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Die
Erfindung betrifft eine Schrägachsenverstelleinheit
bzw. eine Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Das
allgemein bekannte Wirkungsprinzip derartiger Maschinen beruht auf
der Umwandlung eines Ölvolumenstroms
in eine Drehbewegung.
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Aus
dem Stand der Technik sind Axialkolbenmaschinen bekannt, bei welchen
der Zylinderblock gegenüber
der Achse der Abtriebswelle verschwenkt werden kann. Bei diesen
Axialkolbenmaschinen ist die Verstellvorrichtung auf der der Antriebswelle
gegenüberliegenden
Seite des Zylinderblocks angeordnet, und weist einen doppelwirkenden
Servozylinder mit Servoventil auf. Diese Konstruktion hat den Nachteil
einer großen
Baulänge
und eines konstruktionsbedingt geringen maximalen Schwenkwinkel
des Zylinderblocks gegenüber
der Abtriebsachse.
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Aus
DE 198 33 711 A1 eine
Axialkolbenmaschine gemäß obiger
Bauart bekannt, bei der zusätzlich
ein Hebelmechanismus vorgesehen ist, um den maximalen Schwenkwinkel
des Zylinderblocks gegenüber
der Abtriebsachse zu vergrößern. Diese Konstruktion
führt jedoch
zu einer weiteren Vergrößerung der
Baulänge.
Außerdem
kann sich nachteilig auswirken, dass die Hysterese der Steuerungscharakteristik
als Folge eines eventuellen Spiels im Hebelmechanismus gesteigert
ist.
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Ausgehend
von den aus dem Stand der Technik bekannten Nachteilen liegt der
vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schrägachsenverstelleinheit
bzw. eine Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise bereitzustellen,
bei der die oben genannten Nachteile beseitigt bzw. minimiert werden,
insbesondere, bei der eine geringe Baulänge der Maschine erreicht wird
bei gleichzeitig erhöhten
maximalen Schwenkwinkel.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch eine Schrägachsenverstelleinheit
mit den Merkmalen gemäß Patentanspruchs
1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Durch
die Anordnung der Verstellvorrichtung auf der Seite des Schwenkkörpers, auf
der sich die Abtriebswelle befindet, wird eine äußerst kompakte Bauweise erreicht.
Die Elemente zur Steuerung und zur Begrenzung der Verdrehung des
Schwenkkörpers
befinden sich im Innenraum eines Gehäuses, wobei keinerlei zusätzliche
Einbauräume
im Vergleich zum Stand der Technik geschaffen werden müssen. Durch
die Verringerung der Baugröße wird ebenfalls
ein niedrigeres Gewicht der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine ermöglicht.
Die Ausgestaltung des Servoventils bewirkt eine Verringerung der
Hysterese der Steuerung. Und schließlich wird die Übertragung
von Vibrationen und Geräuschen
in die Umgebung minimiert.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Schrägachsenverstelleinheit
gemäß der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des im
Zusammenhang mit den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels. Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt einer Schrägachsenverstelleinheit
gemäß der Erfindung
in der durch die Achse der Abtriebswelle und der Achse des Zylinderblocks
definierten Ebene;
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2 einen
Querschnitt der Schrägachsenverstelleinheit
gemäß der Erfindung
in einer durch die Mittelachse des Zylinderblocks definierten Ebene, senkrecht
zu der Zeichenebene nach 1;
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3 einen
Schnitt entlang A-A gemäß 2;
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4 einen
Querschnitt durch das Servoventil und den zweiten Steuerzylinder;
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5 einen
Querschnitt durch die Anschlagvorrichtung der Verstellvorrichtung;
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6 einen
Schnitt entlang B-B gemäß 2;
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In 1 ist
ein Gehäuse 4 der
Einheit dargestellt, innerhalb dessen ein Schwenkkörper 5 gelagert
ist. Innerhalb dieses Schwenkkörpers 5 befindet sich
wiederum ein Zylinderblock 10, der axial gelagert ist.
Der Zylinderblock 10 steht mit einer Abtriebswelle 1 über ein
Synchronisierungsgelenk 18 in Verbindung. Die Abtriebswelle 1 ist
mit einem ersten Wälzlager 2 und
einem zweiten Wälzlager 3 in
dem Gehäuse 4 gelagert.
Das Gehäuse
besteht aus einem Lagergehäuseteil 6 und
einem Gehäusedeckel 7.
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In
dieser Ansicht ist außerdem
zu erkennen, dass Arbeitskolben 11, die mit der Abtriebswelle 1 in Verbindung
stehen, in einer Zylinderöffnung
des Zylinderblocks 10 verschiebbar gelagert sind.
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Der
Schwenkkörper 5 ist
um einen Schwenkwinkel β zur
Achse der Abtriebswelle 1 geneigt. In dieser Darstellung
beträgt
dieser Winkel β =
45°.
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Wie
in 2 zu erkennen ist, ist der Schwenkkörper 5 in
zwei symmetrische Zylindersegmente 51 und 52 unterteilt.
Diese Zylindersegmente 51 und 52 bilden eine fiktive
zylindrische Ebene 53, die den Raum schneidet, in dem die
Arbeitskolben 11 und der Zylinderblock 10 gelagert
sind.
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Es
ist zu erkennen, dass in den jeweiligen Zylindersegmenten nicht-stationäre Überführungskanäle 56a und 56b angeordnet
sind, deren jeweilige obere Enden in Durchflusskammern 54a' und 54b' münden. Diese
Durchflusskammern 54a' und 54b' überdecken
sich mit Durchflusskammern 54a und 54b in dem
Gehäuse 4,
die wiederum mit stationären Überführungskanälen 44a und 44b in
Verbindung stehen. Über
diese Kanäle 44a und 44b wird
die Arbeitsflüssigkeit
zu- bzw. abgeleitet.
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Im
Bereich dieser Durchflusskammern 54a, 54b, 54a' und 54b' liegt folglich
die Ebene der hydrostatischen Gleitlagerung für den Schwenkkörper 5, die
mit der fiktiven Zylinderebene 53 übereinstimmt.
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3 zeigt
einen Schnitt entlang A-A gemäß 2,
d.h. einen Schnitt durch das linksseitige Zylindersegment 52 und
den entsprechenden Abschnitt des Gehäuses 4. Dieses weist
den stationären Überführungskanal 44b auf,
der dann in die Durchflusskammer 54b mündet. Im Boden des Schwenkkörpers 5 ist
der kreisförmige
Segmentkanal 57b angeordnet. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der nicht-stationäre Überführungskanal 56b,
der den Segmentkanal 57b mit der Durchflusskammer 54b verbindet,
durch zwei parallel verlaufende Kanäle ausgestaltet.
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Das
Zylindersegment 52 ist in der konkaven Aushöhlung 42,
die sich im Gehäusedeckel 7 befindet,
hydrostatisch gleitend gelagert, während das gegenüberliegende
Ende über
einen axial verschiebbaren ersten und zweiten Steuerkolben 12 und 13 mit dem
Lagergehäuseteil 6 in
Verbindung steht. Die Steuerkolben 12 und 13 sind
dabei auf der Seite des Lagergehäuseteils 6 in
einem ersten Steuerzylinder 16 bzw. einem zweiten Steuerzylinder 17 axial
verschiebbar geführt
und auf der Seite des Zylindersegments 52 mit diesem mit
Hilfe von Gelenkverbindungen 14 und 15 verbunden.
Dadurch kann sich das Zylindersegment durch entgegengesetzes Verschieben des
ersten gegenüber
dem zweiten Steuerkolben in der konkaven Aushöhlung 42 drehen.
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Wie
aus 3 ersichtlich ist, schließt die Verbindungslinie, welche
durch die Mitten der Gelenkverbindungen 14 und 15 verläuft, mit
einer zur Achse der Welle 1 senkrecht stehenden Ebene einen Winkel γ ein. Durch
die Steuerzylinder 16, 17 wird erreicht, dass
sich der Schwenkkörper 5,
mit welchem das Zylindersegment 52 verbunden ist, verdreht. Prinzipiell
sind die Winkel β und γ konstruktive
Parameter, wobei das konstruktive Optimum bei β = 2γ liegt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
schließt die
Achse des Zylinderblocks 10 damit gegenüber der Achse der Welle 1 einen
Winkel β ein,
der betragsmäßig doppelt
so groß ist
wie der oben beschriebene Winkel γ (β = k γ, mit k =
2). Durch die geringere Verdrehung des Schwenkkörpers 5 mit dem Zylindersegment 52 wird
ein Optimum an Durchflussquerschnitt über den größten Schwenkwinkelbereich für die Zuführung des Öls zu den
Arbeitszylindern erzielt. Dadurch wiederum ergibt sich eine niedrigere
Strömungsgeschwindigkeit
in den Durchflusskanälen,
ein geringerer Strömungswiderstand
und letztlich ein höherer
Wirkungsgrad der Axialkolbenmaschine.
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Ein
Wert von k = 2 ist besonders vorteilhaft. Es ist jedoch im Rahmen
der Erfindung auch möglich, andere
Faktoren zu wählen,
wie z. B. k > 1,0
bis k = 5.
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In 4 ist
ein Teil des Hydraulikkreises zur Steuerung des Winkels γ und damit
auch des Winkels β über die
Steuerkolben 12 und 13 zu sehen. Ein im Lagergehäuseteil 6 angeordnetes
Servoventil 20 steht mit einem Steuerkanal 21 in
Verbindung. Je nach der Größe des Druckes
im Steuerkanal 21 stellt sich das Zylindersegment in die
entsprechende Drehlage ein. Die Rückkoppelung an das Servoventil 20 erfolgt
dabei durch die Rückkoppelungsfeder 22, die
auf der Seite des Zylindersegments 52 über eine erste Federaufnahme 23 mit
dem Zylindersegment 52 gelenkartig verbunden ist.
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Das
Servoventil 20 weist einen Verteiler 24 auf, der
aus einer Hülse 25 und
einem Schieber 26 besteht. Die Hülse 25 ist durch einen
Sicherungsring in einer Bohrung im Lagergehäuseteil 6 fixiert.
Der Schieber 26 ist in der Hülse 25 axial verschiebbar
gelagert. Am steuerkanalseitigen Ende der Hülse 24 befindet sich
ein Stellglied 27, das über
eine Steuerkanalfeder 28 mit dem Schieber 26 verbunden ist.
Je nach Druck im Steuerkanal und je nach Drehlage des Zylindersegmentes 52 werden
auf den Schieber 26 beidseitig über die Rückkoppelungsfeder 22 und
die Steuerkanalfeder 28 Kräfte ausgeübt, so dass der Schieber 26 sich
entsprechend der Gleichgewichtslage axial verschiebt.
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Der
zweite Steuerzylinder 17 ist über ein Doppelrückschlagventil 30 mit
einem Hochdruckzweig der Axialkolbenmaschine permanent verbunden,
so dass der zweite Steuerzylinder 17 über den zweiten Steuerkolben 13 auf
das Zylindersegment 52 eine konstante Kraft ausübt.
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Das
Servoventil 20 ist ebenfalls über das Doppelrückschlagventil 30 mit
einem Hochdruckzweig der Axialkolbenmaschine verbunden. Das Servoventil 20 selbst
ist wiederum mit dem ersten Steuerzylinder 16 verbunden.
Solange das Servoventil die Verbindung zwischen dem Hochdruckzweig
und dem ersten Steuerzylinder 16 freigibt, bewegt sich das
Zylindersegment 52 in 4 in entgegengesetzem Ührzeigersinn.
Denn das von dem ersten Steuerkolben 12 auf das Zylindersegment 52 ausgeübte Moment
ist größer als
das von dem zweiten Steuerkolben 13 erzeugten Gegenmoment.
Dies wird bei einem kreisförmigen
Querschnitt der Steuerzylinder erreicht, indem das Produkt R1 × D12 größer ist
als das Produkt R2 × D22, wobei D1 bzw. D2 die Durchmesser des ersten
bzw. des zweiten Steuerzylinders sind, und R1 bzw. R2 die Abstände der
Gelenkverbindungen 14 bzw. 15 zum Drehmittelpunkt
des Zylindersegments 52 (vgl. 3 und 4).
Das sich aus R2 × D22 multipliziert mit dem Hochdruck ergebende
Moment steht im Gleichgewicht mit dem sich aus R1 × D12 multipliziert mit dem Regeldruck ergebenden
Moment, wobei der Regeldruck kleiner als der Hochdruck ist und über den
Durchflußwiderstand
des Servoventils 20 eingestellt wird.
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Bei
einer solchen Drehung des Schwenkkörpers 5 mit dem Zylindersegment 52 in
entgegengesetztem Uhrzeigersinn fließt das Hydrauliköl von der Leitung 31 in
der Hülse 25 über einen
ringförmigen Raum 32,
der sich zwischen der Hülse 25 und dem Schieber 26 befindet, über die
Leitung 33 zum ersten Steuerzylinder 16. Die dementsprechende
Stellung des Schiebers 26 ist in 4 gezeigt.
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Wenn
die gewünschte
Drehlage des Schwenkkörpers 5 mit
dem Zylindersegment 52 erreicht ist, schließt das Servoventil 20 die
Verbindung des ersten Steuerzylinders 16 zum Hochdruckzweig, da
sich der Schieber 26 so weit zum Zylindersegment 52 hin
verschoben hat, so dass die Steuerkante 34 des Schiebers 26 die
Leitung 33 zum ersten Steuerzylinder verschließt.
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Erhöht sich
der Druck im Steuerkanal 21, so wird der Schieber 26 in
Richtung des Zylindersegments 52 gedrückt, also in 4 nach
links. Durch eine damit resultierende Verschiebung der Steuerkante 34 wird
die Leitung 33 mit dem Kanal 29 verbunden, der
im Bereich der Leitung 33 im Schieber 26 zunächst radial,
dann axial verläuft.
Das im ersten Steuerzylinder 16 befindliche Öl wird damit über die Leitung 33 und
den Kanal 29 ins Gehäuseinnere
entleert.
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Wenn
wiederum die gewünschte
Drehlage des Zylindersegments 52 erreicht ist, schließt das Servoventil 20 die
Verbindung des ersten Steuerzylinders 16 zum Gehäuseinneren,
da sich der Schieber 26 so weit vom Zylindersegment 52 weg
verschoben hat, so dass die Steuerkante 34 des Schiebers 26 die
Leitung 33 zum ersten Steuerzylinder verschließt.
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Bei
großen Änderungen
des Steuerdruckes im Steuerkanal 21 ist die maximale Drehgeschwindigkeit
des Zylindersegmentes 52 erwünschenswert begrenzt, da durch
die geringen Durchflussquerschnitte im Servoventil 20 die
Steuerzylinder die Fließgeschwindigkeit
des Hydrauliköls
reduziert ist.
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In 5 und 3 sind
die Anschlagflächen der
Verstellvorrichtung zu sehen. Die Anschlagfläche 84 ist am Lagergehäuseteil
angeformt und liegt an der Anschlagfläche 81 des Zylindersegments 52 bei einem
Winkel von β =
0 an. Die maximale Verdrehung des Zylindersegments ist durch die
Anschlagfläche 82 des
Zylinder segments und die im Gehäuseteil 6 angeordnete
Einstellschraube 83 begrenzt. Durch diese Ausgestaltung
ist die Übertragung
von Vibrationen und Geräuschen
in die Umgebung erheblich reduziert.
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Die
spezielle Ausgestaltung der Schrägachsenverstelleinheit
gemäß der Erfindung
läßt sich
insbesondere in geschlossenen Hydraulikkreisen sowie bei großen Umfängen der Änderung
des geometrischen Arbeitsvolumens bei einem Schwenkwinkel von bis
zu β = 45° vorteilhaft
beispielsweise bei Schrägachsenverstellmotoren
zum Einsatz bringen. Eine weitere vorteilhafte Verwendung liegt
bei Pumpen, die keine Bewegungsumkehr des Durchflusses erfordern,
wie es beispielsweise bei Pumpen für offene Hydraulikkreise der
Fall ist.
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6 gibt
eine Schnittdarstellung entlang B-B gemäß 2, d.h.
entlang der Zylinderebene 53, wieder. In dieser Ansicht
sind die entsprechenden Öffnungen
der nicht-stationären Überführungskanäle 56a und 56b,
die Öffnungen
der stationären Überführungskanäle 44a und 44b sowie
die Durchflusskammern 54a und 54b zu erkennen.
Diese Durchflusskammern 54a und 54b erstrecken
sich quer zu den Öffnungen
der jeweiligen Überführungskanäle über die
nahezu gesamte Länge
der Zylindersegmente 51 und 52. Zum Zweck eines
möglichst
vorteilhaften Ausgleichs der auf den Schwenkkörper 5 wirkenden Kräfte sind
die Zylindersegmente 51 und 52 mit entsprechenden
Ausgleichskammern 55a und 55b versehen. Die Ausgleichskammern 55a und 55b,
ebenso wie die Durchflusskammern 54a bzw. 54b sind von
entsprechenden Dichtungsfeldern 541a und 541b umgeben.
Die Ausgleichskammer 55a steht hierbei gemäß der Erfindung über einen
Verbindungskanal 58a mit dem kreisförmigen Segmentkanal 57b in
Verbindung, während
die Ausgleichskammer 55b über einen entsprechenden Verbindungskanal 58b mit
dem kreisförmigen
Segmentkanal 57a verbunden ist.
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Diesen
Ausgleichskammern 55a bzw. 55b wird dann das Drucksignal über die
Verbindungskanäle 58a bzw. 58b von
den nicht-stationären Überführungskanälen 56b bzw. 56a der
entgegengesetzten Seite des Schwenkkörpers 5 zugeführt.
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Da
der Durchmesser der Zylindersegmente 51 bzw. 52 bei
der Ausführung
entsprechend der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu den jeweiligen Ausführungen
aus dem Stand der Technik wesentlich kleiner ist, ist auch die Länge derjenigen
Strecke kürzer,
die jeder Punkt der fiktiven zylindrischen Ebene 53 beim
Verstellen des Schwenkkörpers 5 zurücklegen
muß. Dadurch
wird es stets ermöglicht,
eine ausreichende Durchflussbreite der Durchflusskammern 54a und 54b bereitzustellen.
Gleichzeitig wird es hierdurch möglich,
den Schwenkkörper 5 in
dem stationären
Teil des Gehäuses 4 in
der Nähe
der Trennungsebene 45 des Gehäuses 4 zu lagern.
Auf diese Weise lassen sich die Vibrationen des Gehäuses erheblich
vermindern, die wegen der zyklischen Belastung des Schwenkkörpers 5 auftreten.
Wie in 2 zu erkennen ist, liegt die Stirnseite 21 des
Wälzlagers 2 deshalb
in der Trennungsebene 45 des Gehäuses 4.
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- 1
- Abtriebswelle
- 2
- erstes
Wälzlager
- 3
- zweites
Wälzlager
- 4
- Gehäuse
- 5
- Schwenkkörper
- 6
- Boden
des Schwenkkörpers
- 10
- Zylinderblock
- 11
- Arbeitskolben
- 12
- erster
Steuerkolben
- 13
- zweiter
Steuerkolben
- 14
- Gelenkverbindung
- 15
- Gelenkverbindung
- 16
- erster
Steuerzylinder
- 17
- zweiter
Steuerzylinder
- 18
- Synchronisierungsgelenk
- 20
- Servoventil
- 21
- Steuerkanal
- 22
- Rückkoppelungsfeder
- 23
- Federaufnahme
- 24
- Verteiler
- 25
- Hülse
- 26
- Schieber
- 27
- Stellglied
- 28
- Steuerkanalfeder
- 29
- Kanal
- 30
- Doppelrückschlagventil
- 31
- Leitung
- 32
- ringförmiger Raum
- 33
- Leitung
- 34
- Steuerkante
- 41,42
- Aushöhlungen
- 44a,
44b
- stationäre Überführungskanäle
- 45
- Trennebene
des Gehäuses
- 51,
52
- Zylindersegmente
- 53
- fiktive
Zylinderebene
- 54a,
54b
- Durchflusskammern
im Gehäuse
- 54a', 54b'
- Durchflusskammern
im Schwenkkörper
- 55a,
55b
- Ausgleichskammern
- 56a,
56b
- nicht-stationäre Überführungskanäle
- 57a,
57b
- kreisförmige Segmentkanäle
- 58a,
58b
- Verbindungskanäle
- 81
- Anschlagfläche
- 82
- Anschlagfläche
- 83
- Einstellschraube
- 84
- Anschlagfläche
- 541a,
541b
- Dichtungsfelder
- β
- Schwenkwinkel
des Zylindersegments
- γ
- Schwenkwinkel
des Zylinderblocks