DE2707530A1 - Fluidbetaetigte kupplung - Google Patents

Description

PATENTANWALTS BÜRO D-4 DÜSSELDORF · BCHUMANNSTR. 97

PATENTANWÄLTE:
Dipl.-Ing. W. COHAUSZ ■ Dipl.-Ing. W. FLORACK Dipl.-Ing. R. KNAUF Dr.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. A. GERBER Dipl.-Ing. H. B. COHAUSZ

Pörenade Pabriksverken S-631 Θ7 Eskilstuna 18. Februar 1977 Fluidbetätigte_Kupplung

Sie Erfindung betrifft eine fluidbetätigte Kupplung ium lösbaren Kuppeln mindestens zweier Elemente, vorzugsweise zur übertragung eines Drehmoments zwischen ihnen, bestehend aus einer äußeren Hülse, einer inneren Hülse, die konzentrisch in der Äußeren Hülse sitzt und damit mindestens an einem Ende verbunden ist und einen Hohlraum zwischen der äußeren Hülse und der Inneren Hülse bildet, und Mitteln zum Einleiten eines Druokfluids in den Hohlraum, wobei die radiale Abmessung der Hülsenwände durch Änderung des Drucks deB₊ Druckfluidβ in dem Hohlraum veränderlich ist.

Fluidbetatigte Kupplungen der vorstehend genannten Art sind bekannt, bei denen der Hohlraum, der das Druckfluid enthält, ein relativ großes Volumen hat. Solche Kupplungen werden häufig sum lösbaren Festspannen eines Bads oder dergleichen auf einer Welle benutzt, und für allgemeine Zwecke erbringen die bekannten Kupplungen gute Ergebnisse.

Diese bekannten Kupplungen sind jedoch in verschiedener Hinsieht nachteilig, wenn sie in einem Bereich benutzt werden, der großen Temperaturänderungen unterliegt. Das Druckfluid, das allgemein ein öl oder ein Fettprodukt ist, hat allgemein einen Ausdehungskeefffizienten, der viel größer als der Ausdehnungskoeffizient der inneren und der äußeren Hülse ist, die normalerweise aus Stahl ausgeführt sind. Allgemein ist der Ausdehnungskoeffizient für das Druckfluid um ein Zehnfaches höher als der von Stahl.

Wa/Ti - 2 -

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Venn eine Kupplung der vorstehend genannten Art hohen Temperaturen ausgesetzt wird, dehnt eich das Druckfluid stärker als die Stahlhülsen aus, und in Falle von großen Temperaturunterschieden kann das zu einer Verformung der Kupplung führen und sogar ein Platzen der Kupplung hervorrufen. Bs ist ferner schwierig, eine gute Abdichtung bei den sehr hohen Drücken su erreichen, die entstehen, wenn die Temperatur stärk erhöht wird.

Wenn umgekehrt die Temperatur abfällt, sieht sich das Druckfluid stärker zusammen als die Stahlhülsen, und die Drehmomentenübertragungsfähigkeit wird entsprechend verringert, und es kann sogar passieren, daß eineβ oder beide der Elemente von der Kupplung bei extrem niedrigen Temperaturen getrennt werden.

Hohe Temperaturen bedeuten in diesem Zusammenhang solohe bis zu 100 bis 125°C des Druckmediums, und tiefe Temperaturen bedeuten hier Temperaturen von -30 C oder weniger.

Es sind Versuche unternommen worden, die vorstehenden laohteile dadurch su beseitigen, daß als Druckfluid ein Druckmedium benutzt wird, das einen niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten als die vorstehend genannte Flüssigkeit oder das Fett hat, es gibt aber keine Kupplungen, bei denen diese laohteile beseitigt oder wesentlich gemildert worden sind, damit die Kupplung hohen Temperaturunterschieden ausgesetzt werden kann und trotzdem brauchbar bleibt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine fluidbetätigte Kupplung zum lösbaren Kuppeln mindestens zweier Elemente miteinander zu sohaffen, die benutzt werden kann, selbst wenn sie großen Temperaturunterschieden ausgesetzt wird, ohne verformt zu werden, und zwar wegen extremer Ausedehnungen oder Zusammenziehungen des Druckfluids, die sioh im Falle des Abfallens der Temperatur nicht löst und bei der keine schwerwiegenden Abdichtungsprobleme auftreten, die von hohen Temperaturanstiegen herrühren, wenn die Kupplung großen Temperaturerhöhungen ausgesetzt wird.

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Ein Temperaturanstieg ΔΤ bewirkt einen Druckanstieg ΔΡ innerhalb des Hohlraums der Kupplung auf Grund der Tatsache, daß der Ausdehnungskoffizient der Flüssigkeit y größer als der der inneren Hülse und der äußeren Hülse ist. Mathematisch kann der Druckanstieg wie folgt ausgedrückt werden.

ΔΡ - * ' ^ΔΤ (1)

B + " -^d * ^L

Darin ist ΔΡ die Druckänderung, AT ist die Temperaturänderung, B ist eine EompressibJLitätekonstante für das Druckfluid, d ist der mittlere Durchmesser de*a Hohlraums der Kupplung, L ist die Länge des Hohlraums, E ist der Elastizitätsmodul des Stahls der Welle und der Nabe, die durch die Kupplung verbunden werden sollen, c ist die Beziehung zwischen dem inneren und dem äußeren Durchmesser der Nabe, die zu verbinden ist, und T ist das Druokfluidvolumen im Hohlraum der Kupplung.

Aus der vorstehenden Formel geht hervor, daß ein Temperaturanstieg einen Druckanstieg bewirkt und daß eine Volumenänderung den Effekt soloher Temperaturanstiege verringern kann. Um den Effekt verschiedener Volumina des Kupplungshohlraums bei Temperaturanstiegen zu untersuchen, sind Testa durchgeführt worden, deren Ergebnisse in Fig. 1 und 2 dargestellt sind. In Fig. 1 ist ein Diagramm gezeigt, bei dem der Druckanstieg AP (waagrechte Achse) bei zwei verschiedenen Temperaturanstiegen von 50⁰C und 100⁰C jeweils gemgen eine vertikale Aohse gezogen aind, die die Breite t des Hohlraums swiaohen der inneren Hülse und der «fieren Hülse zeigt. Der Druckanstieg ΔΡ iat in bar (1 bar -0,1 MPa) ausgedrückt, die Breite t des Hohlraums in Millimeter. Alle Tests sind mit einer Kupplung durchgeführt worden, die einen mittleren Durchmesser d am Hehlraum von 50 Millimeter hatte, der Ausdehnungskoeffizient des Druckfluids, das in diesem Fall ein Fettprodukt war, betrug 7 χ 10 , die Kompressibilitätskonstante des Druokfluida betrug 8 ζ 1θ"⁵ 1/bar, der Elastizitätsmodul des Stahls der Welle und der Nabe, die zu verbinden waren, betrug

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21 χ 10 kg/cm , and die Beziehung «wischen dem inneren und dem äußeren Durchmesser der zu verbindenden Habe betrug 0,5·

Aus dem Diagramm geht hervor, daß relativ kleine Änderungen für bei größer werdenden Hohlräumen von t - 0,5 bis »u einer größeren Hohlraumbreite auftreten, während relativ große unterschiede bei kleiner werdenden Hohlräumen von t - 0,5 auf eine Breite von weniger als 0,5 mm vorhanden sind. Es ist deshalb ersichtlioh, daß dann, wenn das Volumen des Druokfluids im Hohlraum der Kupplung auf einen Wert verringert wird, der weniger als t - 0,5 für die in Fig. 1 dargestellte Kupplung entspricht, es möglich ist, den Druckanstieg bei Temperaturanstiegen wesentlich zu verringern. Um das Volumen zu definieren, muß die Breite t des Hohlraums unter Berücksichtigung des mittleren Durchmessers dess

Hohlraums berechnet werden, und bei der Betrachtung der Beziehung kann

_2

festgestellt werden, daß der Wert von ttd weniger als etwa 2 χ 10 betragen «soll.

Es ist während der Versuche festgestellt worden, daß der Wert ttd keine iden ti sehen Ergebnisse für versehMen große Kupplungen ergibt, und es ist festgestellt worden, daß der Wert bei größer werdenden Durohmessern etwas abnimmt, was auf die Tatsaohe zurückzuführen sein dürfte, daß die Toleranzen von Kupplungen großen Durohmessers relativ kleiner als die von kleinen Kupplungen gemacht werden können, allgemin muß aber die folgende Beziehung erfüllt sein, um den Druokanstieg bei steigenden Temperaturen zu verringern.

I * ²-¹0"² (2)

Im Idealfall beträgt die Beziehung ttd 0, aber aus bekannten Gründen ist das nioht möglich, und unter Serüoksiohtigung der betreffenden Charakterlstika hat es sieh als brauchbar erwiesen, daß die Beziehung gleich

_2
oder weniger als 2 χ 10 ist.

In Fig. 2 ist ein entsprechendes Diagramm dargestellt, das das Drehmomentenverhältnis M./ta- » Sutschpunkt zwischen einer Sabe und einer V He

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zeigt, die durch die erfindungsgemäße Kupplung verbunden sind, und zwar bei verschiedenen Breiten t des Hohlraums der Kupplung und bei verschiedenen Ausgangsdriioken. Ib Diagramm bezieht sich M auf das Butsohdrehmoment allgemein, M- ist ein solohes Drehmoment im ursprünglichen Zustand, und M₁ ist das Drehmoment bei erhöhter Temperatur. In allen Versuchen betrug der Temperaturanstieg ^T +10O⁰C, und es sind drei verschiedene Werte eingezeichnet, die einem ursprünglichen Druck von 900 bar, 600 bar bzw. 300 bar entsprechen. Die übrigen Werte sind die gleichen, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert worden sind.

Die in Fig. 2 dargestellten Versuche bestätigen das Ergebnis, das in Verbindung mit den in Fig. 1 dargestellten Versuchen ermittelt worden ist, und es kann festgestellt werden, daß relativ kleine Änderungen in der Drehmomentenbeziehung M₁^t- bei einer Breite t des Hohlraums το η mehr als etwa O, 5 mm vorhanden sind, während große Unterschiede von **Mq bei Breiten t des Hohlraums von weniger als etwa 0,5 «π» vorhanden sind.

Die Versuche bestätigen folglich, daß die Bezikehung t/d kleiner als etwa

-2
2 ζ 10 sein soll, damit die Einflüsse von Temperaturanstiegen und die Unterschiede von M. /M auf Grund so loher Temperaturänderungen wesentlich verringert werden.

Für bestimmte Anwendungsf alle kann es sehr wesentlich sein, die Kupplung so temperaturabhängig wie möglich auszuführen, und wie vorste-/-unhend erwähnt, kann das daduroh gesohohen, daß der Hohlraum für das Druokfluid sehr dünn gemaoht wird, um die Breite des Hohlraums unter dem vorstehend erwähnten Wert zu halten. Gleichzeitig kann die Temperaturabhängigkeit der Kupplung weiter verringert werden, indem das Druckmedium mit Partikeln aus einem Material vermisoht wird, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der kleiner als der des Druckfluidβ oder im wesentlichen gleich dem der äußeren und der inneren Hülse der Kupplung ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Fig. 3 und 4 näher erläutert. Fig. 3 ist ein Querschnitt duroh die Kupplung nach der Erfindung, und Fig. 4 i*t ein Teilfuersohnitt durch ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der erfindangsgemäBen Kupplung.

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In Fig. 3 ist eine fluidbetätigte Kupplang 10 gezeigt, die zum Beispiel zur Verbindung einer Nabe 25 mit einer Welle 26 benutzt werden kann. Sie Kupplung weist eine äußere Hülse 11 und eine innere Hülse 12 auf, die konzentrisch in der äußeren Hülse 11 sitzt und mit dieser durch ringförmige Schweißnähte 13 bzw. 14 verbunden ist. Alternativ zum Verschweißen können die konzentrischen Hülsen 11 und 12 auf andere Art verbunden sein, beispielsweise durch Verlöten, Verschmelzung, Verklebung, Verschraubung oder Vernietung. Beide Hülsen 11 und 12 werden als radial elastisch angesehen, d.h. werden unter andemrem so angenommen, daß sie relativ dünne Wände haben und aus einem Material gefertigt sind, das im vorliegenden Zusammenhang ausreichend elastisch ist, um ein Biegen der Hülsen in entgeagengeeetzte radiale Eichtungen unter den Druckwirkungen eines pneumatischen oder vorzugsweise hydraulischen Druckmediums zu ermöglichen, das in eine Zone oder einen Spalt 15 eingeleitet wird, die bzw. der zwischen den beiden Hülsen 11 and 12 gebildet ist. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, bewirkt ein Ausbiegen der betreffenden Hülsen einaen reibenden Angriff der äußeren Hülse 11 an der Nabe oder am Bad 25 und der inneren Hülse 12 an der Welle 26, so daß die beiden Elemente durch die Kupplung miteinander gekuppelt werden.

Zur Vereinfachung der Sarstellung ist der Spalt 15 zwischen der inneren Hülse und der äußeren Hülse relativ breit dargestellt, um jedoch in der Lage sein zu können, den Effekt der Sruokänderunge im Druckmedium als Folge von Temperaturänderungen zu verringern, muß die Breite t des Hohlraums für den Spalt 15, bezogen auf den mittleren Durchmesser d, die vorstehende Beziehung erfüllen, nämlioh t/d * 2 χ 10~ .

Wie aus Fig. 3 zu ersehen 1st, ist ein Ende der äußeren Hülse 11 mit einem flansohartigen Bund 16 versehen, in dem sich eine Bohrung 18 befindet, die mit dem Spalt 15 in Verbindung steht. In der Bohrung befindet sioh ein abgedichteter Kolben 27, der radial nach innen mittels einer Schraube 30 eingedrückt werden kann, üa die Gefahr zu beseitigen, daß die äußere Hülse 11 und die innere Hülse 12 auseinandergepreßt werden, sind die Enden des Spalts 15a und 15b als Kehlen ausgebildet, und

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in den Kehlen 15a und 16b sitzen ringförmige Füllelemente 15c, 15d, um das Volumen des Spalts 15 zu verringern. Die Füllelemente 15c und 15d können aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, das vorzugsweise den gleichen Auedehungskoeffizienten wie die Hülsen 11 und 12 hat.

In fig. 4 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Kupplung nach Fig. 3 gezeigt, die ebenfalls eine äußere Hülse 11 und eine innere Hülse 12 hat, die konzentrisch in der äußeren Hülse 11 angeordnet ist und zwischen sich und der äußeren Hülse einen Hohlraum oder Spalt 15 bildet. An einem Snde sind die beiden Hülsen durch eine Schweißnaht 14 miteinander verbunden, und am gegenüberliegenden Ende öffnet der Spalt 15 in einen axialen Winkelhohlraum 18', der durch einen Dichtungskolben 27* abgedichtet ist. Kin Ring wie der Druckring 27" ist axial außerhalb des Kolbenrings 27* vorgesehen, und dieser Druckring 27" kann gegen den Kolbenring 27 und in dien Hohlraum 18* durch mehrere Schrauben 30* gedrückt werden, die um die Kupplung herum angeordnet sind und mit dem Bund 16 der äußeren Hülse 11 zusammenwirken.

Sie Mittel zur Druokbeaufschlagung des Druckfluids im Spalt 15 können in irgendeiner geeigneten Form vorgesehen sein, und es kann sich dabei um getrennte Fremdmittel zum Einleiten unter Druck gesetzten Fluids in den Spalt handeln, und in einem solchen Aueführungsbeispiel der Erfindung wird der Dichtungekolben 27- oder 27' durch ein Einwegeventil ersetzt, das das Einleiten von unter Druck gesetztem Fluid gestattet, jedoch ein Abfließen eines solchen Druckfluids verhindert.

Um die Menge an Druckfluid im Spalt 15 zu verringern, kann das Druckfluid kleine Partikel aus einem Material enthalten, das einen Ausdehnungskoeffizienten hat, der der gleiche oder fast der gleiche wie der der inneren Hülse und der äußeren Hülse ist. Indem das Druckfluid mit bo lc hen Partikeln vermischt wird, wird die Menge an Druckfluid entsprechend verringert.

Der Spalt 15, der zwischen den Hülsen 11 und 12 gebildet ist, kann jede geeignete Form haben, z.B. die in Fig. 4 gezeigte, bei der die re-

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duzierten Abschnitte, z.B. die Abschnitte 11* der äußeren Hülse 11 und 12* der inneren Hülse 12, eine etwas stärkere Ausbiegung als die breiteren Teile 11", 12" ergeben.

Um die Menge an Druckfluid im Spalt 15 zu verringern, kann die äußere Hülse oder die innere Hülse mit radialen Verlängerungen versehen sein, die normalerweise an der inneren Hülse bzw. an der äußeren Hülse angreifen, die jedoch bei Einleitung von Druckfluid in den Spalt, wodurch die Hülsen 11 und 12 etwas auseinander bewegt werden, einen Fließweg für das Druckfluid bilden. Alternativ können getrennte Ringe oder entsprechende Elemente im Spalt vorgesehen sein, die die erforderliche Menge an Druckfluid verringern.

Normalerweise ist die Kupplung mit einem so dünnen Hohlraum ausgeführt, daß die äußere Hülse und die innere Hülse bei Umgebungstemperatur und vor der Druckbeaufschlagung devs Hohlraums einander berühren, und der Durchmesser der Druckmediumbohrung 16, 18' und der Hub des Kolbens 27, 27' sind so maßlich festgelegt, daß so weit wie möglich alles Druckmedium bei fertiger Verbindung der Kupplung aus der Mediumbohrung 18, 1J3¹ und in den Hohlraum 15 gedrückt ist. Ferner sind der Durchmesser und der Zub des Druckkolbens 27, 27' jeweils so festgelegt, daß es möglich ist, schnell die vorgesehene Verbindungskraft unter Aufwendung einer relativ mäßigen Kraft beim Anziehen der Schraube oder der Schruaben 30 zu erzeugen.

Eine Reibungskupplung der in den Zeichnungen genannten Art ist bei Waxmvalζwerken zur Lagerung von Valzenhülsen auf Walzenachsen geprüft worden» bei denen die Kupplung sehr hohen Temperaturen ausgesetzt worden war und bei denen das Druckfluid, trotz der Kühlung der "alζen des Walzwerks» eine Temperatur bis zu 150⁰C hatte. Keine Änderung in der Beziehung M₁ZK₀ wurde zwischen der Walzenachse und der Walzenhülse festgestellt, und keine Verformung der Kupplung wurde festgestellt. Die Kupplung gemäß der Erfindung ist also in vielen Anwendungsfällen brauchbar, bei denen bekannte Kupplungen der in Frage stehenden Art wegen des großen Volumens von Druckmedium im Spalt oder Hohlraum naoh-

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teilig sind. Sie erfindungsgemäße Kupplung kann sowohl in Anwendungsfällen, bei denen die Kupplung sehr hohen Temperaturen ausgesetzt ist» als auch in Anwendungsfällen benutzt werden, bei denen die Kupplung sehr niedrigen Temperaturen ausgesetzt istf einfaoh durch Anpassung des Drucks des Druokfluids auf die Umstände, kann die Kupplung für die verschiedenen Zwecke eingerichtet werden.

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Claims (9)

1. (1. Fluidbetätigte Kupplung zum lösbaren Kuppeln mindestens zweier Elemente, vorzugsweise zur Übertragung eines Drehmomente zwischen ihnen, bestehens aus einer äußeren Hülse, einer inneren Hülse, die konzentrisch in der äußeren Hülse sitzt und damit maindestens an einem Ende verbunden ist und einen Hohlraum zwischen der äußeren Hülse und der inneren Hülse bildet, der mindestem an dem einen Bade der Hülsen geschlossen ist,/Mitteln zum Einleiten eines Druckfluids in den Hohlraum /und

   sowie Mitteln zum Verhindern eines Austritts dieses Druckfluids, wobei die radiale Abmessung der Hülse durch Änderung des Drucks auf das Druckfluid in dem Hohlraum veränderlich ist, daduroh gekennzeichnet, daß das Volumen des Hohlraums (15) im nicht unter Druck gesetzten Zustand ein Volumen nicht überschreitet, das einer Beziehung zwischen der Breite (t) des Hohlraums (15) und dem mittleren

   -2 —2

   Durohmeβser(d) des Hohlraums von 2 ζ 10 entspricht (t/d * 2 χ 10 ).
2. 2. Fluidbetätigte Kupplung nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß das Ende oder die Enden (I5»t 15b) des Hohlraums (15) kehlförmig ausgeführt ie*, bzw. sind, derart, daß die Gefahr eines Auseinanderdrückens der äußeren Hülse (11) und der inneren Hülse (12) beseitigt wird.
3. 3. Fluidbetätigte Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlraumkehlen (15a, 15b) teilweise mit einem Element (15c, 15d) mit im wesentlichen dem gleichen Ausdehungskoeffizienten wie die innere Hülse (12) und die äußere Hülse (11) gefüllt sind.
4. 4. Fluidbetätigte Kupplung nach Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß die Hohlraumkehlen (15a, 15b) teilweise mit einem getrennten Element (15c, 154) gefüllt sind, das deren Größe auf eine Größe verringert, die der Breite des Hohlraums (15) im Maximum entspricht.
5. 5· Fluidbetätigte Kupplung nach Anspruoh 1, dadurch gekenn-

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   zeichnet, daß die Mittel zum einleiten von Druckfluid in den Hohlraum (15) eine Bohrung (18), die mit dem Hohlraum (15) und mit der Außenseite in Verbindung steht, einen abgedichteten Kolben (27) in der Bohrung (16) und eine Schraubenanordnung (50) zum Drücken des abgedichteten Kolbens (27) in die Bohrung (18) aufweisen.
6. 6. Fluidbetätigte Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Einleiten von Druckfluid in den Hohlraum (15) eine axiale Nut (18·), einen abgedichteten Ringkolben (27') in der Nut (18·) und einen Druckring (27") aufweisen, der an dem Ringkolben (27') angreift und diesen durch mehrere Schraubenanordnungen (30) in die Nut (18») drückt, die den Druckring (27") mit der äußeren Hülse (11) verbinden.
7. 7. Fluidbetätigte Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Einleiten von unter Druck gesetztem Fluid in den Hohlraum (15) eine fremde Druckquelle und ein Einwegeven til aufweisen, das eine Verbindung zwischen dem Hohraum (15) und der Druckquelle in solcher Weise herstellt, daß das Einleiten von Druckfluid in den Hohlraum (15)/und ein Entweichen von Druckfluid aus diesem verhindert wird.
8. Θ. Fluidbetätigte Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckfluid mit Partikeln mit einem Ausdehnungskoeffizienten vermischt ist, der kleiner als der des Druckfluids oder vorzugsweise der gleiche wie der der äußeren Hülse (11) und der inneren Hülse (12) ist.
9. 9. Fluidbe tätigte Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Hülse (11) und/oder die innere Hülse (12) mit radialen Verlängerungen ausgeführt sind, die die erforderliche Menge an Druckfluid in dem Hohlraum (15) verringern.

   /ermöglicht