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Kolben von Schwingungsdämpfern, insbesondere für Kraftfahrzeuge Die
Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für Schwingungsdämpfer, insbesondere für
Kraftfahrzeuge, der an einer Kolbenstange befestigt ist und bei deren Hin- und Herbewegungen
in einem ölgefüliten Zylinder Dämpfungskräfte erzeugt, mit zwei je für eine Strömungsrichtung
bestimmten Gruppen von vorzugsweise auf demselben Teilkreis liegenden Durchtrittskanälen,
deren austrittseitige Mündungen durch eine kreisringförmige federbelastete Ventilplatte
abgedeckt sind.
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Die Erfindung geht von dem bekannten Kolben nach der deutschen Auslegeschrift
1 142 471 aus, bei dem am inneren Durchmesser fest eingespannte, federnde Ventilplatten
auf beiden Stirnflächen des Kolbens aufl i-egen, die Mündungen von Durchtrittskanälen
abdecken und sich unter Strömungsdruck elastisch aufbiegen, wobei sichelförmige
Öffnungsquerschnitte freigegeben werden. Ein diese Kolbenkonstruktion benutzender
Schwingungsdämpfer zeichnet sich durch weiches Ansprechen auf die überfahrenen Bodenunebenheiten
und durch große Geräuscharmut aus.
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Für ein vorgegebenes Fahrzeug wird die geometrische Abmessung des
Kolbens aus dem Typenprogramm eines Dämpferherstellers so ausgewählt, daß die zu
erwartenden mechanischen und thermischen Beanspruchungen von dem ausgewählten Kolben
ertragen werden.
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Der vom Fahrzeugbauer jeweils gewünschte Dämpfungskraftverlauf läßt
sich dann bei dem bekannten Kolben durch entsprechende Wahl aller Einflußgrößen,
insbesondere des Teilkreises der Durchtrittskanäle, der Anzahl und Größe der Mündungen,
der Anzahl und Stärke der Ventilplatten verwirklichen. Dabei bedingen die gegebenen
Abhängigkeiten der Stärke und Anzahl der Ventilplatten von der geometrischen Größe
des Kolbens , daß mit abnehmendem Kolbendurchmesser die erforderliche Anzahl der
Ventilplatten immer kleiner und die erforderlichen Stärken der Ventilplatten immer
dünner werden.
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Bei kleinen Koibendurchmessern bespielsweise unter 30 mm, die vorzugsweise
bei den üblichen Zweirohrdämpfern für mittlere Personenkraftfahrzeuge Verwendung
finden, wird nur noch eine Ventilplatte erforderlich und deren erforderliche Stärke
so dünn, beispielsweise unter 0,1 mm, daß nachgewiesenermaßen die Ventilplatten
kurzfristig zu Bruch gehen. Damit ist die Sicherheit des Schwingungsdämpfers nicht
mehr gegeben und ist in nachteiliger Weise die bekannte Kolbenkonstruktion nicht
mehr anwendbar.
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Die geschilderte bruchgefahr der Ventilplatten besteht bei der aus
der deutschen Auslegeschrift 1.292 014 bekannten Kolbenkonstruktion mit verformungssteifen
Ventilplatten nicht, bei der zwei Gruppen von auf einem inneren und einem äußeren
Teilkreis liegenden Durchtrittskanälen vorgesehen sind, die auf jeder Stirnseite
des Kolbens in Ringnuten münden, die durch verformungssteife Ventilplatten abgedeckt
sind. Die Ringnuten enden in konzentrischen Dichtsitzen von großer Umfangslänge,
deren resultierende Unebenheitsfläche und Undichtigkeit auch bei sorgfältiger Herstellung
groß ist, so daß in nachteiliger Weise diese bekannte Kolbenkonstruktion zum sogenannten
mit Poltergeräuschen verbundenen Nachschließen und Flattern der Ventilplatten neigt
und ein ungünstiger Einfluß auf einen gleichbleibenden und von der Temperatur möglichst
unabhängigen Dämpfungskraftverlauf besteht.
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Der Kolben nach der Erfindung löst die Aufgabe, die aufgezeigten Nachteile
der bekannten Kolbenkonstruktionen zu beseitigen und ist durch die gleichzeitige
Anwendung der folgenden Merkmale gekennzeichnet: a) die Ventilplatte ist verformungssteif
und gegen die Schließkraft einer sich an Teilen des Kolbens abstützenden Ventilfeder
abhebbar, b) die Mündungen der Durchtrittskanäle sind einzeln mit schmalen Dichtsitzen
versehen, c) für jede Strömungsrichtung sind drei Durchtrittskanäle vorgesehen,
d) die Durchtrittskanäle einer oder beider Gruppen weisen einen engsten Querschnitt
auf, der kleiner ist als der Mündungsquerschnitt, wobei der engste Querschnitt bei
hohen Kolbengeschwindigkeiten einen erheblichen Anteil des gesamten Widerstandes
des Kolbens hervorruft.
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Durch die verformungssteife Ausbildung der Ventilplatten ist in vorteilhafter
Weise eine Bruchgefahr infolge Aufbiegens ausgeschlossen. Die Mündungen enden in
nur einem ringförmigen Dichtsitz von kleiner Umfangslänge, deren resultierende Ünebenheitsfläche
klein ist, so daß in vorteilhafter Weise die Gefahr von Flattererscheinungen der
Ventilpaltten wesentlich gemindert ist. Die Dichtsitze sind schmal, weil breite
Dichtsitze gleichbedeutend sind mit einer größeren-Wahrscheinlichkeit dafür, daß
die Ventilplatte sich nicht an der Mündungsaustrittskante abstützt, was in bekannter
Weise zum Nachschließen und Flattern der Ventilscheibe führen würde.
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Durch die Anordnung von drei Durchtrittskanälen wird eine statisch
bestimmte Dreipunktauflage der Ventilplatte auf drei Dichtsitzen erreicht, was wiederum
in der gleichen Richtung Vorteile durch ein beruhigtes Arbeiten der Ventilplatte
bringt.
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Durch die vorgesehenen engsten Querschnitte in den Durchtrittskanälen
werden in an sich bekannter Weise die Variationsmöglichkeiten hinsichtlich des Dämpfungskraftverlaufes
erhöht.
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Als Ventilfedern kommen bekannte Federtypen, wie Wellen-, Stern-,
Teller- oder Schraubenfedern in Betracht. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
ist es zweckmäßig, eine Wellen-oder Sternfeder mit Dreipunktauflage vorzugsweise
im Bereich der Dichtsitze vorzusehen, um so ein gleichmäßiges Aufliegen und flatterloses
Arbeiten der Ventilplatte zu erreichen. Der engste Querschnitt der Durchtrittskanäle
kann erfingungsgemäß als Drosselöffnung in einer enfach auswechselbaren sternförmigen
Zwischenplatte ausgebildet werden.
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Die vor dem Abnehmen der Ventilscheiben in bekannter Weise wirksamen
konstanten Durchlässe können durch Ausnehmungen in den Dichtsitzen, in den Ventilscheiben
oder der Zwischenplatte oder in anderer bekannter Weise durch mit Ausnehmungen versehene
dünne Unterlagscheiben zwischen Ventilplatte und Kolben oder zwischen Kolben und
Zwischenplatte gebildet sein. Die durch die konstanten Durchlässe schießenden scharfen
Strahlen werden zweckmäßig zunächst gegen ein hochgezogenes Kolbenhemd gelenkt bevor
sie in das frei Öl strömen, um diese Strahlen zu beruhigen und Zischgeräusche zu
verhindern.
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Zur Beruhigung der konstanten Durchlaßströmung @@n es weiterhin dienen,
wenn ein Radialspalt zwischen Kolben und Kolbenstange als ausschließlicher oder
zusätzlicher Kanal für den konstanten Durchlaß dient. Der Radialspalt kann durch
ein Temperaturkompensationsglied veränderlich gestaltet werden.
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Bei besonders geräuschempfindl ichen Fahrzeugaufhängungen kann es
Vorteile bringen, wenn die Ventilplatte nicht parallel abgehoben wird sondern einseitig
aufklappt, indem erfindungsgemäß von den drei Durchtrittskanäle nur einer oder zwei
frei und die anderen blind sind. Hierdurch entstehen vorteilhafter Weise sichelförmige
Offnungsquerschnitte, ähnlich den oben geschilderten sichelförmigen Öffnungsquerschnitten
des bekannten Kolbens nach der in Betracht gezogenen deutschen Auslegeschrift 1.142
471.
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Aus der US-Patentschrift 2.636 726 ist ein Schwingungsdämpfer bekannt,
der einen Kolben mit Durchtrittskanälen aufweist, deren Mündungen mit Dichtsitzen
versehen sind.
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Eine verformungssteife Ventilplatte ist nicht gegen die Schließkraft
einer sich am Kolben abstützenden Ventilfeder abhebbar, sondern ist in begrenztem
Umfang axial frei beweglich angeordnet und wird nur in einem bestimmten Hubbereich
durch besondere Federungselemente gegen die Dichtsitze gedrückt. Eine Beschränkung
auf drei Durchflußkanäle für jede Strömungsrichtung ist in der Schrift nicht angegeben,
auch sind keine engsten Querschnitte in den Durchflußkanälen vorgesehen. Der Kolben
dieses bekannten Schwingungsdämpfers konnte daher nicht Lehre für die Erfindung
sein.
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Die Erfindung wird an Hand der auf der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Kolben im Schnitt, bei dem die Ventilfedern
als Wellfedern ausgebildet sind, Fig. 2 die Ansicht der oberen Stirnfläche des Kolbens
nach Fig. 1, Fig. 3 einen Kolben im Schnitt, bei dem die Ventilfedern als Schraubenfedern
ausgebildet sind und eine Zwischenplatte den engsten Querschnitt bildet, und Fig.
4 die Ansicht der oberen Stirnfläche des Kolbens nach Fig. 3.
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Ein Kolben 1 nach Fig. 1 und Fig. 2 ist in einem ausschnittweise gezeichneten,
ölgefüllten Zylinder 2 geführt und trennt einen oberen Arbeitsraum 30 von einem
unteren Arbeitsraum 31, wobei er durch einen Kolbenring 3 gedichtet ist. Der Kolben
1 ist an einer Kolbenstange 4 mittels eines Schraubringes 5 befestigt, wobei ein
oberer Winkelring 6, der Kolben 1 und ein unterer Winkelring 7 auf einem Schaft
8 der Kolbenstange 4 aufgefädelt und durch den Schraubring 5 gegen eine Schulter
9 der Kolbenstange 4 gespannt sind.
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Der Kolben 1 und der Zylinder 2 bilden in nicht gezeichneter Weise
Teile von bekannten Schwingungsdämpfern, wobei die Kolbenstange 4 mit einem Fahrzeugaufbau
und der Zylinder 2 mit einem Fahrzeugrad verbunden zu denken sind. Bei Hin- und
Herbewegungen der Kolbenstange 4 relativ zum Zylinder 2 werden in doppelwirkender
Weise Dämpfungskräfte erzeugt, indem das verdrängte Öl unter Druckverlust durch
den Kolben 1 hindurch von dem oberen Arbeitsraum 30 in den unteren Arbeitsraum 31
strömt oder umgekehrt, wie noch gezeigt wird.
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Der Kolben 1 weist zwei Gruppen von je drei auf demselben Teilkreis
liegenden Durchtrittskanälen 10, 10' und 10" bzw. 11, 11' und 11" auf, die den Kolben
1 axial durchdringen und um o Winkelgrad versetzt angeordnet sind. Die Durchtrittskanäle
11, 11' und 11" gehen von einer unteren Stirnfläche 12 aus und münden an einer oberen
Stirnfläche 13, jeder in einer von drei warzenförmigen Erhebungen 14, die in schmalen
Dichtsitzen 15, 15' und 15" enden.
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Der Kolben 1 ist an jeder Seite mit einem Kolbenhd 32 bzw. 33 versehen,
das gegenüber der Stirnfläche 12 bzw. 13 vorsteht.
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Eine verformungssteife Ventilplatte 16 liegt auf den eine Ebene bildenden
Dichtsitzen 15, 15' und 15" auf und deckt so die von den Dichtsitzen umschlossenen
Mündungen der Durchtrittskanäle 11, 11' und 11" ab, wobei die Ventilplatte16 gegen
die Schließkraft einer sich an dem Winkelring 6 abstützenden Wellfeder 17 mit Dreipunktauflage
abhebbar ist. In ähnlicher Weise gehen die Durchtrittskanäle 10, 10' und 10" von
der oberen Stirnflãche 13 aus, münden an der unteren Stirnfläche 12, jeder in einer
von drei warzenförmigen, in Dichtsitzen 19 endenden Erhebungen Id, liegt eine Ventilplatte
20 auf den Dichtsitzen 19 auf und deckt so die Mündungen der Durchtrittskanäle 10,
10' und 10" ab, wobei die Ventilplatte 20 gegen die Schließkraft einer sich an dem
Winkelring 7 abstützenden doppelten Wellfeder 21 abhebbar ist.
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Die Durchtrittskanäle 10 und 11 weisen Zwischenwände 24 bzw. 25 mit
engsten Querschnitten 22 bzw. 23 auf. Zwischen der Ventilplatte 20 und der unteren
Stirnfläche 12 ist ein offener Spalt 27 für den Zutritt des Öls zu den Durchtrittskanälen
11, 11' und 11" gebildet, ebenso zwischen der Ventilplatte 16 und der oberen Stirnfläche
13 ein offener Spalt 26 für den Zutritt des Öls zu den Durchtrittskanälen 10, 10'
und 10". Ausnehmungen in den Dichtsitzen 15 und 15" bilden ständig offene konstante
Durchlässe 28 und 29 für beide Strömungsrichtungen. Die durch die konstanten Durchlässe
2d und 29 von unten nach oben-gerichtete Strömung wird gegen das Kolbenhemd 33 gelenkt.
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Die Art und Weise der Durchströmung des Kolben 1 bei den Hin-und Herbewegungen
der Kolbenstange 4 ist von der Höhe der jeweiligen Kolbengeschwindigkeit abhängig.
Dabei bestimmen im wesentlichen die Anzahl und Größe der konstanten Durchlässe 28
und 29, die Größe der von den Dichtsitzen 15 bzw. 19 umschlossenen Mündungsquerschnitte,
die Federkräfte der Wellfedern 17 bzw. 21 sowie die Größe der engsten Querschnitte
22 bzw. 23 den Verlauf der auftretenden Dämpfungskräfte.
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Bei Aufwärtsbewegungen des Kolben 1 mit kleiner Kolbengeschwindigkeit
bleiben die Ventilplatten 16 und 20 auf den Dichtsitzen 15 und 19 liegen und strömt
das Öl ausschließlich durch die konstanten Durchlässe 28 und 29 und die Durchtrittskanäle
11 und 11" vom oberen Arbeitsraum 30 in den unteren Arbeitsraum 31. Bei Aufwärtsbewegungen
mit mittleren und hohen Kolbengeschwindigkeiten wird die Ventilplatte 20 mehr oder
weniger abgehoben und strömt das Öl zusätzlich durch die Durchtrittskanäle 10, die
engsten Querschnitte 22 und den zwischen den Dichtsitzen 19 und der Ventilplatte
20 offenen Ventilspalt. Bei mittleren Kolbengeschwindigkeiten entsteht in den engsten
Querschnitten 22 noch kein wesentlicher Druckverlust, während bei hohen Kolbengeschwindigkeiten
die engsten Querschnitte 22 einen erheblichen Teil des gesamten Widerstandes hervorrufen.
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Bei Abwärtsbewegungen des Kolbens 4 mit kleinen Kolbengeschwindigkeiten
strömt das Öl bei aufliegenden Ventilplatten 16 und 20 ausschließlich durch die
Durchtrittskanäle 11, 11 und die konstanten Durchlässe 28 und 29 vom unteren Arbeitsraum
31 in den oberen Arbeitsraum 30. Bei Abwärtsbewegungen mit mittleren und hohen Kolbengeschwindigkeiten
wird die Ventilplatte 16 mehr oder weniger
abgehoben und strömt
01 zusätzlich durch die engsten Querschnitte 23, die Durchtrittkanäle 11 und den
zwischen Dichtsitzen 15 und der Ventilplatte 16 gebildeten Ventilspalt.
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Während die Anordnung und Größe der Durchtrittskanäle 10 und 11 im
allgemeinen für einen bestimmten serienmäßigen, beispielsweise aus Sintereisen geformten
Kolben 1 aus Herstellungsgründen unveränderlich gestaltet werden, lassen sich ohne
besonderen Aufwand die konstanten Durchlässe 28 und 29, die Wellfedern 17 und 21
sowie die engsten Querschnitte variabel gestalten und an die Erfordernisse eines
vorgegebenen Fahrzeuges anpassen, wobei die engsten Querschnitte 22 und 23 so bemessen
werden, daß sie in an sich bekannter Weise bei hohen Kolbengeschwindigkeiten einen
erheblichen Teil des gesamten Strömungswiderstandes hervorrufen.
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Bei einem Kolben 1 nach Fig. 3 und Fig. 4, dessen Beschreibung im
wesentlichen auf die von dem Kolben nach Fig. 1 und Fig. 2 abweichenden Teile beschränkt
wird, sind ein oberer Winkelring 6 eine obere gehärtete Beilagscheibe 40, eine Zwischenplatte
41, eine dünne Unterlagscheibe 42, der Kolben 1 und eine untere gehärtete Beilagscheibe
43 auf einen Schaft 8 einer Kolbenstange 4 aufgefädelt und durch einen Schraubring
5 mittels eines Gewindes 46 des Schaftes 8 gegen eine Schulter 9 der Kolbenstange
4 gespannt. Zwei Gruppen von Durchtrittskanälen 10, 10' und 10" bzw. 11, 11' und
11@ enden in schmalen Dichtsitzen 19 bzw. 15 und werden von Ventilplatten 20 bzw.
16 abgedeckt. Die Ventilplatte 16 ist gegen die Schließkraft einer sich an dem Winkelring
6 abstützenden konischen Schraubenfeder 44 abhebbar. Die Ventilplatte 20 ist gegen
die Schließkraft einer sich an einem Winkelring 7 abstützenden zylindrischen Schraubenfeder
45 abhebbar.
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Der Winkelring 7 ist mit Innengewinde versehen und auf das Gewinde
46 des Schaftes 8 mehr oder weniger weit aufgeschraubt, um die Vorspannkraft der
Schraubenfeder 45 einstellen zu können, wie es der gewollte Dämpfungskraftverlauf
erfordert. Die Durchtrittskanäle 11 weisen engste Querschnitte 23 in einer Zwischenwand
25 auf.
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Die Zwischenplatte 41 ist auf der den Mündungen 47 der Durchtrittskanäle
10 abgewandten oberen Stirnfläche 13 angeordnet und mit Drosselöffnungen 48 versehen,
die dem Strömungseintritt in die Durchtrittskanäle 10 vorgeschaltet sind.
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Die Zwischenplatte 41 und die dünne Unterlagscheibe 42 sind sternförmig
ausgebildet und in einer sternförmigen Vertiefung 49 der oberen Stirnfläche 13 gelagert.
Die Dichtsitze 15 der Durchtrittskanäle 11 stehen axial gegenüber der Zwischenplatte
41 vor.
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Der Kolben 1, die Zwischenplatte 41 und die Unterlagscheibe 42 weisen
gegenüber dem Schaft 8 der Kolbenstange 4 einen Radialspalt 50 auf, der über Radialnuten
51 im Bereich der Vertiefung 49 offene Verbindung zu Ausnehmungen 52 der Unterlagscheibe
42 und über Radialnuten 53 offene Verbindung mit der unteren Stirnfläche 12 im Winkel
bereich der Durchtrittskanäle 11 hat. Der Radialspalt 50 dient als Beruhigungskanal
für die Ölstrahlen, die durch den durch die Ausnehmungen 52 definierten konstanten
Durchlass strömen.
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Die Arbeitsweise des Kolbens nach Fig. 3 und Fig. 4 ist analog der
beschriebenen des Kolbens nach Fig. 1 und Fig. 2. Zu erwähnen ist noch ein Temperaturkompensationsglied
in Form eines strichpunktiert angedeuteten, in dem Schaft 8 eingebetteten Ringes
55 aus einem Werkstoff, der einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als
der Werkstoff der Kolbenstange 4, so daß der Ring 55 mit zunehmender Erwärmung der
Teile immer mehr aus dem Schaft 8 hervortritt und den Radialspalt 50 verengt.
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Hierdurch kann der Strömungswiderstand des Radialspaltes 50 bei höheren
Temperaturen heraufgesetzt werden, wenn der Radialspalt 50 an sich so eng gewählt
ist, daß er an dem Strömungswiderstand des Kolbens beteiligt ist.
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Ein konstanter Durchlass kann in Abwandlung der Unterlagscheibe 42
nach Fig. 3 durch andere mit Ausnehmungen versehene dünne Unterlagscheibenzwischen
Durchtrittskanäle abdeckenden Kolbenteilen gebildet sein, z.B. zwischen Ventilplatte
16 und Kolben t oder zwischen Winkelring 6 und Zwischenplatte 41 oder zwischen Winkelring
6 und Kolben 1, wobei im letzteren, an Hand der Fig. 1 zu betrachtenden Beispiel
ein Kolben vorausgesetzt ist, der ähnlich wie der Kolben nach Fig. 3 einen Radialspalt
50 und eine Vertiefung 53 aufweist. Die Vertiefung 53 kann dabei in Fortfall kommen,
wenn zwischen Winkelring 7 und Kolben 1 ebenfalls eine mit Ausnehmungen versehene
Unterlagscheibe vorgesehen ist oder der Winkelring 7 entsprechende Ausnehmungen
aufweist.