DE7705310U1 - Fluidbetaetigte kupplung - Google Patents
Fluidbetaetigte kupplungInfo
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Description
PATENTANWALTS BÜRO lD-4 DÜSSELDORF · SCHUMANNSTR. 97
PATENTANWAITE:
Dipl.-lng. W. COHAUSZ · Dipl.-lng. W. FLORACK · Dipl.-lng. R. KNAUF · Dr.-lng., Dipl.-Wirtsch.-lng. Λ. GERBER · Dipl.-lng. H. B. COHAUSZ
Dipl.-lng. W. COHAUSZ · Dipl.-lng. W. FLORACK · Dipl.-lng. R. KNAUF · Dr.-lng., Dipl.-Wirtsch.-lng. Λ. GERBER · Dipl.-lng. H. B. COHAUSZ
Pörenade Fabriksverken
S-631 87 Eskilstuna 1Θ. Februar 1977
Fluidbetätigte Kupplung
Die Erfindung betrifft eine f3uidbetätigte Kupplung zu™ 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 Druckfluids in den Hohlraum, wobei
die radiale Abmessung der Hülsenwände durch Änderung des Drucks des+
Druckfluids in dem Hohlraum veränderlich ist.
Fluidbetätigte Kupplungen der vorstehend genannten Art sind bekannt,
bei denen der Hohlraum, der das Druckfluid enthält, ein relativ großes Volumen hat. Solche Kupplungen werden häufig zum 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 Hinsicht 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 Ausdehungskoeff£izienten,
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 -
Venn eine Kupplung der vorstehend genannten Art hohen Temperaturen
ausgesetzt wird, dehnt sich das Druckfluid stärker als die Stahlhülsen aus, und im 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 zu erreichen, die entstehen, wenn die Temperatur
stärk erhöht wird.
Wenn umgekehrt die Temperatur abfällt, zieht sich das Druckfluid stärker
zusammen als die Stahlhülsen, und die Drehmomentenübertragungsfähigkeit
wird entsprechend verringert, und es kann sogar passieren, daß eines oder beide der Elemente von der Kupplung bei extrem niedrigen
Temperaturen getrennt werden.
Hohe Temperaturen bedeuten in diesem Zusammenhang solche bis zu 100
bis 125 C des Druckmediums, und tiefe Temperaturen bedeuten hier Temperaturen
von -3O0C oder weniger.
Es sind Versuche unternommen worden, die vorstehenden Nachteile dadurch
zu 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 Nachteile beseitigt oder wesentlich gemildert worden
sind, damit die Kupplung hohen Temperaturunterschieden auegesetzt werden
kann und trotzdem brauchbar bleibt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine fluidbetätigte
Kupplung zum lösbaren Kuppeln mindestens zweier Elemente miteinander zu schaffen, 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 sich 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.
- 85 -
Ein Temperaturanstieg ΔΤ bewirkt einen Druckanstieg AP innerhalb
des Hohlraums der Kupplung auf Grund der Tatsache, daß der Ausdehnungskoffizient
der Flüssigkeit *\ größer als der der inneren Hülse und der äußeren Hülse ist. Mathematisch kann der Druckanstieg wie folgt ausgedrückt
werden.
ΔΡ - X * ΔΊ? (1)
E.(1-C2).V
Darin ist ΔΡ die Druckänderung, &T ist die Temperaturänderung, B ist
eine KompressibiLitätskonstante für das Druckfluid, d ist der mittlere
Durchmesser dess Hohlraums der Kupplung, L ist die Länge des Hohlraums,
E ist der Elastizitätsmodul des Stahls der Welle und dtr 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 V ist dag Druokfluidvolumen im Hohlraum der Kupplung.
Aus der vorstehenden Formel geht hervor, daß ein Temperaturanstieg einen
Druckanstieg bewirkt und daß eine Volumenänderung den Effekt solcher
Temperaturanstiege verringern kann. Um den Effekt verschiedener Volumina des Kupplungshohlrauss bei Temperaturanstiegen zu untersuchen, sind
Test« durchgeführt worden, deren Ergebnisse in Fig. 1 und 2 dargestellt sind. In Fig. 1 ist ein Diagramm gezeigt, &ei dem der Druckanstieg AP
(waagrechte Achse) bei awei verschiedenen Temperataranstiegen von 5O0C
und 100 C jeweils geagen eine vertikale Achse gezogen sind, die die
Breite t des Hohlräume zwisohen der inneren Hülse und der äfieren Hülse
zeigt. Der Druckanstieg ΔΡ ist 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 tarn Hohlraum
von JQ Millimeter hatte, der Ausdehnungskoeffizient des Druckfluids,
-4·
das in diesem Fall ein Fettprodukt war, betrug 7 x 10 , die Kompressibilitätskonstante
des Druckfluids betrug 6 χ 10 1/bar, der Elastizitätsmodul
des Stahls der Welle und der Nabe, die zu verbinden waren, betrug
21 χ 10 kg/cm , und die Beziehung zwischen 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 su 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 ersichtlich, daß dann, wenn das Volumen des Druckfluids 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 Druokanetieg 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
ksoll.
Es ist während der Versuche festgestellt worden, daß der Wert ttd keine
identischen Ergebnisse für verschieden große Kupplungen ergibt, und es ist festgestellt worden, daß der Wert bei größer werdenden Durohmessern
etwas abnimmt, was auf die !Datsache zurückzuführen sein dürfte, daß die !Toleranzen von Kupplungen großen Durohmessers relativ kleiner als die
von kleinen Kupplungen gemacht werden können, allgemin muß aber die fol
gende Beziehung erfüllt sein, um den Druckanstieg bei steigenden Temperaturen zu verringern.
ff * 2.1O-2 (2)
Im Idealfall beträgt die Beziehung ttd 0, aber aus bekannten Gründen ist
das nicht möglich, und unter Berücksichtigung der betreffenden Charakter!
stika hat es sich als brauohbar erwiesen, daß die Beziehung gleich
_2
oder weniger als 2 χ 10 ist.
oder weniger als 2 χ 10 ist.
In Fig. 2 ist ein entsprechendes Diagramm dargestellt, das das Drehmomentenverhältnis
M1Zm. am Butschpunkt zwischen oiner Nabe und einer V He
-Ij-
sieigt, die durch die erfindtingagemäße Kupplung verbunden sind, und zwar
bei verschiedenen Breiten t des Hohlraums der Kupplung, und bei verschiedenen
Ausgangsdrttoken. Im Diagramm bezieht sich H auf das Rutschdrehmoment
allgemein, M- ist ein solches Drehmoment im ursprünglichen Zustand, und M1 ist das Drehmoment bei erhöhter Temperatur. In allen Versuchen betrug
der Temperaturanstieg ^T +1000C, 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/M0 bei einer Breite t dee Hohlraums von mehr
als etwa 0,5 mm vorhanden sind, während große Unterschiede von M1Z1M0
bei Breiten t des Hohlraums von weniger als etwa 0,5 nun vorhanden sind.
Die Versuche bestätigen folglich, daß die Beziteehung t/d kleiner als etwa
-2
2 χ 10 sein soll, damit die Einflüsse von Temperaturanstiegen und die Unterschiede von M./M auf Grund solcher Temperaturänderungen wesentlich verringert werden.
2 χ 10 sein soll, damit die Einflüsse von Temperaturanstiegen und die Unterschiede von M./M auf Grund solcher Temperaturänderungen wesentlich verringert werden.
Für bestimmte Anwendungsfälle kann es sehr wesentlich sein, die Kupplung
so temperaturabhängig wie möglich auszuführen, und wie vorste-/-un~
hend erwähnt, kann das dadurch geschehen, daß der Hohlraum für das Druckfluid
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 vermischt wird, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
hat, der kleiner als der des Druckfluids oder im wesentlichen
gleich dem der äußeren und der inneren Hülse der Kupplung ist.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungiabeispielen unter
Bezugnahme auf Fig. 3 und 4 näher erläutert. Fig. 3 ist ein Querschnitt
durch die Kupplung nach der Erfindung, und Fig. 4 ist ein Teilquerschnitt
durch ein abgewandeltes Ausführungsbeiepiel der erfindungsgemäßen
Kupplung.
In Fig. 3 ist eine fluidbetätigte Kupplung 10 gezeigt, die zum Beispiel
zur Verbindung einer Nabe 25 mit einer Welle 26 benutzt werden kann. Die Kupplung weist eine äußere Hülse 11 und eine innere Hülse
12 auf, die konzentrisch in der äußeren Hülee 11 sitzt und mit dieeer
durch ringförmige Sohweißnähte 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 Hüleen 11 und 12 werden
als radial elastisch angesehen, d.h. werden unter andeerem 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 Richtungen 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 xmd 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 Darstellung 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 Druckänderung» 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
—2 vorstehende Beziehung erfüllen, nämlich t/d * 2 χ 10
Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, 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 sich ein abgedichteter Kolben 27, der radial nach innen mittels
einer Schraube 30 eingedruckt werden kann. TJm 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
— 7 —
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* Ψ ψ 9
in den Kehlen 15a und I6b sitzen ringförmige Füllelemente 15c, 15d, um
das Tolumen des Spalts 15 zu verringern. Sie Füllelemente 15o und 15d
können aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, das vorzugsweise den gleichen Ausdehungakoeffizienten vie 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 iß der äußeren Hülse 11 Eingeordnet ist und
zwischen sich und der-äußeren Hülse einen Hohlraum oder Spalt 15 bildet.
An einem Ende sind die beiden Hülsen durch eine Schweißnaht 14 miteinander
verbunden, und am gegenüberliegenden Ende öffnet der Spalt 15 in
j einen axialen Winkelhohlraum 13', der durch einen Sichtungekolben 27*
j abgedichtet ist. Ein Bing wie der Sruokring 27" ist axial außerhalb
des Kolbenrings 27* vorgesehen, und dieser Sruokring 27H 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 Sruokbeaufschlagung des Sruckfluids im Spalt 15 können
in irgendeiner geeigneten Form, vorgesehen Bein, und es kann sich dabei
um getrennte Fremdmittel zum Einleiten unter Druck gesetzten Fluids in den Spalt handeln, und in einem solchen Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird der Bichtungskolben 27- oder 27· duroh ein Einwegeventil ersetzt,
das das Einleiten von unter Druck gesetztem Fluid gestattet, jedoch ein Abfließen eines solchen Sruckfluids verhindert.
Um die Menge an Druckfluid im Spalt 15 zu verringern, kann das Druckfluid
kleine Partikel au« 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
solchen Partikeln vermischt wird, wird die Menge an Druckfluid entsprechend
verringert=
Der Spalt 15, der zwisohen den Hülsen 11 und 12 gebildet ist, kann jede
geeignete Form haben, z.B. die in Fig. 4 gezeigte, bei der die re-
duzierten Abaohnitte, s.B. 41e Abschnitte 11' der äußeren Hülse 11
;. ' und 12« der inneren Hülse 12, eine etwas stärkere Auebiegung als die
breiteren Teile 11% 12» ergeben.
Um die Menge an Druckfluid i« Spalt 15 su verringern, kann die äußere
IiIlse oder die innere Hülse mit radialen Verlängerungen versehen sein,
die normalerweise an der innereα Hülse bsw. an der äußeren Hülse angreifen, die jedooh bei Einleitung Ton Druckfluid in den Spalt, weduroh
die Hülsen 11 und 12 etwas auseinander bewegt werden, einen Fließweg
für das Druckfluid bilden. Alternativ können getrennte Binge oder entsprachende 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 Druokbeaufsohlagung d®s»s Hohlraums «inander berühren, und der
DurohmeBeer der Sruokmediumbehxung 18, 18· und der Hub des Kolbens 27,
27· sind so maßlioh festgelegt, daß so weit wie möglich alles Druckmedium bei fertiger Verbindung der Kupplung aus der Mediumbohrung 16, 18/
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 Sohruaben 30
zu erzeugen.
Eine Reibungskupplung der in den Zeichnungen genannten Art ißt bei
Warmwalzwerken zur Lagerung von Walzenhülsen auf Walzenaoheen geprüft
worden, bei denen die Kupplung sehr hohen Temperaturen ausgesetzt worden war und bei denen das Druckfluid, trotz der Kühlung der "alzen
des Walzwerks, eine Temperatur bis zu 15O0C hatte. Keine Änderung in
der Beziehung M1 /M» wurde zwischen der Walzenachse und der Walzenhülse
festgestellt, und keine Verformung der Kupplung wurde festgestellt.
Die Kupplung gemäß aer Erfindung 1st also in vielen Anwendungsfällen
brauchbar, bei denen bekannte Kupplungen der in Frage stehenden Art wegen des großen Volumens von Druckmedium in Spalt oder Hohlraum naoh-
teilig sind. Sie erfindungsgemäße Kupplung kann sowohl in Anwendung 8-fällen, bei denen die Kupplung sehr hohen Temperaturen ausgesetzt ist,
ale auch in AnwendungsfEllen benutzt werden, bei denen die Kupplung
sehr niedrigen Temperaturen ausgesetzt istp einfach durch Anpassung
des Drucke des Sruokfluids auf die Umstände, kann die Kupplung für die
verschiedenen Zwecke eingerichtet werden-
Claims (9)
1. Kupplung, die aus zwei zwischen den zu kuppelnden Teilen angeordneten, einnen
Hohlraum einschließemdem konzentrischen Hülsen besteht, deren Abstand
voneinander durch den im Hohlraum herrschenden Druck einer darin vorhandenen Flüssigkeit veränderlich ist, wobei der im übrigen geschlossene Hohlraum |
^n mit einem zur Zu- und Abfuhr der Flüssigkeit dienenden zusätzlichen Hohlraum
verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte
Volumen der genannten Hohlräume (15, 18) in dem Zustand, in dem der erstgenannte
Hohlraum (15) nicht unter einem Druck der Flüssigkeit steht, kleiner ist als ein kreisförmiger Hohlraum, dessen mittlerer Durchmesser
gleich dem mittleren Durchmesser (d) des erstgenannten Hohlraums (15) und
dessen radiale Breite (t) kleiner ist als ein Fünfzigstel des Durchmessers
(d).
2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ende oder die Enden (15a, 15b) des Hohlraums (15) kehlförmig ausgeführt
ist bzw. sind, derart, daß die Gefahr eines AuseinanderdrückeniS der äußeren Hülse (11) und der inneren Hülse (12) beseitigt wird.
3. Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
\. daß die Hohlraumkehlen (15a, 15b) teilweise mit einem Element (15c, 15d)
mit im wesentlichen dem gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie die innere
Hülse (12) und die äußere Hülse (11) gefüllt sind.
4. Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Hohlraurrikehlen (15a, 15b) teilweise mit einem getrennten Element
(15c, 15d) gefüllt sind, das deren Größe auf eine Größe verringert, die
der Breite des Hohlraums (15) im Maximum entspricht.
5. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
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daß die Mittel zum Einleiten von Druckfluid in den Hohlraum (15) eine
Bohrung (18), die mit dem Hohlraum (15) und mit der Außenseite in Ver-
< bindung steht, einen abgedichteten Kolben (27) in der Bohrung (18) und
eine Schraubenanordnung (30) zum Drücken des abgedichteten Kolbens (27) in die Bohrung (18) aufweisen.
6. 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. 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 Einwegventil aufweisen,
das eine Verbindung zwischen dem Hohlraum (15) und der Druckquelle
in solcher Vfeise herstellt, daß das Einleiten von Druckfluid in den
Hohlraum (15) ermöglicht und ein Entweichen von Druckfluid aus diesem verhindert wird.
8. Kupplung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet,
das das Druckfluid mit Partikeln mit einem Ausdehnungskoeffizienten vermischt ist, der kleiner als der des Druckfluids oder vorzugsweise der
w gleiche wie der der äußeren Hülse (11) und der inneren Hülse (12) ist.
9. Kupplung nach Anspruch 1, d a du rchgekennzeichnet,
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.
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