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Hydropumpe
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Hydropumpe, insbesondere für Kraftfahrzeuge
mit Zentralhydraulik. Die Erfindung bezieht sich ferner insbesondere auf eine Zellenpumpe,
und zwar insbesondere auf eine Flügelzellenpumpe.
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Hydropumpen werden heute häufig für die Hydraulik bei Kraftfahrzeugen,
insbesondere auch Personenkraftfahrzeugen, verwendet. Kraftfahrzeuge verwenden vielfach
zwei oder mehr Hydraulikkreise, die unterschiedliche Strömungsmittelmengen benötigen.
Ein meist geringere Strömungsmittelmengen benötigender Hydraulikkreis dient z. B.
zur Bremskraftverstärkung und/oder Niveauregulierung. Ein weiterer, eine größere
Strömungsmittelmenge benötigender Hydraulikkreis wird zur Versorgung der sogenannten
Servo- oder Hilfskraftlenkung benutzt.
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Um von der Hydropumpe bzw. den Hydropumpen eine weitgehend drehzahlunabhängige
Fördermenge zu erhalten, ist es bereits bekannt, Radialkolbenpumpen einzusetzen,
die durch Verwendung der Ansaugdrosselung Antriebsleistung einsparen.
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Beispielsweise beschreibt die DE-PS 29 01 240 eine Radialkolbenpumpe
mit Saugstromdrosselung. Radialkolbenpumpen mit Saugstromdrosselung haben den innewohnenden
Nachteil einer starken Pulsation, eine Pulsation, die sich bei der Versorgung einer
Hilfskraftlenkung als Kribbeln im Lenkrad spürbar machen kann. Bei der Radialkolbenpumpe
gemäß der DE-PS 29 cii 240 wird die hohe Förderstrompulsation und die Geräuschentwicklung
dadurch bekämpft, daß zwei Druckräume in bestimmter Weise in Verbindung gebracht
werden. Diese bekannte Radialkolbenpumpe ist aber für einen sogenannten Zweikreisbetrieb
nicht direkt geeignet. Würde man dennoch einen Teil der vorhandenen Kolben einem
ersten Kreis und die übrigen Kolben einem zweiten Kreis zuordnen, so würde man in
beiden Kreisen eine beträchtlich erhöhte Pulsation erhalten, was entweder verstärktes
Kribbeln am Lenkrad zur Folge hätte oder aber neue Maßnahmen erforderlich machen
würde. Diese Pulsation ist in erster Linie abhängig von der Anzahl der für den Kreis
verwendeten Kolben und deren Anordnung über dem Drehwinkel.
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Eine für den Zweikreisbetrieb ausgelegte Drehkolbenpumpe ist aus der
DE-AS 26 30 736 bekannt. Dort wird unter Bezugnahme auf den Stand der Technik darauf
hingewiesen, daß durch die Arbeitskammern einer Drehkolbenpumpe ein erster Druckölkreis
beispielsweise zur Hilfskraftunterstützung eines Lenkgetriebes eines Kraftfahrzeugs
dient, während ein zweiter Druckölkreis einen zweiten unabhängigen Verbraucher beliefert,
und zwar gespeist aus den sogenannten Hinterflügelräumen. Um ein sicheres Anliegen
der Arbeitsschieber an der Kurvenbahn des Kurvenrings zu gewährleisten, sind dabei
besondere MaRnahmen vorgesehen.
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Bei dieser Drehkolbenkonstruktion ist insbesondere nachteilig, daß
die Konstanthaltung des Förderstromes durch Stromregelventile geschieht, was bei
höheren Drehzahlen einen hohen Energieverlust zur Folge hat. Auch muß der
erste
Druckölkreis zumindest mit dem gleichen Druck wie der zweite Druckölkreis gefahren
werden, da sonst die Flügel nach innen geschoben würden und damit ihre Dichtfunktion
verlieren.
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Bei einer ebenfalls bereits bekannten zwei Kreise beliefernden Radialkolben-Doppelpumpe
werden sechs sternförmig umfangsmäßig angeordnete Zylinder zur Belieferung des Lenk-Hydraulikkreises
verwendet, während zwei zusätzliche Zylinder einen weiteren Kreis beliefern, der
für die hydraulische Bremskraftverstärkung und Niveauregulierung zu-3..
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ständig ist. Die sechs Zylinder können dabei etwa 3 cm pro Umdrehung
liefern, während die beiden anderen Zylinder 3 etwa 0,65 cm pro Umdrehung liefern
können. Obwohl bei dieser Pumpe jedenfalls für den einen Kreis auch ein Tilgerraum
vorgesehen ist, muß für den anderen Kreis eine externe Dämpfung vorgesehen werden.
Dies bedeutet, daß man einen Speicher verwenden muß. Neben einem zusätzlichen Bauteil
ist dabei nachteilig, daß im geschlossenen Kreis gefahren werden muß, was höhere
Verluste nach sich zieht, weil die Pumpe dauernd gegen den Speicherdruck fördern
muß oder alternativ durch ein zusätzliches Speicherladeventil geschaltet werden
muß.
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Aus der DE-OS 33 19 000 ist bereits eine Flügel zellenpumpe bekannt,
bei der das zu ihrem Antrieb erforderliche Drehmoment kleiner wird, sobald eine
vorbestimmte Betriebsdrehzahl erreicht worden ist, ohne daß die von der Pumpe abgegebene
Strömungsmenge herabgesetzt wird. Dadurch erhält man eine beachtliche Energieeinsparung.
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Die in der DE-OS 33 19 000 beschriebene Pumpe erreicht die Begrenzung
der Strömungsmenge durch eine an sich bekannte Drossel im Einlaßkanal. Die Auslaßkammern
zwischen den Flügeln der Pumpe sind jeweils mit je zwei gehäusefesten Rückschlagventilen
verbunden. Das führt
zu einem erhablichen Aufwand hinsichtlich der
Zahl der Auslaßkanäle und der zugehörigen Rückschlagventile. Im nicht gedrosselten
Betriebszustand der Pumpe wirkt sich eine große Anzahl von wirksamen Rückschlagventilen
ungünstig auf Vibration und Geräusch aus.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flügelzellenpumpe der
im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Art derart auszubilden, daß eine außerordentlich
geringe Vibration bei hoher Energieeinsparung erreicht wird. Weiterhin bezweckt
die Erfindung durch einen einfachen Aufbau eine kostengünstige Ausbildung der Pumpe
zu erreichen.
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Zur Lösung der genannten Aufgabe sieht die Erfindung bei einer Pumpe
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs
genannten Merkmale vor.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bildet
die erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe praktisch vier unabhängige Pumpen, die im
wesentlichen symmetrisch um den Rotor herum angeordnet sind. Vorzugsweise haben
drei dieser Pumpen im wesentlichen das gleiche Verdrängungsvolumen, wohingegen eine
dieser Pumpen ein anderes, vorzugsweise ein kleineres Hubvolumen besitzt. Dadurch
erreicht man einen dynamisch besonders ausgeglichenen Aufbau, der nur minimale Vibrationen
und eine außerordentlich geringe Geräuschentwicklung zur Folge hat.
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Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich
aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung
zeigt: Figur 1 einen Längsschnitt längs Linie B-B in Figur 2 durch eine gemäß der
Erfindung ausgebildete Flügelzellenpumpe; Figur 2 einen Querschnitt längs Linie
A-A in Figur 1 durch die erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe der Figur 1; Figur 3
eine Darstellung der durch die Erfindung erreichbaren Förderstromkennlinie, d.h.
die Abhängigkeit der geförderten Ölmenge Q von der Antriebsdrehzahl n.
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Die Figuren 1 und 2 zeigen eine gemäß der Erfindung ausgebildete Flügelzellenpumpe
100, die als Zweistromzellenpumpe ausgebildet ist; die Pumpe liefert also zwei Druckmittelströme,
die zur Belieferung unterschiedlicher Verbraucher verwendet werden können.
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Die erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe 100 weist - vgl.
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insbesondere Figur 1 - einen drehbar in einem Statorgehäuse (im folgenden
kurz Gehäuse) 40 gelagerten Rotor 50 auf. Das von einem nicht gezeigten Tank T kommende
Druckmittel wird über einen Ansaugeinlaß 45 im Gehäuse 40 angesaugt und über vier
ebenfalls im Gehäuse 40 ausgebildete Abflußauslässe, von denen zwei bei 61, 62 gezeigt
sind, abgegeben, und zwar an sogenannte Tilgerräume 72,73, die in einem Tilgerraumbauteil
J 74 der Flügelzellenpumpe 100 ausgebildet sind. Das unter Druck stehende Strömungsmittel
verläßt die Tilgerräume 72bzw. 73 in zwei unabhängigen Strömen
über
die imTilgerraumbauteil 74 ausgebildeten Abflußkanäle 75 bzw. 76. Der Abflußkanal
75 beliefert vorzugsweise als Verbraucher die hydraulische Bremskraftverstärkungsvorrichtung
sowie die Niveaureguliervorrichtung, während über den Abflußkanal 76 der Lenkhydraulikkreis
beliefert wird.
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Das Gehäuse 40 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel durch drei
miteinander verbundene scheibenförmige Bauteile gebildet, und zwar ein Ansaugscheibenbauteil
41, ein Kammerscheibenbauteil 42 und ein Abflußscheibenbauteil 43.
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Alle diese Bauteile haben die gleiche Längsachse 56 und den gleichen
Außendurchmesser. Ebenfalls auf der Längsachse 56 ist am Abflußscheibenbauteil 43
fluchtend mit diesem das Tilgerraumbauteil74 befestigt. Das Tilgerraumbauteil 74
enthält in axialer, d. h. teleskopförmiger Anordnung die beiden bereits erwähnten
Tilgerräume 7~2 73, die durch eine kreiszylinderförmige Trennwand 64, abgedichtet
durch Dichtungen 63, gebildet werden. Die Trennwand 64 sitzt abdichtend auf einem
Vorsprung des Abflußscheibenbauteils 43, welches im übrigen durch Schraubenbolzen
mit den übrigen Bauteilen verbunden ist. In Figur 2 ist durch die Bohrung 65 angedeutet,
wie diese Schraubenbolzen verlaufen.
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Der Rotor 50 sitzt drehfest auf einer längs der Längsachse 56 verlaufenden
Rotorwelle 51, die mit ihrem Innenende 52 mittels einer Lagerbüchse 53 in einer
Innenbohrung des Abflußscheibenbauteils 43 gelagert ist. Zum anderen ist die Rotorwelle
51 über Büchse 54 im Ansaugscheibenbauteil 41 drehbar gelagert, wobei eine Dichtung
55 den Lagerraum abschließt.
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Im Ansaugscheibenbauteil 41 erstreckt sich ein Ansaugringkanal 44,
der zum einen mit dem bereits erwähnten
Ansaugeinlaß 45 in Verbindung
steht, und der andererseits an den den Rotor 50 enthaltenden Rotorraum 30 angeschlossen
ist. Der Ansaugringkanal 44 steht über vier Einlaßkanäle 26, 27, 28 und 29 mit dem
Rotorraum 30 in Verbindung.
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Der Rotor 50 weist an seinem Außenumfang beidseitig Abschrägungen
57 auf.
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Der im Rotorraum 30 angeordnete Rotor 50 trägt an seinem Außenumfang
mehrere Flügel 1 bis 9, die jeweils in radial und axial verlaufenden Schlitzen 70
in Radialrichtung beweglich angeordnet sind; von diesen Schlitzen ist nur ein Schlitz
70 für den Flügel 1 angedeutet. Im Bereich der Schlitzböden 58 (wiederum nur für
Flügel 1 gezeigt) können noch näher zu beschreibende Kanäle 87 und 88 vorgesehen
sein.
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Im Betrieb liegen durch die Wirkung der Zentrifugalkraft die außenliegenden
Enden der Flügel 1 bis 9 an einer vom Kammerscheibenbauteil 42 gebildeten Innenfläche
der sogenannten Hub- oder Statorkurve an. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist
die Statorkurve vierfach exzentrisch ausgebildet, d. h. sie weist vier Abschnitte
79, 80, 81 und 82 auf. Das bedeutet, daß jede zwischen den Flügeln gebildete Zelle
pro Umdrehung viermal am Fördervorgang beteiligt ist. Dadurch, daß sich jeweils
vier Saug- und vier Druckräume gegenüberliegen, wird die Rotorwelle 51 hydraulisch
entlastet.
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In Figur 2 erkennt man ferner, daß der Statorkurvenabschnitt 79 derart
geformt ist, daß er ein geringeres
Volumen vorsieht, als dies für
die Statorkurvenabschnitte 80, 81 und 82 gilt, die alle beispielsweise das gleiche
Volumen vorsehen. Dadurch ist es möglich, daß beispielsweise bei Fahrzeugen mit
Zentralhydraulik der Hydraulikkreis für die Lenkung aus den Bereichen der Statorkurvenabschnitte
80 bis 82 beliefert wird, während der hydraulische Kreis für die Bremskraftverstärkung
und die Niveauregulierung vom Statorkurvenabschnitt 79 beliefert wird.
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Der Abflußscheibenbauteil 43 weist auf seiner zum Rotor 50 hinweisenden
Seite vier Auslaßöffnungen 16, 17, 18 und 19 auf, die sämtlich lagemäßig in Figur
2 gestrichelt angedeutet sind und von denen zwei, nämlich die Auslaßöffnungen 16
und 18 in Figur 1 dargestellt sind. Jede der Auslaßöffnungen steht über eine Auslaßbohrung
und jeweils ein Rückschlagventil mit den bereits erwähnten Abflußauslässen in Verbindung.
Von den jeweils vier vorhandenen Auslaßbohrungen, Rückschlagventilen und Abflußauslässen
sind in Figur 1 jeweils nur zwei zu sehen, und zwar die Auslaßbo-hrungen 83, 84
mit zugehörigen Rückschlagventilen 85, 86, sowie den ebenfalls zugehörigen Abflußauslässen
61, 62.
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Die erfindungsgemäße Flügelpumpe 100 bildet praktisch vier unabhängige
Pumpen, die in Fig. 2 mit I bis IV bezeichnet sind.
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Die Pumpe I dient vorzugsweise zur Lieferung des für die hydraulische
Bremskraftverstärkung und Niveauregulierung erforderliche Strömungsmittela,wähtend
die Pumpen II bis IV den Hydraulikkreis für die Lenkung mit Strömungsmittel versorgen.
Das Verdrängungsvolumen der Pumpe I ist kleiner als das Verdrängungsvolumen jeder
der Pumpen II bis IV. Das von der Pumpe I gelieferte Strömungsmittel wird über die
Auslaßöffnung 16 und Rückschlagventil 83 sowie Abflußauslaß 62 dem TiZgerraum 72
zugeführt, während das von den Pumpen II bis IV kommende Strömungsmittel über Auslaßöffnungen
17 bis 19 und über jeweils ein Rückschlagventil (z.B. 86) sowie Abflußauslässe (z.B.
61) dem Tilgerraum 73 zugeführt wird.
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Im Bereich der Schlitzböden 58 sind, wie bereits erwähnt, Kanäle 87
und 88 vorgesehen. Beide Kanäle 87 und 88 haben den gleichen Radialabstand gegenüber
der Achse 56. Der Kanal 87 erstreckt sich in etwa im Bereich der Pumpe I und ragt
etwas in den Bereich der Pumpe II hinein und erstreckt sich umfangsmäßig im wesentlichen
um die gleiche Strecke symmetrisch zur Schnittlinie B-B im rechten Teil der Fig.
2.
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Der andere Kanal 88 ist auf dem gleichen Radius wie der Kanal 87 angeordnet
und erstreckt sich im Bereich der Schlitzböden.
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58 in etwa im Bereich der Pumpen III bis IV in etwa zwischen den Flügeln
2 bis 8. Der Kanal 87 steht über einen im Abflußscheibenbauteil 43 ausgebildeten
Kanal 89 mit dem Tilgerraum 72 in Verbindung, während der Kanal 88 über einen ebenfalls
im Scheibenbauteil 43 ausgebildeten Kanal 90 mit dem anderen Tìlgerraum 73 in Verbindung
steht, und zwar über den bereits erwähnten Abflußauslaß 61.
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Wie man in Fig. 2 erkennt, sind die Einlaßkanäle 26 bis 29 der Pumpen
I bis IV zum Zwecke der Erreichung einer Saugstromdrosselung gegenüber dem Punkt
in Drehrichtung versetzt, wo keine
Saugstromdrosselung eintreten
würde. Vorzugsweise haben die Einlaßkanäle eine Breite, die etwa gleich der Breite
der Flügel ist.
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Die Auslaßöffnungen 16 bis 19 haben in etwa die doppelte Breite der
Einlaßkanäle 26 bis 29.
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Zum Betrieb der erfindungsgemäßen Zellenpumpe 100 wird die Rotorwelle
51 in Drehungen versetzt, so daß sich die in Fig. 2 mit dem Pfeil 91 bezeichnete
Drehrichtung ergibt. Im Zeitpunkt der Darstellung gemäß Fig. 2 gilt folgendes, wobei
die zwischen den Flügeln gebildeten Kammern im folgenden immer mit den beiden sie
begrenzenden Flügeln bezeichnet werden, und zwar mit einem Schrägstrich zwischen
diesen beiden Bezugszeichen. Was die Pumpe I anlangt, so wurde gerade das Strömungsmittel
in der Kammer 9/1 verdichtet und wird gerade durch Auslaßöffnung 16 ausgestoßen,
vorausgesetzt daß der Druck zum Öffnen des zugehörigen Rückschlagventils ausreicht.
Der Ansaugvorgang der Pumpe I steht durch Kammer 8/9 unmittelbar vor seinem Beginn.
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Auch die Pumpe II ist hinsichtlich Kammer 1/2 unmittelbar vor dem
Ansaugschritt, während der Auslaßschritt durch Kammer 2/3 gerade beendet wird.
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Bei Pumpe III wird durch Kammer 4/5 der Ansaugschritt gerade abgeschlossen
und durch Kammer 5/6 wird auch der Auslaßschritt gerade beendet.
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Bei Pumpe IV findet gerade eine Drosselung beim Ansaugen statt (Kammer
6/7), während der Kompressionsschritt in Kammer 7/8 gerade begonnen hat.
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Im dargestelltenAusführungsbeispiel ist eine ungeradzahlige Anzahl
von Flügeln vorgesehen. Vorzugsweise werden neun Flügel 1 bis 9 verwendet.
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Figur 3 zeigt die Abhängigkeit der geförderten Ölmenge Q von der Antriebsdrehzahl
n. Es sind dabei zwei Kurven dargestellt, von denen die eine oben gelegene Kurve
die von den Pumpen II bis IV gelieferte Ölmenge Q darstellen, wohingegen die unten
gelegene Kurve die von der Pumpe I gelieferte Ölmenge Q repräsentiert, Zum Aufbau
der erfindungsgemäßen Pumpe sei noch nachgetragen, daß für jede der Pumpen I bis
IV statt nur einer einzigen Einlaßöffnung 26 bis 29 auch für jede Pumpe mehrere
derartige Einlaßöffnungen vorgesehen sein können. Obwohl vorzugsweise für jede Pumpe
nur eine Auslaßöffnung 16 bis 19 vorgesehen ist, so könnten doch auch gegebenenfalls
mehrere solcher Auslaßöffnungen für jede Pumpe vorgesehen sein.
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Durch die Ausbildung von vier Pumpen I bis IV mit jeweils einem Ansaugraum
und einem Druckraum ergibt sich ein dynamisch besonders gut ausgeglichenes Pumpsystem
mit einem minimalen Aufwand an Bauteilen. Andererseits ist es aber auch möglich,
durch Verwendung mehrerer Flügel bei entsprechender Umgestaltung der Hubkurve auch
mehr als vier Pumpen auszubilden. Es ist ebenfalls denkbar auch weniger als vier
Pumpen auszubilden. Die Ausbildung von vier Pumpen ist aber gerade für Fahrzeuge
mit Zentralhydraulik besonders vorteilhaft.
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Vorzugsweise haben die Mittelpunkte der Auslaßöffnungen 16 und 17,
sowie 17 und 18, wie auch 18 und 19 den gleichen Abstand, während der Abstand der
Mittelpunkte der Auslaßöffnung 19 und 16 etwas kleiner ist.
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Auch die Abstände der Mittelpunkte der Einlaßöffnungen 26 und 27,
27 und 28 sowie 28 und 29 haben im wesentlichen den gleichen Abstand, während der
Abstand der Mittelpunkte der Einlaßöffnungen 29 und 26 etwas kleiner ist als
die
bereits genannten Abstände.
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