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Die
Erfindung betrifft ein kombiniertes Feder-Dämpfersystem zur Abstützung von
Radaufhängungen
oder Achsen an einem Fahrzeugaufbau mit einem zwischen einer radtragenden
oder radführenden
Anbindung und einer fahrzeugaufbauseitigen Anbindung angeordneten
Schlauchrollbalg, der zwischen einer Außenglocke und einem Abrollkolben montiert
ist, wobei die Außenglocke
und der Abrollkolben über
ein zentrales Schubgelenk, das eine kolbenfreie Führungsstange
aufweist, aneinander geführt
sind.
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Die
DE 196 06 994 A1 zeigt
ein Feder-Dämpfersystem
mit einem derartigen Schubgelenk. Eine kolbenlose Stange gleitet
ohne Flüssigkeitsumströmung in
einer Stangenführung.
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Aus
der
DE 197 04 434
C2 ist ein Feder-Dämpfersystem
mit einem Schubgelenk bekannt, das zwei Führungspaare, nämlich eine
Kolbenstangen-Zylinderführung
und eine Kolben-Zylinderführung
aufweist. Durch letztere Führung
muß bei Relativbewegungen zwischen
den Führungsteilen eine
relativ große
Menge des Dämpfer-Federmediums
durch Bohrungen und Kanäle
bewegt werden.
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Ferner
ist aus der
DE 297
02 927 U1 ein Feder-Dämpfersystem
bekannt, das aus einem Verdränger
ohne Balg, einem Hydrospeicher und einer diese Teile verbindenden
Hydraulikleitung besteht. In der Hydraulikleitung ist ein mechanisches
Drosselventil angeordnet. Der Verdränger verbindet, wie bei einem
hydropneumatischen Federungssystem bekannt, die Fahrzeugradaufhängung mit
dem Fahrzeugaufbau. Das System ist mit einer hydraulischen Flüssigkeit
befüllt.
Letztere wird beim Einfedern eines Fahrzeugrades durch das Drosselventil
in einen Hydrospeicher verdrängt.
Der Strömungswiderstand des
Drosselventils erzeugt eine dämpfende
Kraft, während
die Kompression des Gasvolumens im Hydrospeicher eine federnde Kraft
bewirkt. Bei dem hier vorgestellten Verdrängerprinzip taucht ein Verdrängerkolben
in einen Verdrängerzylinder
ein. Beide Teile bewegen sich in einer Führungs- und Dichtfuge reibungsbehaftet
gegeneinander. Die Reibung beeinträchtigt die Ansprechzeit des
Feder-Dämpfersystems,
so daß sich
bei einem Einsatz in einem Fahrzeug kein optimales Abrollverhalten
der mit diesem System abgestützten
Räder ergibt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein kombiniertes
Feder-Dämpfersystem
zu entwickeln, das einen auf einem innengeführten Schlauchrollbalg basierenden,
reibungs armen Verdränger
beinhaltet, der bei einer schlanken Bauweise nur kleine Wirkflächen benötigt und
dessen Schubführungsdämpfung unerheblich
gegenüber
der Gesamtsystemdämpfung
ist. Ferner soll das Feder-Dämpfersystem
leckagefrei sowie wartungs- und verschleißarm sein.
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Das
Problem wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Dazu
ist ein zwischen der Außenglocke,
dem Schlauchrollbalg und dem Abrollkolben eingeschlossener Balgraum
mit einer Flüssigkeit
befüllt,
wobei der Balgraum mit einem fahrwerk- oder fahrzeugseitig gelagerten Hydrospeicher
kommuniziert. Das im Balgraum angeordnete Schubgelenk weist eine
von Flüssigkeit
durchströmte
Führungsbuchse
auf.
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Die
Art des Verdrängerbalgs,
die Art der Anbindung am Fahrwerk und am Fahrzeugaufbau und das
Befüllen
des Balgraums mit einem über
ein Gas vorgespanntes Fluid ermöglichen
einen schlanken Verdränger.
Die integrierte, nahezu verschleißfreie Schubführung hat
aufgrund der kolbenfreien Führungsstange
eine geringe Reibung und eine sehr geringe Eigendämpfung.
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Die
geringe Reibung ergibt sich aus dem Verzicht auf einen separaten
Kolben und dem Weglassen von Abdichtungen zwischen den Führungselementen.
Die Schubführung
gehört
zur Gruppe der permanent flüssigkeitsumströmten Gleitführungen. Die
Eigendämpfung
bleibt klein, da die eintauchende Führungsstange im Ver gleich zu
einer mit einem Kolben ausgestatteten Führungsstange eine nur geringe Fluidmenge
bewegt bzw. verdrängt.
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Bei
einem Be- oder Entlasten des Verdrängers strömt zwischen dem Verdränger und
dem Hydrospeicher über
eine Querschnittsverengung in Form einer hydraulischen Leitung oder
eines Durchbruchs eine Hydraulikflüssigkeit hin und her. Die Gestaltung
der Leitung bzw. des Durchbruchs und die Beschaffenheit der dort
angeordneten Drosselstelle beeinflußt über die Größe und Form des Öffnungsquerschnitts
die Systemdämpfung.
Hierbei kann die Drosselstelle entweder als Düse oder Blende ausgebildet
oder mindestens ein Drosselrückschlagventil sein.
Bei der Verwendung von Drosselrückschlagventilen
wird im Leitungs- bzw.
im Durchbruchsquerschnitt pro Strömungsrichtung jeweils mindestens
ein Ventil angeordnet.
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Das
Gaspolster des Hydrospeichers bildet maßgeblich die Systemfederung.
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Durch
das Verwenden eines Schlauchrollbalgs wird die mechanische Reibung
des Gesamtsystems im wesentlichen auf die innere Reibung des Balg-
und oder Membranmaterials reduziert. Dadurch zeigt das Feder-Dämpfersystem über den
gesamten Feder- und Dämpferratenbereich
ein nahezu ideales Ansprechverhalten.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung einer schematisch dargestellten Ausführungsform:
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1:
Feder-Dämpfersystem
mit einem Schlauchrollbalg und Innenführung;
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Die
einzige 1 zeigt ein kombiniertes Feder-Dämpfersystem,
das einen Verdränger
(10), einen Hydrospeicher (90) und eine zwischen
diesen angeordnete flüssigkeitsführende Arbeitsleitung
(26) mit einem integrierten Drosselventil (27)
umfaßt.
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Der
Verdränger
(10) besteht u.a. aus einer Außenglocke (12), einem
Abrollkolben (50) und einem beide Teile verbindenden Schlauchrollbalg
(40). Die Außenglocke
(12) ist ein büchsenförmiger Hohlkörper, der
aus einem Rohr (14) mit einer zylindrischen Innenwand (13)
und einem nach außen
gewölbten
Boden (20) besteht.
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Der
Boden (20) ist ein topfförmiger Körper, der in seinem zentralen
Bodenbereich eine Stufenbohrung (23) aufweist. In der Stufenbohrung
(23) steckt eine Führungsstange
(30). Letztere ist koaxial zu den zylindrischen Abschnitten
des Bodens (20) und des Rohres (14) angeordnet.
Die Führungsstange
(30), die beispielsweise aus Vollmaterial besteht, endet
in einem Zapfen (31), dessen Durchmesser kleiner ist als
der der Führungsstange
(30). Der Zapfen (31) trägt an seinem freien Ende einen
Sprengring (32). Zwischen dem Sprengring (32)
und dem zwischen dem Zapfen (31) und der Führungsstange (30)
liegenden Bund werden der Boden (20) und ein Schwenklagersegment
(34) fixiert. Das Schwenklagersegment (34) kann
beispielsweise auch auf den Zapfen (31) aufgeschraubt sein. Über das
Schwenklagersegment (34) ist das Feder-Dämpfersystem am
Fahrzeugaufbau starr oder nachgiebig über elastische Zwischenelemente
befestigt. Die Abbindung am Fahrzeugaufbau und am Fahrwerk erfolgt über Elemente,
die sowohl für
Druck- als auch für
Zugbelastung ausgebildet sind.
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Aus
dem Bodenbereich zweigt dezentral eine rohrförmige Arbeitsleitung (26)
ab, an deren Ende das Gehäuse
(94) des Hydrospeichers (90) angeordnet ist.
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Der
in 1 nach unten weisende Rand des Bodens (20)
hat zwei hintereinander angeordnete Umlaufsicken (21) und
(22). Die randnahe Umlaufsicke (22) dient der
Fixierung des Schlauchrollbalgs (40) am Boden (20)
bzw. der Außenglocke
(12). Dazu ist das obere Ende des an den Schlauchenden
offenen Schlauchrollbalgs (40) mit der Innenwandung auf
den Rand des Bodens (20) aufgeschoben und mit Hilfe eines
Spannrings (35) z.B. kraft- und formschlüssig sowie
abdichtend fixiert.
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Die
zweite Umlaufsicke (21) dient der formschlüssigen Verbindung
des Bodens (20) mit dem Rohr (14). Sie ist so
gestaltet, daß sie
nach dem Zusammenstecken von Boden (20) und Rohr (14) eine nach
innen gewölbte
Sicke (15) des Rohres (14) aufnehmen kann. Zur
Stabilisierung dieser Verbindung liegt in der Außenkontur der Sicke (15)
ein Draht (16), der mittels eines weiteren Spannrings (17)
beispielsweise kraftschlüssig
an seinem Ort gehalten wird.
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Selbstverständlich kann
die Außenglocke (12)
auch einteilig hergestellt werden.
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Der
Abrollkolben (50) ist ein mehrteiliger Hohlkörper. Sein
Kernstück
ist ein zentrales, beispielsweise zylindrisches Tragrohr (51).
Es stützt sich
an seinem unteren Ende über
eine Verschlußkappe
(75) und ein Schwenklagersegment (76) am Fahrwerk
ab. Das obere Ende des Tragrohrs (51) endet in einer Führungsbuchse
(60). Letztere ist ein zylindrisches Rohr, das an seiner
Außenkontur
zwei Abflachungen (64) und ein Außengewinde (65) hat. Über das
Außengewinde
(65) sitzt die Führungsbuchse
(60) eingeschraubt in einer Stufenbohrung (52)
des Tragrohrs (51). Die Abflachungen (64) dienen
der Werkzeuganlage während
des Montagevorganges.
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Vor
dem unteren Ende der Führungsbuchse (60)
liegt in der Stufenbohrung (52) ein Anschlagelement (67),
dessen kegelige Außenkontur
mit der Mantelkontur einer in der Führungsstange (30)
eingeschraubten Anschlagschraube (33) bereichsweise übereinstimmt.
Die Anschlagschraube (33) ist eine Senkkopfschraube mit
Innensechskant. Der maximale Außendurchmesser
der Anschlagschraube ist nur 1 bis 2 mm größer als der Durchmesser der
Führungsstange
(30).
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Für den Fall,
daß die
Führungsstange
(30) zur Verringerung der Dämpfungswirkung rohrförmig gestaltet
ist und der Innenraum (72) auch direkt mit dem Balgraum
(5) kommunizieren kann, wird anstelle der Anschlagschraube
(33) beispielsweise eine Anschlagmutter am unteren Ende
der Führungsstange aufgeschraubt.
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In
der Führungsbuchse
(60) sind zwei Gleitbuchsen (61, 62)
angeordnet. Die Gleitbuchsen (61, 62) sind beispielsweise
eingeklebte Teflonhülsen. Axial
zwischen den beabstandeten Gleitbuchsen (61, 62)
befindet sich ein Führungsringraum
(63), der über radiale
Bohrungen (66) oder andere Ausnehmungen mit der Führungsbuchsenumgebung
hydraulisch in Verbindung steht.
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Die
Gleitbuchsen (61, 62) sind beidseitig zur Erzeugung
je eines Schmierkeiles pro Bewegungsrichtung unter einem kleinen
Winkel gegenüber
der Längsachse
angefast. Dadurch wird bei jeder Bewegung das Fluid (1)
dynamisch in einen sich anfangs verengenden Spalt gefördert. Der
Spaltverlauf muß hierbei
nicht linear sein.
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Das
Tragrohr (51) und zumindest ein Teil der Führungsbuchse
(60) sind von einem Abrollkörper (80) umgeben.
Der Abrollkörper
(80), der zumindest abschnittsweise eine zylindrische Außenwand
(81) hat, stützt
sich mit seinem unteren Ende am Tragrohr (51) oberhalb
der Verschlußkappe
(75) ab. Das Tragrohr (51) und der Abrollkörper (80)
sind dort miteinander verschweißt.
Das obere Ende des Abrollkörpers
(80) liegt über
einen Distanzring (68) an der Führungsbuchse (60)
an. Der Distanzring (68), der beispielsweise auf die Führungsbuchse
(60) aufgepreßt
ist, hat an seiner Innenkontur mehrere axial verlaufende Längsnuten
(69).
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Über diese
Längsnuten
(69) kommuniziert der zwischen dem Außenkörper (80) und dem Tragrohr
(51) angeordnete Ringraum (71) mit dem Balgraum
(5). Der Ringraum (71) ist über die Boh rungen (53, 54)
mit dem Innenraum (72) des Tragrohres (51) hydraulisch
verbunden.
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Bei
einem Einfedern des Feder-Dämpfersystems
verdrängt
die Führungsstange
(30) das Fluid (1) über die Bohrungen (53, 54)
aus dem Innenraum (72) in den Ringraum (71) hinein.
Von dort strömt
das Fluid (1) in den Balgraum (5) zurück. Hierbei
benötigt
die Schubführung
keine Fluidabdichtung nach außen. Die
einzige Abdichtung des Abrollkolbens (50) befindet sich
zwischen dem Tragrohr (51) und der aufgeschraubten Verschlußkappe (75).
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Das
in 1 untere Ende des Schlauchrollbalgs (40)
ist auf einem annähernd
zylindrischen Abschnitt des Abrollkörpers (80) befestigt.
Hierzu ist das untere Ende des Schlauchrollbalgs (40) mit
der Innenwandung auf die Außenkontur
des Abrollkörpers (80)
aufgeschoben und mittels eines Spannrings (82) z.B. kraftschlüssig rutschfest
und abdichtend fixiert. Nach dem Einschieben des Abrollkolbens (50)
in die Außenglocke
(12) liegt die Außenwandung
(42) des Balgs (40) zumindest in unmittelbarer
Nähe zum Spannring
(82) an der Innenwand (13) an.
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Im
einbaufertigen Zustand des Feder-Dämpfersystems sitzt der Abrollkolben
(50) so in der Außenglocke
(12), daß das
untere Ende des Schlauchrollbalgs (40) unter Ausbildung
eines nach unten orientierten Meniskus (41) nach innen
gestülpt ist.
In der Folge rollt bei jeder betriebsbedingten Relativbewegung zwischen
den Teilen (12) und (50) die Außenwandung
(42) des Balgs (40) an der Außenwand (81) und der
Innenwand (13) ab.
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Der
Meniskus (41) bewegt sich im gesamten Hubbereich zwischen
den zylindrischen Wänden
(13) und (81). Der mittlere radiale Abstand zwischen
diesen Wänden
ist im Hubbereich des Meniskus (41) konstant. Der Abstand
entspricht einer Spaltbreite, die sich beispielsweise aus der fünffachen
Wandstärke
des Schlauchrollbalgs (40) ergibt. Das ermöglicht eine
schlanke Federbeinkonstruktion und hält die Belastung des Balgs
(40) im Meniskusbereich gering. Zudem ist die innere Reibung
im Schlauchrollbalg (40) über den gesamten Hub konstant.
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Der
Außendurchmesser
des Abrollkolbens (50) ist hierbei z.B. annähernd gleich
dem nutzbaren Gesamthub des Federbeins.
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Die
Länge des
Schlauchrollbalgs (40) entspricht beispielsweise dem zweifachen
Balgdurchmesser.
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Der
außerhalb
des Balgraums (5) zwischen der Außenglocke (12) und
dem Abrollkolben (50) liegende Rückraum (7) kann mit
Hilfe eines Schmutzschutzbalgs gegen das Eindringen von Schmutz
abgedichtet werden.
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Im
oberen Bereich der Außenglocke
(12) befindet sich eine – nicht dargestellte – sperrbare
Zuleitung, die in den Balgraum (5) mündet. Die Zuleitung kann hier
auch eine zentral in der Führungsstange (30)
vorhandene Bohrung sein. Über
diese Zuleitung wird – bei
einer Verwendung als aktives Feder-Dämpfersystem bzw. als Niveauregulierung – dem Verdränger Flüssigkeit
zugeführt
oder entnommen. Durch die Zu- und Abfuhr einer bestimmten Flüssigkeitsmenge
können
in gewünschter
Weise Zusatzkräfte
realisiert werden. Die Auf- oder Wegnahme dieser Zusatzmengen verändert im
Gesamtsystem die Dämpfer-
und die Federkräfte.
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Der
Hydrospeicher (90) ist beispielsweise als Blasen- oder
Membranspeicher ausgebildet. Ein durch die Blase oder Mem brane (91)
abgeteiltes Gaspolster (92) bildet die Federung des Feder-Dämpfersystems.
Am Übergang
von der Arbeitsleitung (26) zum Gehäuse (94) des Hydrospeichers (90)
befinden sich zwei einander entgegengesetzt wirkende Druckstufenventile
in Form von Federplattenventilen. Jeweils ein Ventil (27) öffnet in
eine andere Strömungsrichtung.
Hierbei kann die Drosselwirkung des einzelnen Drosselrückschlagventils
(27) ggf. mittels eines steuer- oder regelbaren Antriebs verstellbar
ausgeführt
werden.
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In
manchen Konstruktionen kann sich die Länge der Arbeitsleitung (26)
auf einen Durchbruch verkürzen,
z.B. wenn flüssigkeitsführende Bestandteile
des Verdrängers
in den Hydrospeicher hineinragen oder von diesem umgeben werden.
Beispiels weise könnte
die Außenglocke
(12) von einem z.B. ringförmigen Gehäuse umgeben sein. In einem
solchen Fall ist der zwischen diesem Gehäuse und der Außenkontur
der Außenglocke
liegende Gesamtringraum durch eine schlauchartige Membrane in einen inneren
und äußeren Ringraum
geteilt. Der äußere Ringraum
ist mit Gas gefüllt,
während
der innere Ringraum, vergleichbar mit dem Fluidraum (95)
mit dem Balgraum (5) über
mindestens ein Drosselventil kommuniziert.
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Das
im Feder-Dämpfersystem
verwendete Fluid (1) ist beispielsweise eine Lösung aus
Wasser und Alkohol. Für
diese Lösung
eignen sich alle Alkohole, die bei Raumtemperatur in einem beliebigen Verhältnis mit
Wasser mischbar sind. Beispielsweise wird eine Wasser-Äthanol-Lösung oder
eine Wasser-Glykol-Lösung
verwendet. Eine übliche
Wasser-Glykol-Lösung,
wie sie auch als frostgeschützte Kühlflüssigkeit
in Verbrennungsmotoren verwendet wird, hat z.B. einen Ethylenglykolanteil
von 33 bis 50%. Bei der fünfzigprozentigen
Lösung
ist ein Betrieb des Feder-Dämpfersystems
bis zu einer Kälte von –35°-Celsius
möglich.
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Diese
Lösung
greift zudem die üblichen
Elastomerwerkstoffe nicht an. Auch die Gummiquellung liegt in der
Größenordnung
der Quellung in reinem Wasser.
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Alternativ
zu der bisher beschriebenen Ausführungsform
ist ein Feder-Dämpfersystem
denkbar, bei dem das im System verwendete Fluid (1) eine magnetorheologische
Flüssigkeit
ist. Wird nun an der hydraulischen Arbeitsleitung (26)
beispielsweise ein kurzer ringförmiger
Abschnitt von einer stromerregten Magnetspule umschlossen, so stellt
die erregte Magnetspule in Kombination mit dem Fluid (1)
eine variable Drosselstelle dar. Mit einer zunehmenden Bestromung
der Spule nimmt die Fließgeschwindigkeit
durch eine Zunahme der scheinbaren bzw. dynamischen Viskosität in der
Arbeitsleitung (26) ab, wodurch sich u.a. das Dämpfungsverhalten
des Gesamtsystems gezielt verändern
läßt.
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- 1
- Fluid,
Wasser-Glykol-Lösung
- 5
- Balgraum
- 7
- Rückraum
- 10
- Verdränger
- 12
- Außenglocke
- 13
- Innenwand
- 14
- Rohr
- 15
- Sicke
- 16
- Draht
- 17
- Spannring
- 20
- Boden
- 21,
22
- Umlaufsicken
- 23
- Stufenbohrung
- 26
- Arbeitsleitung
- 27
- Drosselventile,
Druckstufenventile
- 30
- Führungsstange
- 31
- Zapfen
- 32
- Sprengring
- 33
- Anschlagschraube
- 34
- Schwenklagersegment
- 35
- Spannring
- 40
- Schlauchrollbalg,
Balg
- 41
- Meniskus
- 42
- Außenwandung
von (40)
- 43
- Innenwandung
von (40)
- 50
- Abrollkolben
- 51
- Tragrohr
- 52
- Stufenbohrung
- 53,
54
- Bohrungen
- 60
- Führungsbuchse
- 61,
62
- Gleitbuchsen
- 63
- Führungsringraum
- 64
- Abflachungen
- 65
- Außengewinde
- 66
- Bohrungen,
Durchbrüche
- 67
- Anschlagelement
- 68
- Distanzring
- 69
- Längsnuten
- 71
- Ringraum
- 72
- Innenraum
- 75
- Verschlußkappe
- 76
- Schwenklagersegment
- 80
- Abrollkörper
- 81
- Außenwand
- 82
- Spannring
- 90
- Hydrospeicher
- 91
- Membrane
- 92
- Gaspolster
- 94
- Gehäuse
- 95
- Fluidraum