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Die Erfindung betrifft einen Kettenspanner für eine Kette eines Steuertriebes einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem eine Kette umfassenden Steuertrieb und einem auf diese Kette einwirkenden erfindungsgemäßen Kettenspanner.
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Aus
DE 43 40 487 A1 ist eine Spannvorrichtung für eine Kette mit einem Gehäuse, einem darin angeordneten Kolben und einem Ölreservoir bekannt. Innerhalb des Gehäuses sind eine Hochdruckkammer und eine Niederdruckkammer gebildet. Zwischen der Niederdruckkammer und dem Ölreservoir ist eine Verbindung vorgesehen, um die Niederdruckkammer mit Öl zu versorgen. Ferner ist zwischen der Niederdruckkammer und der Hochdruckkammer ein verengter Öldurchgang in Form einer Kerbe vorgesehen, die in der Außenfläche eines in den Kolben eingepressten Bolzens ausgebildet ist. Zwischen der Niederdruckkammer und der Hochdruckkammer ist ferner ein zweiter Öldurchgang mit einem Rückschlagventil vorgesehen, der einen Rückfluss von der Hochdruckkammer in die Niederdruckkammer verhindert. Der Übergang zwischen dem Kolben und dem Gehäuse an der Austrittsseite des Kolbens ist nach außen hin mit einer Dichtung abgedichtet.
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Aus
EP 0 989 332 A2 ist ein hydraulischer Kettenspanner mit einem Gehäuse und einer in dem Gehäuse ausgebildeten Öffnung bekannt. In der Öffnung ist ein hohler Kolben angeordnet. Mit Hilfe des Kolbens ist zwischen der Innenwand und dem Kolben eine Hochdruckkammer gebildet. Innerhalb des hohlen Kolbens ist eine Niederdruckkammer ausgebildet. In dem Gehäuse und in dem Kolben ist eine Öffnung ausgebildet, durch die jeweils Öl von einer externen Quelle in die Niederdruckkammer fließen kann. Die Niederdruckkammer ist mit der Hochdruckkammer über ein Absperrventil verbunden, so dass ein Ölfluss nur von der Niederdruckkammer in die Hochdruckkammer möglich ist. Insgesamt ist der Kettenspanner so ausgelegt, dass nach einer erfolgten Ausfahrbewegung des Kolbens einer Einfahrbewegung des Kolbens entgegengewirkt wird.
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Aus
US 2005/0064969 A1 ist ein öldichter Kettenspanner bekannt, welcher ein Gehäuse mit einer Öffnung und einen Kolben aufweist. Zwischen dem Kolben und dem Gehäuse ist eine Dichtung angeordnet, um zu verhindern, dass Öl aus dem Gehäuse austreten kann. Zudem ist ein Ölreservoir vorgesehen, welches in strömungsleitender Verbindung mit einer Hochdruckkammer und einer Niederdruckkammer steht. Öl kann durch einen Ölkanal von dem Ölreservoir in die Hochdruckkammer fließen. In dem Ölkanal ist ein Absperrventil angeordnet, welches verhindert, dass Öl aus der Hochdruckkammer in das Ölreservoir zurückströmt. Das Öl kann ferner durch einen Spalt zwischen der Niederdruckkammer und der Hochdruckkammer strömen. Zusätzlich ist die Niederdruckkammer mit dem Ölreservoir verbunden. Somit ergibt sich ein Ölkreislauf.
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Aus
DE 10 2006 024 426 A1 ist ein Kettenspanner mit einem zweiteiligen Einschraubgehäuse und einem im Einschraubgehäuse verschiebbar angeordneten Spannkolben bekannt, wobei das Einschraubgehäuse einen Flanschkopf und eine daran angeordnete Einschraubhülse umfasst.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kettenspanner zur Verfügung zu stellen, mit dem das Steuertriebverhalten einer Kette eines Steuertriebes einer Brennkraftmaschine weiter verbessert werden kann.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein erfindungsgemäßer Kettenspanner für eine Kette eines Steuertriebes einer Brennkraftmaschine umfasst ein Gehäuse mit einer in dem Gehäuse ausgebildeten Ausfahröffnung. In der Ausfahröffnung ist ein axial verschiebbar gelagerter Kolben derart angeordnet, dass der Kolben zumindest einseitig mit einem Ausfahrende aus der Ausfahröffnung ausfahrbar ist. Bei dem Kolben kann es sich in diesem Zusammenhang auch um ein funktional mit einem Kolben im engeren Sinne verbundenes Element handeln, das separat hergestellt ist.
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In dem Gehäuse ist ferner ein Rückstellelement derart angeordnet, dass das Rückstellelement eine in eine Ausfahrrichtung wirkende Kraft auf den Kolben ausübt. Zwischen einer Innenwand des Gehäuses und dem Kolben ist eine mit einem Fluid, vorzugsweise Öl, befüllbare Hochdruckkammer ausgebildet und in Axialrichtung betrachtet ist in Richtung Ausfahröffnung eine mit Fluid befüllbare Niederdruckkammer zwischen dem Kolben und der Innenwand des Gehäuses ausgebildet. Die Hochdruckkammer und die Niederdruckkammer sind strömungsleitend über zumindest einen Ausgleichspfad verbunden.
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Dabei ist
- a) ein von der Niederdruckkammer aus dem Gehäuse herausführender Primär-Überdruckpfad vorgesehen und
- b) ein zur Hochdruckkammer führender Systempfad vorgesehen, über welchen die Hochdruckkammer mit einer externen Ölversorgung verbunden ist, wobei Mittel vorgesehen sind, um einer Rückströmung von Öl von der Hochdruckkammer in Richtung Ölversorgung entgegenzuwirken.
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Ferner ist ein von der Niederdruckkammer zur Hochdruckkammer führender Sekundär-Überdruckpfad ausgebildet, der druckabhängig für eine Durchströmung in Richtung Hochdruckkammer freigebbar ist. Verschiebt sich der Kolben in Ausfahrrichtung und wird dabei das Volumen der Niederdruckkammer kleiner, so kann der in der Niederdruckkammer entstehende Überdruck genutzt werden, um Fluid durch den Sekundär-Überdruckpfad zurück in die Hochdruckkammer zu fördern. So muss weniger Fluid über die externe Fluidversorgung gefördert werden und nachströmen, um den Druck in der Hochdruckkammer zu erhalten. Das Fluid kann in diesem Fall beim Einfahren und Ausfahren des Kolbens primär zwischen Niederdruckkammer und Hochdruckkammer hin- und hergefördert werden, so dass die insgesamt von der externen Fluidversorgung zu fördernde Menge an Fluid (d.h. der „Fluidverbrauch“) gering gehalten wird. Die erforderliche Förderleistung einer Pumpe oder eines anderen Fördermediums zum Zuführen des Fluides über die externe Fluidversorgung kann so gering gehalten werden. Der Sekundär-Überdruckpfad ist vorzugsweise so ausgelegt, dass beim Einfahren des Kolbens einer Rückströmung von Fluid ausgehend von der Hochdruckkammer in die Niederdruckkammer entgegengewirkt wird. Ein Druckausgleich erfolgt dementsprechend überwiegend oder ausschließlich über den Ausgleichspfad.
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Mit dem erfindungsgemäßen Kettenspanner kann die Kette eines Steuertriebes während des Betriebes der Brennkraftmaschine - trotz betriebsbedingter Kettenschwingungen - mit einer weitestgehend gleich großen Spannkraft beaufschlagt und somit eine für einen ruhigen Betrieb erforderliche Grundkettenspannung erhalten werden. Mit dem erfindungsgemäßen Kettenspanner kann insbesondere Geräusche verursachenden Schwingungen der Kette und damit verbundenen Wechselkräften im Steuertrieb entgegengewirkt werden. Im Folgenden wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Kettenspanners im Detail erläutert.
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Das Rückstellelement und die mit Fluid befüllbare Hochdruckkammer üben eine in Ausfahrrichtung gerichtete Kraft auf den Kolben aus, so dass dieser mit seinem Ausfahrende in Ausfahrrichtung aus der Ausfahröffnung aus dem Gehäuse heraus bewegt wird, wenn die Summe der durch das Fluid erzeugten Kraft und der Kraft des Rückstellelements größer ist als die von der Kette auf den Kolben wirkenden Kraft. Dabei ist es bevorzugt, das Rückstellelement so auszulegen, dass es eine geringere Kraft in Ausfahrrichtung erzeugt als das Fluid.
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Insbesondere ist das Rückstellelement so ausgelegt, dass es maximal die Hälfte der maximalen Gesamtkraft erzeugt, weiter vorzugsweise maximal ein Drittel der maximalen Gesamtkraft erzeugt. Für bestimmte Kraftfahrzeugtypen kann die vom Rückstellelement auf den Kolben ausgeübte Kraft beispielsweise auf etwa 30 N ausgelegt sein, während die von dem Fluid auf den Kolben wirkende Kraft auf etwa 80 N ausgelegt ist.
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Das Ausfahrende des Kolbens ist vorzugsweise so ausgelegt, dass es die Kette mit einer Druckkraft beaufschlagt (im oben genannten Zahlenbeispiel mit einer Druckkraft von etwa 110 N bei einem Maximal-Systemdruck von 5 bar).
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Während des Betriebes eines Steuertriebes einer Brennkraftmaschine kommt es beim Umlaufen der Kette einerseits zu Phasen, in welchen die Kette eine sich von den Gehäuse entfernende Bewegung durchführt, wodurch sich die Kettenspannung reduziert. Solchen Phasen können insbesondere durch Schwingungen der Kette temporär vorliegen. In diesem Fall muss der Kolben ausgefahren werden, um die Kettenspannung zu erhalten. Ein Ausfahren des Kolbens kann zur Erhaltung der Kettenspannung auch erforderlich sein, wenn es mittelfristig oder langfristig zu einer Kettenlängung kommt.
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Ebenso treten Phasen auf, in welchen die Kettenspannung temporär zunimmt, beispielsweise weil die von der Kette in Richtung Kolben wirkende Kraft zunimmt, was insbesondere während und nach Lastwechseln auftritt. In diesem Fall wird der Kolben eingefahren.
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Das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Kettenspanners beim Einfahren und Ausfahren des Kolbens wird im Folgenden erläutert.
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Nimmt die Spannung der Kette ab, wird der Kolben so weit ausgefahren, bis die Sollspannung wieder hergestellt ist (Kräftegleichgewicht). Dazu ist zum einen das Rückstellelement vorgesehen, welches permanent eine Kolbenkraft in Richtung Kette ausübt. Zusätzlich wird durch den Fluiddruck eine Kraft in Ausfahrrichtung auf den Kolben ausgeübt. Aufgrund der Anordnung der Hochdruckkammer zwischen einer Innenwand des Gehäuses und dem Kolben vergrößert sich das für Fluid zur Verfügung stehende Volumen der Hochdruckkammer während des Ausfahrens des Kolbens. Um den Fluiddruck in der Hochdruckkammer dennoch aufrechtzuerhalten, kann über den Systempfad Fluid aus einer externen Fluidversorgung nachströmen. Mit einer externen Fluidversorgung ist insbesondere eine Verbindung mittels einer Leitung zu einem mit einem bestimmten Systemdruck betriebenen Kreislaufsystem gemeint, beispielsweise einem mit einer Ölpumpe betriebenen Ölkreislauf. Vorteilhaft an einer solchen externen Fluidversorgung ist, dass damit unabhängig von der Position des Kolbens und auch unabhängig von anderen Umgebungsparametern des Kettenspanners ein konstanter Druck zur Verfügung gestellt werden kann. Als externe Fluidversorgung ist insbesondere das Ölversorgungssystem eines Zylinderkopfes geeignet. Als Fluiddruck der externen Fluidversorgung sind Werte zwischen 1 bar und 5 bar, Werte zwischen 1 bar und 4 bar sowie Werte zwischen 1 bar und 3 bar besonders bevorzugt. Dabei muss der Fluiddruck nicht konstant sein, sondern kann auch abhängig von der Motordrehzahl und/oder von dem Lastzustand der Brennkraftmaschine zwischen einem Minimaldruck und einem Maximaldruck variabel sein. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine mit der Kurbelwelle funktional gekoppelte Pumpe zur Erzeugung des Fluiddrucks eingesetzt wird. Durch den mit der externen Fluidversorgung permanent bereitgestellten Minimaldruck kann der Kolben jederzeit schnell in Ausfahrrichtung aus dem Gehäuse herausgefahren und an die Position der Kette angepasst werden, um die Kettenspannung aufrechtzuerhalten.
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Tritt der Fall ein, dass die Kettenspannung ansteigt, wirkt von der Kette eine Kraft auf den Kolben, welche größer ist als die mittels Rückstellelement und Fluid erzeugte Kraft in Ausfahrrichtung. Dies bewirkt ein Einfahren des Kolbens, wobei sich während des Einfahrens das Volumen der Hochdruckkammer verkleinert und dementsprechend der Druck in der Hochdruckkammer ansteigt. Da Fluid von der Hochdruckkammer nicht in die externe Fluidversorgung zurückfließen kann, kann sich der erhöhte Druck nicht über den Systempfad abbauen. Der erhöhte Druck kann sich zunächst dadurch abbauen, dass Fluid über den Ausgleichspfad in die Niederdruckkammer strömt. Wenn die Niederdruckkammer ebenfalls mit Fluid gefüllt ist und der Ausgleichspfad nur einen kleinen Strömungsquerschnitt aufweist, erfolgt der Druckausgleich relativ langsam. Überdruck in der Niederdruckkammer kann über den Primär-Überdruckpfad abgebaut werden, indem Fluid - insbesondere durch die Ausfahröffnung selbst - aus dem Gehäuse herausgefördert wird. Aus dem Gehäuse austretendes Fluid wird - insbesondere in einer Ölwanne - gesammelt und der externen Fluidversorgung so wieder zugeführt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Kettenspanner können einerseits schnelle Ausfahrbewegungen des Kolbens und langsame Einfahrbewegungen des Kolbens realisiert werden. Durch die Verbindung mit der externen Fluidversorgung kann sichergestellt werden, dass stets ausreichend Fluid mit einem ausreichend hohen und gleichmäßigen Druck bereitgestellt wird. Durch den Ausgleichspfad und den Primär-Überdruckpfad wird bewirkt, dass sich der Überdruck nur langsam abbaut und damit die Einfahrbewegung des Kolbens mit der Kette gedämpft erfolgt. Durch die Erhaltung einer gleichmäßigen Kettenspannung kann die Reibung der Kette, insbesondere auch mit anderen Bauteilen im Steuertrieb, gering gehalten werden.
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In einer konstruktiv einfachen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kettenspanners ist der Ausgleichspfad und/oder der Primär-Überdruckpfad durch einen Leckspalt zwischen dem Kolben und einem sich radial außenseitig des Kolbens anschließenden Element gebildet. Bei dem Element kann es sich insbesondere um die Innenwand des Gehäuses oder eine in die Ausfahröffnung eingesetzte Hülse handeln. Der Leckspalt bewirkt, insbesondere wenn er klein dimensioniert ist, dass das Fluid bei einfahrendem Kolben gedrosselt und somit nur langsam von der Hochdruckkammer zur der Niederdruckkammer bzw. von der Niederdruckkammer aus dem Gehäuse fließen kann. Somit wird ein etwaig temporär auftretender hoher Druck, der durch eine von der Kette auf den Kolben wirkenden Kraft in Einfahrrichtung des Kolbens erzeugt wird, in der Hochdruckkammer bzw. in der Niederdruckkammer nur langsam abgebaut. Dies hat den Vorteil, dass ein temporär auftretender Überdruck von dem Kettenspanner aufgenommen werden kann, ohne dass dabei größere Fluidmengen aus dem Gehäuse herausgefördert werden. Ein Leckspalt zwischen der Innenwand und dem Kolben ist ferner konstruktiv einfach und kostengünstig umsetzbar. Als besonders geeignet haben sich Leckspalt-Spaltmaße zwischen 10 µm und 100 µm erwiesen.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform ist eine an dem Kolben ausgebildete, die Niederdruckkammer in Ausfahrrichtung begrenzende Niederdruckwirkfläche kleiner als eine an dem Kolben ausgebildete, die Hochdruckkammer in Ausfahrrichtung begrenzende Hochdruckwirkfläche. Dies ist insbesondere bei Einfahrbewegungen des Kolbens von Vorteil, denn in diesem Fall vergrößert sich das Volumen der Niederdruckkammer beim Einfahren des Kolbens, so dass sich ein Überdruck in der Hochdruckkammer durch einfaches Überströmen von Fluid von der Hochdruckkammer in die Niederdruckkammer abbauen kann. Dies hat den Vorteil, dass nur kurzfristig auftretende Überdruckphasen sowie Phasen mit geringem Überdruck, die nur zu kleinen Kolbenbewegungen führen, ausgeglichen werden können, ohne dass Öl durch den Primär-Überdruckpfad aus dem Gehäuse herausgefördert wird.
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Eine Verringerung der Niederdruckwirkfläche gegenüber der Hochdruckwirkfläche kann konstruktiv einfach und insoweit bevorzugt dadurch erfolgen, dass in der Ausfahröffnung des Gehäuses ein sich in radialer Richtung nach innen erstreckender Absatz gebildet ist. Ein solcher Absatz kann einstückig in dem Gehäuse selbst ausgebildet sein. Alternativ oder in Ergänzung dazu kann ein Absatz durch nachträgliches Einsetzen eines zusätzlichen Elements erzeugt werden, beispielsweise durch Einschrauben einer Hülse. Wenn der Absatz in dem Wirkbereich der Niederdruckkammer angeordnet ist, kann durch den Absatz in einfacher Art und Weise eine Verringerung des Kammervolumens der Niederdruckkammer bei ausfahrendem Kolben und eine Vergrößerung des Kammervolumens der Niederdruckkammer bei einfahrendem Kolben bewirkt werden. So wird bei ausfahrendem Kolben eine erwünschte zusätzliche Druckerhöhung bewirkt und bei einfahrendem Kolben eine zusätzliche Druckentlastung, so dass einem Ausströmen von Fluid aus dem Gehäuse durch den Primär-Überdruckpfad entgegengewirkt wird.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform ist in dem Sekundär-Überdruckpfad und/oder in dem Systempfad eine Rückschlagarmatur angeordnet. Dabei kann es sich insbesondere um ein Rückschlagventil oder eine klappenartig ausgebildete Rückschlagarmatur (z.B. eine Rückschlagklappe) handeln. Eine Rückschlagarmatur stellt ein konstruktiv einfaches Mittel dar, um das Durchströmen eines Pfades (d.h. des Sekundär-Überdruckpfades und/oder des Systempfades) in nur einer Richtung zuzulassen.
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Eine Rückschlagarmatur in dem Sekundär-Überdruckpfad ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass ein in der Niederdruckkammer entstehender Überdruck durch den ausfahrenden Kolben dadurch schnell abgebaut wird, dass Fluid in Richtung Hochdruckkammer zurückströmen kann.
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Im Systempfad dient eine Rückschlagarmatur primär dazu, einen Rückfluss bei einem Überdruck in der Hochdruckammer (bei Verschiebung des Kolbens in Einfahrrichtung) in Richtung der externen Fluidversorgung entgegenzuwirken, um eine Rückkopplung auf die externe Fluidversorgung zu vermeiden. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn eine in der Fluidversorgung angeordnete Pumpe vor Druckschwankungen geschützt werden soll und/oder wenn noch weitere andere Elemente mit der gleichen Fluidversorgung gekoppelt sind, die vor Druckschwankungen geschützt werden sollen. Zusätzlich wird mit Hilfe der Rückschlagarmatur ein Durchschlagen des Kolbens in Einfahrrichtung und somit ein Kontrollverlust der Kette vermieden, insbesondere wenn die Kettenspannung kurzfristig stark erhöht ist und sich in der Hochdruckkammer dementsprechend kurzfristig ein sehr hoher Überdruck ausbildet. Überdruck in der Hochdruckkammer wird diesen Fall überwiegend oder ausschließlich über den Ausgleichspfad abgebaut, indem Fluid von der Hochdruckkammer in Richtung Niederdruckkammer und - soweit nötig auch wieder über den Primär-Überdruckpfad von der Niederdruckkammer aus dem Gehäuse heraus - gefördert wird.
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Im Sekundär-Überdruckpfad kann als klappenartig ausgebildete Rückschlagarmatur insbesondere eine einseitig befestigte (insbesondere eingespannte) Blattfeder verwendet werden. Ein solches Element nimmt nur wenig Bauraum in Anspruch und ist relativ einfach und zeitsparend montierbar. Die Blattfeder ist in diesem Fall so angeordnet, dass sie von einer Richtung aus über den Fluiddruck an eine Wand angepresst wird und somit einen Durchfluss von Fluid sperrt. In der anderen Richtung hingegen kann die Blattfeder bei ausreichend hohem Fluiddruck die Rückstellkraft (bewirkt durch die Biegespannung der Blattfeder) überwinden und so eine druckabhängig Fluiddurchströmung ermöglichen.
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Im Systempfad ist als Rückschlagarmatur ein Rückschlagventil bevorzugt.
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In einer einfachen und platzsparenden Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kettenspanners ist der Sekundär-Überdruckpfad innerhalb des Kolbens ausgebildet. Dabei kann der Primär-Überdruckpfad als einfache Bohrung ausgeführt sein, die insbesondere an dem die Hochdruckkammer begrenzenden Ende mit einer Rückschlagarmatur versehen ist, insbesondere einer Rückschlagarmatur mit einer Blattfeder. Die Dimensionierung des Sekundär-Überdruckpfades in Bezug auf den Durchlassquerschnitt erfolgt insbesondere derart, dass der zu überwindende Widerstand zur Durchströmung des Sekundär-Überdruckpfades geringer ist, als der Strömungswiderstand im Primär-Überdruckpfades, so dass bei einem Druckanstieg durch Einfahren des Kolbens zunächst Öl von der Niederdruckkammer in die Hochdruckkammer zurückgefördert und nicht über den Primär-Überdruckpfad aus dem Gehäuse herausgefördert wird. Der Primär-Überdruckpfad wird in diesem Fall erst durchströmt, wenn über einen längeren Zeitraum ein derart hoher Druck in der Niederdruckkammer und in der Hochdruckkammer vorliegt, dass zum Schutz des Gehäuses vor Zerstörung Fluid aus dem Gehäuse entweichen muss.
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In Simulationsrechnungen und Versuchen hat sich gezeigt, dass sich ein vorteilhaftes Dämpfungsverhalten einstellt, wenn der Primär-Überdruckpfad kleiner dimensioniert ist als der Ausgleichspfad, d.h. wenn der kleinste Durchströmquerschnitt des Primär-Überdruckpfades kleiner ist als der kleinste Durchströmquerschnitt des Ausgleichpfads. Damit wird erreicht, dass - soweit damit ein ausreichender Druckausgleich erzielt werden kann - Fluid primär zwischen der Niederdruckkammer und der Hochdruckkammer gefördert wird, während der Fluidstrom durch den Primär-Überdruckpfad so weit wie möglich unterbunden wird bzw. gedrosselt bleibt.
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Die Auslegung der Durchströmquerschnitte des Ausgleichpfades, des Primär-Überdruckpfades und auch des Sekundär-Ausgleichspfad erfolgt insbesondere derart, dass die Schwingungen der Kette weitestgehend reduziert werden, insbesondere Schwingungen, welche beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Motordrehzahlen zwischen 2000 U/min und 4000 U/min auftreten, bevorzugt zwischen 2800 U/min und 3200 U/min.
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Wie bereits erwähnt, ist der Primär-Überdruckpfad - ebenso wie der Ausgleichspfad - vorzugsweise als Leckspalt ausgebildet. Insbesondere als sich zwischen einer Außenumfangsfläche des Kolbens und einem außenseitig daran angrenzenden Element erstreckender Leckspalt. Ein solcher Primär-Überdruckpfad, der zumindest teilweise als Leckspalt ausgebildet ist, kann auch zur Entlüftung des Gehäuses genutzt werden.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform ist eine der Ausfahröffnung gegenüberliegende Öffnung vollständig mittels eines Deckels verschlossen. Die Montage des Kolbens kann in einem solchen Fall von der der Ausfahröffnung gegenüberliegenden Seite erfolgen. In diesem Fall kann ein radial hervorragender Absatz einstückig im Gehäuse ausgebildet sein. Die der Ausfahröffnung gegenüberliegende Öffnung wird nach der Montage des Kolbens und etwaiger weiterer Elemente bzw. Zusammenbaueinheiten mit dem Deckel verschlossen.
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Alternativ oder in Ergänzung dazu kann eine Hülse in die Ausfahröffnung eingesetzt werden, insbesondere durch Einschrauben. Diese Variante ist besonders bevorzugt, wenn das Gehäuse auf der der Ausfahröffnung gegenüberliegenden Seite geschlossen ausgebildet ist und der Kolben über die Ausfahröffnung in das Gehäuse eingesetzt wird. In diesem Fall kann die formschlüssige Anordnung des Kolbens durch späteres Einsetzen der Hülse bewirkt werden.
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Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 einen Ausschnitt eines Steuertriebes einer Brennkraftmaschine mit einer Kette und einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kettenspanners in einer Längsschnittdarstellung,
- 2 nur den erfindungsgemäßen Kettenspanner gemäß 1 in einer Längsschnittdarstellung,
- 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kettenspanners in einer Längsschnittdarstellung,
- 4 nur das in den in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen eingesetzte Rückschlagventil in einer Längsschnittdarstellung.
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In 1 ist ein Ausschnitt eines Steuertriebes 100 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine mit einer umlaufenden Kette 10 dargestellt. Die Spannung der Kette 10 erfolgt über einen Kettenspanner 12 , welcher über eine Gleitschiene 14 von außen eine Druckkraft auf die Kette 10 ausübt. Die einzelnen Elemente des Kettenspanners 12 sowie die Funktionsweise wird nun in Verbindung mit 2 erläutert.
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Der Kettenspanner 12 weist ein Gehäuse 16 mit einer in dem Gehäuse 16 ausgebildeten Ausfahröffnung 18 auf. Eine der Ausfahröffnung 18 gegenüberliegende Öffnung 20 ist mit einem Deckel 22 verschlossen. In der Ausfahröffnung 18 ist ein axial verschiebbarer Kolben 24 angeordnet. Der Kolben 24 ist in eine Ausfahrrichtung A und eine der Ausfahrrichtung A entgegengesetzte Einfahrrichtung axial beweglich gelagert.
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Ein Ausfahrende 26 des Kolbens ragt in der gezeigten Ausführungsform aus dem Gehäuse 16 heraus und über eine Druckkraft auf die Gleitschiene 14 aus (vgl. 1).
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In dem Gehäuse 16 ist ein Rückstellelement 28 in Form einer Schraubenfeder 30 angeordnet. Die Schraubenfeder 30 ist zwischen einer der Ausfahröffnung 18 abgewandten Stirnfläche 32 des Kolbens 24 und der Innenwand 34 des Gehäuses 16 bzw. der Innenwand 36 des Deckels 22 angeordnet. Zur Abstützung der Schraubenfeder 30 ist in der Stirnfläche 32 eine Vertiefung 38 ausgebildet. Die Schraubenfeder 30 ist derart vorgespannt angeordnet, dass sie permanent eine Rückstellkraft in Ausfahrrichtung A auf den Kolben 24 ausübt.
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Zwischen der Rückseite des Kolbens 24, der Innenwand 34 des Gehäuses 16 und einem rückseitig der Ausfahröffnung 18 mit dem Gehäuse 16 verbundenen Deckel 22 ist eine Hochdruckkammer 40 ausgebildet, welche mit Fluid befüllbar ist. Die Hochdruckkammer 40 wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit Öl befüllt.
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Die Hochdruckkammer 40 erstreckt sich vorliegend über den Bereich, in welchem das Rückstellelement 28 angeordnet ist.
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In Richtung der Ausfahröffnung 18 ist in dem Gehäuse 16 ferner eine Niederdruckkammer 42 ausgebildet, welche sich in einem Bereich zwischen dem Kolben 24 und der Innenwand 34 des Gehäuses 16 erstreckt.
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Die Hochdruckkammer 40 ist strömungsleitend über einen Systempfad 44 mit einer externen Fluidversorgung (hier: Ölversorgung, nicht dargestellt) verbunden. Der Systempfad 44 verläuft in der gezeigten Ausführungsform innerhalb des Gehäuses 16 und innerhalb des Deckels 22. In dem Systempfad 44 ist eine Rückschlagarmatur 46 vorgesehen, welche eine Rückströmung von Öl von der Hochdruckkammer 40 in Richtung der Ölversorgung verhindert. Bei der Rückschlagarmatur 46 handelt es sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel um ein Rückschlagventil 48, welches fest mit dem Deckel 22 verbunden ist. Hier wurde die Verbindung durch Einpressen hergestellt.
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Der Aufbau und die Funktion des Rückschlagventils 48 wird nachfolgend in Verbindung mit 4 noch näher erläutert.
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Die Hochdruckkammer 40 und Niederdruckkammer 42 sind über einen Ausgleichspfad 50 verbunden. Der Ausgleichspfad 50 ist als Leckspalt zwischen der Außenumfangswand des Kolbens 24 und der sich radial außenseitig anschließenden Innenwand 34 des Gehäuses 16 ausgebildet. Durch den Ausgleichspfad 50 kann Öl sowohl von der Niederdruckkammer 42 in die Hochdruckkammer 40 strömen als auch umgekehrt.
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Von der Niederdruckkammer 42 führt ein Primär-Überdruckpfad 52 aus dem Gehäuse 16 heraus. Dieser Primär-Überdruckpfad 52 ist in der gezeigten Ausführungsform ebenfalls als Leckspalt zwischen der Außenumfangswand des Kolbens 24 und der sich radial außenseitig anschließenden Innenwand 34 des Gehäuses 16 ausgebildet.
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Die Niederdruckkammer 42 ist außerdem fluidal über einen Sekundär-Überdruckpfad 54 mit der Hochdruckkammer 40 verbunden. Der Sekundär-Überdruckpfad 54 ist als Kanal (hier mittels Bohrungen) innerhalb des Kolbens 24 ausgebildet. Der Sekundär-Überdruckpfad 54 ist an dem der Hochdruckkammer 40 zugewandten Ende mit einer Rückschlagarmatur 46 versehen. Die Rückschlagarmatur 46 ist durch eine einseitig mittels einer Schraube 56 eingespannte Blattfeder 58 gebildet. Die Blattfeder 58 befindet sich bei einem Überdruck in der Hochdruckkammer 40 in der in 2 gezeigten geschlossenen Stellung. Herrscht ein ausreichend großer Überdruck in der Niederdruckkammer 42, um die Blattfeder 58 gegen ihre Biegespannung in Richtung Hochdruck auszulenken, öffnet sich der Sekundär-Überdruckpfad 54 von der Niederdruckkammer 42 in Richtung Hochdruckkammer 40, so dass Fluid durch den Sekundär-Überdruckpfad 54 von der Niederdruckkammer 42 in die Hochdruckkammer 40 strömen kann.
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Der im Bereich der Hochdruckkammer 40 ausgebildete, den Kolben 24 in Ausfahrrichtung A begrenzende, sich in radialer Richtung erstreckende Querschnitt, welcher die Wirkfläche für den Druck der Fluides in der Hochdruckkammer 40 in Ausfahrrichtung A darstellt, kann als Hochdruckwirkfläche 60 angesehen werden.
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Der im Bereich der Niederdruckkammer 42 ausgebildete, den Kolben 24 in Ausfahrrichtung A begrenzende, sich in radialer Richtung erstreckende Querschnitt, welcher die Wirkfläche für den Druck des Fluides in der Niederdruckkammer 42 in Ausfahrrichtung A darstellt, kann als Niederdruckwirkfläche 62 angesehen werden.
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In der gezeigten Ausführungsform ist die Niederdruckwirkfläche 62 kleiner, als die Hochdruckwirkfläche 60. Dazu weist das Gehäuse 16 an der Innenwand 34 im Bereich der Niederdruckkammer 42 einen sich radial nach innen erstreckenden Absatz 64 auf. Dies führt dazu, dass sich das Volumen der Niederdruckkammer 42 bei ausfahrendem Kolben verkleinert, während sich das Volumen in der Hochdruckkammer 40 vergrößert. Der Druck des Fluides, insbesondere der Druck von Öl als bevorzugtes Fluid, erhöht sich dadurch in der Niederdruckkammer 42 und wird über den Sekundär-Überdruckpfad 54 zurück in die Hochdruckkammer 40 gefördert. Sofern die so geförderte Fluidmenge nicht ausreicht, strömt Fluid über den Systempfad 44 nach, bis in der Hochdruckkammer 40 wieder der Systemdruck vorliegt.
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Grundsätzlich ist der Kettenspanner 12 so ausgelegt, dass er - zumindest während des Betriebes der ihm zugeordneten Brennkraftmaschine eine Spannkraft in Ausfahrrichtung A mittels der Gleitschiene 14 auf die Kette 10 ausübt. Kommt es nun zu einer Verringerung der Kettenspannung, fährt der Kolben 24 aus dem Gehäuse 16 heraus, um die Kette 10 weiterhin zu spannen und um diese kontrolliert zu führen.
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Das Herausfahren des Kolbens 24 in Ausfahrrichtung A wird bei dem erfindungsgemäßen Kettenspanner 12 im Wesentlichen durch folgenden Elemente bewirkt.
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Zum einen bewirkt das Rückstellelement 28 eine permanente Kraftbeaufschlagung des Kolbens 24 in Ausfahrrichtung.
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Zum anderen wird - wie vorstehend schon erwähnt - durch die Verbindung der Hochdruckkammer 40 mit der externen Ölversorgung immer ein bestimmter Mindest-Systemdruck in der Hochdruckkammer 40 gehalten bzw. kurzfristig wiederhergestellt. Wenn die durch die Kette 10 ausgeübte Kraft auf den Kolben 24 nachlässt, strömt als Druckausgleich Öl von der externen Ölversorgung durch den Systempfad 44 in die Hochdruckkammer 40. Gleichzeitig bewegt sich der Kolben 24 in Ausfahrrichtung A. Das Volumen der Niederdruckkammer 42 verkleinert sich, wodurch in der Niederdruckkammer 42 ein Druckanstieg bewirkt wird. Ist der Überdruck in der Niederdruckkammer 42 (gegenüber dem Druck in der Hochdruckkammer 40) ausreichend hoch, damit die Rückstellkraft der Blattfeder 58 überwunden wird, biegt sich die Blattfeder 58 in Richtung der Hochdruckkammer 40 und gibt so den Sekundär-Überdruckpfad 54 frei. Dementsprechend kann Fluid von der Niederdruckkammer 42 in die Hochdruckkammer 40 strömen.
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Wie in den Figuren erkennbar ist, ist der Primär-Überdruckpfad 52 kleiner ausgelegt als der Sekundär-Überdruckpfad 54, d.h. der (kleinste) Strömungsquerschnitt des Sekundär-Überdruckpfades 54 ist deutlich größer als der (kleinste) Strömungsquerschnitt im Primär-Überdruckpfad 52. Dementsprechend ist der Sekundär-Überdruckpfad 54 gegenüber dem Primär-Überdruckpfad 52 priorisiert, d.h. sofern es die Druckverhältnisses zulassen, strömt primär Fluid aus der Niederdruckkammer 42 in die Hochdruckkammer 40, und nur wenn darüber hinaus ein Druckausgleich erforderlich ist, strömt Fluid auch durch den Primär-Überdruckpfad 52 aus der Ausfahröffnung 18 des Gehäuses 16 heraus.
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Kommt es zu einer Erhöhung der Kettenspannung und damit zu einer Erhöhung der auf den Kolben 24 entgegen der Ausfahrrichtung A wirkenden Kraft, welche größer ist als die Spannkraft des Kolbens 24, so soll der Kolben 24 möglichst langsam eingefahren werden, um ein Lösen der Kette 10 von einem zu schnell einfahrenden Kolben 24 zu vermeiden, denn in diesem Fall würden Aufprallgeräusche entstehen, wenn die Kette 10 nach einem Lösen von der Gleitschiene 14 wieder mit dieser in Kontakt tritt.
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Das langsame Einfahren wird insbesondere dadurch erreicht, dass der Überdruck in der Hochdruckkammer 40 nur langsam abgebaut wird. Durch das Rückschlagventil 48 in dem Systempfad 44 wird verhindert, dass Fluid bzw. Öl von der Hochdruckkammer 40 in Richtung der externen Ölversorgung zurückströmen kann. Auch durch den Sekundär-Überdruckpfad 54 kann kein Fluid bzw. Öl in Richtung der Niederdruckkammer 42 gelangen, da die Blattfeder 58 den Sekundär-Überdruckpfad 54 in dieser Richtung verschließt.
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Fluid bzw. Öl kann dementsprechend nur über den Ausgleichpfad 50 in Richtung der Niederdruckkammer 42 fließen. Aufgrund des nur geringen Durchströmquerschnitts erfolgt der Fluidstrom gedrosselt und der Druckabbau nur langsam. In die Niederdruckkammer 42 gelangendes Fluid bzw. Öl kann insbesondere durch das sich mit Bewegung des Kolbens 24 entgegen der Ausfahrrichtung A vergrößernde Volumen der Niederdruckkammer 42 aufgenommen werden.
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Insgesamt wird mit dem erfindungsgemäßen Kettenspanner 12 überwiegend Fluid bzw. Öl zwischen der Niederdruckkammer 42 und der Hochdruckkammer 40 hin- und hergefördert, wodurch die Förderleistung der externen Fluidversorgung gering gehalten werden kann. Der Kettenspanner 12 arbeitet daher sehr effizient.
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In 3 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kettenspanners 12 dargestellt. Für identische oder zumindest funktionsgleiche Elemente werden die gleichen Bezugszeichen verwendet wie zur Beschreibung der ersten Ausführungsform.
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Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform im Wesentlichen durch die Gestaltung des Gehäuses 16 des Kettenspanners 12. Vorliegend ist das Gehäuse 16 einseitig geschlossen ausgebildet. Es weist nur eine Ausfahröffnung 18 auf. Der Kolben 24 muss bei dieser Ausführungsform dementsprechend durch die Ausfahröffnung 18 in das Gehäuse 16 eingebracht werden. Zur formschlüssigen Festlegung des Kolbens 24 in der Ausfahröffnung 18 ist eine Hülse 66 in das Gehäuse 16 eingesetzt, die hier in das Gehäuse 16 eingepresst ist. Sie kann alternativ auch verschraubt oder auf andere geeignete Art und Weise fest mit dem Gehäuse 16 verbunden sein. Durch die Hülse 66 wird in dieser Ausführungsform auch die Gleitfläche für den ausfahröffnungsseitigen Bereich des Kolbens 24 gebildet. Der Primär-Überdruckpfad 52 ist dementsprechend zwischen der Innenwand 68 der Hülse 66 und dem sich radial innenseitig anschließenden ausfahrseitigen Bereich des Kolbens 24 ausgebildet.
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In 4 ist das Rückschlagventil 48 im Detail dargestellt, welches bei beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsformen eingesetzt ist. Das Rückschlagventil 48 weist einen Grundkörper 70 auf, welcher bei der ersten Ausführungsform in den Deckel 22 des Kettenspanners 12 und bei der zweiten Ausführungsform in das Gehäuse 16 des Kettenspanners 12 eingepresst wird (vgl. hierzu auch 3).
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Der Grundkörper 70 kann alternativ auch auf andere Art und Weise fest mit dem jeweiligen Element verbunden oder einstückig an diesem ausgebildet sein.
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Der Grundkörper 70 weist eine Durchströmöffnung 72 auf, die druckabhängig verschlossen werden kann. Dazu ist in dem Grundkörper 70 ein Abstützelement 74 angeordnet, an welchem sich eine Schraubenfeder 76 abstützt, die eine Kugel 78 gegen die Durchströmöffnung 72 presst. Im verschlossenen Zustand des Rückschlagventils 48 verschließt die Kugel 78 die Durchströmöffnung 72. Im geöffneten Zustand wird die Kugel 78 von der Durchströmöffnung 72 weggedrückt, so dass durch in dem Gehäuse 70 seitlich ausgebildete Schlitze 80 durch die Durchströmöffnung 72 gelangtes Fluid bzw. Öl aus dem Grundkörper 70 hinausströmen kann. Das Rückschlagventil 48 ist dann entlang der gestrichelt dargestellten Pfeile in Durchströmrichtung D durchströmbar.
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Bei den erfindungsgemäßen Kettenspannern 12 wird das Rückschlagventil 48 in dem Systempfad 44 eingesetzt. Ist der Systemdruck größer als die Rückstellkraft der Schraubenfeder 76, wird die Kugel 78 von der Durchströmöffnung 72 wegbewegt und ermöglicht es so, dass Fluid bzw. Öl durch die Durchströmöffnung 72 über die seitlichen Öffnungen 80 in die Hochdruckkammer 40 strömen kann. Im Falle eines Überdrucks in der Hochdruckkammer 40 ist die Durchströmöffnung 72 durch die Kugel 78 verschlossen und es ist keine Durchströmung möglich, so dass ein Rückfluss oder Druck-Rückkopplungen in Richtung der externen Ölversorgung ausgeschlossen sind.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kette
- 12
- Kettenspanner
- 14
- Gleitschiene
- 16
- Gehäuse
- 18
- Ausfahröffnung
- 20
- Öffnung
- 22
- Deckel
- 24
- Kolben
- 26
- Ausfahrende
- 28
- Rückstellelement
- 30
- Schraubenfeder
- 32
- Stirnfläche
- 34
- Innenwand (Gehäuse)
- 36
- Innenwand (Deckel)
- 38
- Vertiefung
- 40
- Hochdruckkammer
- 42
- Niederdruckkammer
- 44
- Systempfad
- 46
- Rückschlagarmatur
- 48
- Rückschlagventil
- 50
- Ausgleichspfad
- 52
- Primär-Überdruckpfad
- 54
- Sekundär-Überdruckpfad
- 56
- Schraube
- 58
- Blattfeder
- 60
- Hochdruckwirkfläche
- 62
- Niederdruckwirkfläche
- 64
- Absatz
- 66
- Hülse
- 68
- Innenwand (Hülse)
- 70
- Grundkörper
- 72
- Durchströmöffnung
- 74
- Abstützelement
- 76
- Schraubenfeder
- 78
- Kugel
- 80
- Schlitz
- 100
- Steuertrieb
