigt
eine Synchronisiervorrichtung für ein
Getriebe mit einer in einem Gehäuse 1 gelagerten Vorgelegewelle 2.
Diese wird über
eine Bremse 3 mit einem Kolben 4, der in einem
Bremsgehäuse 5 in
einem Zylinder 6 verschiebbar gelagert ist, gebremst. Der
Kolben 4 wird über
Kanäle 7, 8 im
Bremsgehäuse 5 und über Ventile 9, 10 angesteuert.
Er preßt
eine Lamelle 11, die im Bremsgehäuse 5 verschiebbar drehfest
gelagert ist, und eine sich drehende Lamelle 12, die mit
der Vorgelegewelle 2 verbunden ist, gegen eine Anlauffläche 20 am
Gehäuse 1.
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Die
Ventile 8, 9 sind nahe am Kolben 4, vorzugsweise
im Bremsgehäuse 5 angeordnet.
Denkbar ist auch, daß sie
unmittelbar vor bzw. am Bremsgehäuse 5 angeordnet
sind.
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Bei
offener Bremse 3 liegt der Kolben 4 mit seiner
von der Vorgelegewelle 2 abweisenden und den Kanälen 7, 8 zu weisenden
Seite 23 an einer Anschlagfläche 22 des Bremsgehäuses 5 an.
Die Kanäle 7, 8 münden in
einen Totraum 15 im Bremsgehäuse 5, der zum Zylinderraum 13 offen
ist und somit einen Teil des Zylinderraums 13 bildet. Dadurch
kann das Druckmedium nach dem Einströmen schnell und gleichmäßig auf
die gesamte Kolbenfläche
wirken.
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Wird
ein höherer
Gang vorgewählt
und muß die
Vorgelegewelle 2 zur Synchronisierung abgebremst werden,
wird von einem Mikroprozessor 14 ausgehend von der vorgewählten Übersetzung
und von der durch einen ersten Drehzahlgeber 24 erfaßten Abtriebsdrehzahl
der Abtriebswelle 25 eine Sollanschlußdrehzahl der Vorgelegewelle 2 und
ein Sollbremsgradient berechnet. Anschließend werden die Ventile 9, 10,
impulsgesteuerte Magnetventile, vom Mikroprozessor 14 angesteuert,
bis die Sollwertvorgaben erreicht sind. Das Ventil 10 im
Belüftungskanal 8 kann
geschlossen oder zur Regelung des Bremsgradienten ebenfalls geöffnet und
geschlossen werden.
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Der
Kolben 4 verschiebt sich durch den Druck im Zylinderraum 13 in
Richtung der Vorgelegewelle 2 und preßt die im Bremsgehäuse 5 verschiebbar
gelagerte Lamelle 11 gegen die direkt auf der Vorgelegewelle 2 verschiebbar
gelagerte, sich drehende Lamelle 12, die dann gegen eine
Anlauffläche 20 am
Gehäuse 1 gepreßt wird.
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Die
im Bremsgehäuse 5 in
einem Lamellenträger 27 gelagerte
Lamelle 11, die unmittelbar mit dem Kolben 4 in
Kontakt kommt, ist vorzugsweise in axialer Richtung formstabil ausgeführt, um
eine gleichmäßige Druckverteilung
zwischen den Lamellen 11, 12 zu erreichen. Das
Bremsgehäuse 5 und der
Lamellenträger 27 sind
einstückig
ausgebildet, wodurch die Zahl der einzelnen Bauteile reduziert wird.
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Dadurch,
daß die
Lamelle 12 verschiebbar und drehfest auf einer Mitnahmeverzahnung 30 direkt
auf der Vorgelegewelle 2 angeordnet ist, kann eine kurze,
einfache und kostengünstige
Bauweise erreicht werden. Da die Lamelle 12 unmittelbar
an einer Anlauffläche 20 einer
Gehäusewand 30 des
Gehäuses 1 abgebremst
wird, ist kein separater drehfester Stützring erforderlich. Um eine
geringe Flächenpressung
und Wärmeentwicklung
zu erreichen, sollte die wirksame Kontaktfläche zwischen der Anlauffläche 20 und
der Lamelle 12 möglichst
groß sein. Es
ist daher zweckmäßig, daß die Anlauffläche 20 bis in
den Bereich eines inneren Lagerrings 32 eines Lagers, vorzugsweise
eines Wälzlagers 17,
reicht. Dabei ist dafür
zu sorgen, daß maximal
einer oder keiner der Lagerringe 31, 32 des Wälzlagers 17 mit
der Gehäusewand 30 in
Kontakt kommt. Ein axialer Abstand 18 zwischen dem Wälzlager 17 bzw.
mindesten einem Lagerring 31, 32 wird mit Sicherungsringen 33, 34 erreicht.
Denkbar sind auch Kegelrollenlager usw., bei denen nur ein Lagerring 31 mit
der Gehäusewand 30 in
Kontakt kommt.
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Während des
Bremsvorgangs wird über
den zweiten Drehzahlgeber 21 die Drehzahl der Vorgelegewelle 2 erfaßt, mit
der der Istbremsgradient im Mikroprozessor 14 errechnet
wird. Nun wird der Druck im Zylinderraum 13 über die
Ventile 9, 10 solange moduliert, bis der Istbremsgradient
dem Sollbremsgradienten entspricht. Durch diese Regelung werden die
Parameter, wie Kompressibilität,
Temperatur, Viskosität
usw., die den Istbremsgradienten beeinflussen, berücksichtigt.
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Nachdem
die Vorgelegewelle 2 die Sollanschlußdrehzahl erreicht hat, wird
der Gang eingelegt. Gleichzeitig wird die Bremse 3 geöffnet. Hierfür wird das
Ventil 9 im Zuführkanal 7 geschlossen,
wodurch die Druckversorgung 26 zum Zylinderraum 13 unterbrochen
wird. Der Druck der Druckversorgung 26 steht jedoch vor
dem Ventil 9 weiter an, so daß der Druck beim nächsten Schließvorgang
nur in dem kleinen Zuführkanal 7 vom
Ventil 9 bis zum Zylinderraum 13 und im Zylinderraum 13 selbst
aufgebaut werden muß.
Hierdurch wird ein gewünschtes
schnelles Ansprechverhalten erreicht.
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Das
Belüftungsventil 10 wird
geöffnet,
der Druck wird im Zylinderraum 13 abgebaut und eine Rückstellfeder 16 verschiebt
den Kolben 4 in seine Ausgangslage. Die Rückstellfeder 16 ist
mittig an der zum Kolben 4 weisenden Stirnseite der Vorgelegewelle 2 integriert,
wodurch mit einer einfachen, platzsparenden und aus wenigen Bauteilen
bestehenden Konstruktion die Rückstellkraft
am Kolben 4 symmetrisch eingeleitet wird, ohne daß dieser
verkanntet. Die Rückstellfeder 16 wirkt über ein
sphärisches
Lager 28 auf den Kolben 4, beispielsweise mittels
einer Kugel, wodurch ein axialer Versatz ausgeglichen werden kann.
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Vorgelegewelle
- 3
- Bremse
- 4
- Kolben
- 5
- Bremsgehäuse
- 6
- Zylinder
- 7
- Kanal
- 8
- Kanal
- 9
- Ventil
- 10
- Ventil
- 11
- Lamelle
- 12
- Lamelle
- 13
- Zylinderraum
- 14
- Mikroprozessor
- 15
- Totraum
- 16
- Rückstellfeder
- 17
- Lager
- 18
- Abstand
- 19
- Drehachse
- 20
- Anlauffläche
- 21
- Drehzahlgeber
- 22
- Anschlagfläche
- 23
- Seite
- 24
- Drehzahlgeber
- 25
- Abtriebswelle
- 26
- Druckversorgung
- 27
- Lamellenträger
- 28
- Lager
- 29
- Mitnahmeverzahnung
- 30
- Gehäusewand
- 31
- Lagerring
- 32
- Lagerring
- 33
- Sicherungsring
- 34
- Sicherungsring