DE9102933U1 - Wellenlagerung, insbesondere für eine Laufradwelle einer Magnetkreiselpumpe - Google Patents

Wellenlagerung, insbesondere für eine Laufradwelle einer Magnetkreiselpumpe

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Description

RHEINHÜTTE GmbH I Co.
D-W- 6200 Wiesbaden 12
.03.1991
We L len L age rung,, insbesondere für eine Laufradwelle einer Magnetkreiselpumpe
Die Erfindung betrifft eine Wellenlagerung, insbesondere für eine Laufradwelle einer Magnetkreise I pumpe vom Spa 11rohrtyp, vorzugsweise mit einer mit dem Laufrad einstückigen Welle aus Kunststoff, beispielsweise aus Polytetrafluorethylen (PTFE /Teflon) oder Fluorkunststoff (PFA / Perf I uora I oxy ) , wobei die Welle mit einer vom Fördermedium im Nebenstrom durchströmten Bohrung unmittelbar der Temperatur des Fördermediums ausgesetzt ist und mit einer ihr drehfest zugeordneten Gleitlagerhülse in einem, im Gehäuse der Pumpe angeordneten Gleitlagersitz fliegend gelagert ist.
Die spielfreie Lagerung von GIeitlager komponenten bzw. Maschinenelementen unter Verwendung von Materialien mit extrem unterschiedlichen
Wärmedehnungskoeffizienten ergibt in der Praxis äußerst schwierig zu lösende Probleme. Sofern es sich bei solchen G Ieitlagerkomponenten um Verbindungen von Metall und Keramik handelt, kann sich beispielsweise
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ein unterschied L &igr;ches DehnungsverhaLten von etwa 7 : ergeben. Bei einer Paarung von Kunststoff und Keramik können die Unterschiede im DehnungsverhaLten ein Verhältnis von etwa 50 : 1 erreichen.
Zur Überwindung solcher aus unterschiedlichem Wärmedehnungsverha 11en der miteinander zusammenwirkenden Komponenten verursachten Schwierigkeiten ist aus der deutschen Patentschrift 06 365 ein GIei11 agerkonzept bzw. Adapterteil bekannt, das eine zufriedenstellende Temperaturkompensation des Lagers gewährleistet. Das als einsetzbarer Baustein konzipierte Gleitlager ist aus mehreren von Komponenten zusammengesetzt und weist unter anderem elastische Elemente zum Ausgleich von radialem Spiel auf. Das bekannte Gleitlager weist folgende Ausbildungsmerkmale auf:
a) eine zumindest zum Teil hü I senförmige Ausbildung, aus deren Mantel
b) zungenartige Bereiche ausgeprägt sind, deren Vorzugsrichtung dem Umfang folgt, und daß
c) abgeflachte Bereiche vorgesehen sind, die sich längst der Innen- und/oder der Außenmantelfläche erstrecken und
d) zumindest Teile der zungenartigen Bereiche mit erfassen.
Ein derartig aufgebautes Gleitlager soll eine
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spielfreie und zentrierte Aufnahme von MaschineneLementen mit extrem unterschiedlichen Wärmedehnungen wie Met a I I/Ke ram &igr;kverbindungen ermöglichen, die ansonsten durch in radialer Richtung wirkende temperatur- und dehnungsabhängige Kräfte nach kurzer Betriebsdauer zerstört werden wurden. Bei solchen Mat eria I paarungen führte bisher auch der Versuch, durch großzügig bemessene To I eranz vor gaben eine vorzeitige Zerstörung der Lager zu verhindern, ebenfalls nach kurzer Betriebsdauer zu Lagerze rs torungen, und zwar durch auftretende starke Eigenschwingungen der Rotorwelle.
Nachteilig fallen nicht nur der hohe technische Aufwand und die entsprechend hohen Kosten für derartige Gleitlager ins Gewicht, sondern auch die vergleichsweise voluminöse Bauart, welche zur Bereitstellung entsprechend große Einbauräume zwingt. In vielen Fällen sind daher derartige Kompaktg I ei11 ager nicht oder nur mit weiter erhöhtem technischem Aufwand einsetzbar.
Bei einer Chemiepumpe der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art, welche eine Magnetkreise Ipumpe vom Spaltrohrtyp darstellt, ergeben sich extreme Schwierigkeiten dadurch, daß eine mit dem Laufrad einstückige Welle aus Kunststoff mit extrem hohem Wärmedehnungskoeffi&zgr; &igr;enten und eine dieser drehfest zugeordnete GIei11 agerhü I se aus einem Gleitlagerwerkstoff mit extrem niedrigem Wärmedehnungskoeffi&zgr; &igr; enten in einem Gehäuse der Pumpe angeordneten GIe 111 agers11z, fliegend gelagert werden
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s &ogr; L L . Dabei beträgt &zgr;. B. der Wärmedehnungskoeffzient des für die WeLLe verwendeten Kunststoffs PTFE 195 &khgr; 10 &khgr; K , wohingegen eine der WeLLe zugeordnete GLeiL agerhü Lse aus MetaLL einen Wärmedehnungskoeffi&zgr; &tgr; enten von (je nach Art des MetaLLs) 30 - 50 &khgr; 1 &thgr;" 6 &khgr; K " 1 bzw. eine GLeitLagerhüL se aus Keramik, beispieLsweise Siliziumcarbid, einen Wärmedehnungskoeffizienten von &khgr; 10 &khgr; K ~ 1 aufweist; das heißt, die Dehnungsunterschiede der Paarungswerkstoffe können sich etwa wie 1 : 6 bis 1 : 48 verhalten.
Der Erfindung Liegt die Aufgabe zugrunde, eine We LL en L age rung, insbesondere für eine LaufradweLLe einer Magnetkreise L pumpe vom SpaLtrohrtyp anzugeben, wobei die Komponenten der miteinander zu verbindenden MaschineneLemente der GLeitLagerung einerseits aus Kunststoff und andererseits aus MetaLL oder Keramik sind, durch weLche gegenüber dem Stand der Technik eine deutLiche Verbesserung dahingehend erzieLt wird, daß bei einfachster Bauart und insbesondere ohne die Verwendung von elastischen LagereLementen und ohne deren nachteiLigen räumlichen Aufwand die Betriebssicherheit und Verfügbarkeit des Lagersystems wesentLich verbessert und die Herstellung sowie Montage der Teile für die We LL en L age rung erhebLich vereinfacht, rationaLisiert und verbiLligt wird.
Die Lösung der Aufgabe gelingt bei einer We LL en L age rung der eingangs genannten Art mit der Erfindung dadurch.
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- daß die Hülse ein Formteil mit guten
Resistenzeigenschaften gegen Verschleiß und Korrosion sowie mit einem im Vergleich zum Wellenmaterial wesentlich niedrigeren Wärmedehnungskoeffi&zgr;ienten ist und beispielsweise aus Sintermetall, gesintertem Metalloxid bzw. Keramik wie beispielsweise Siliciumcarbid etc. besteht,
- daß die Hülse ein im wesentlichen
höh I zy I inderförm&igr; ger Körper mit an beiden Stirnseiten ausgebildeten konischen Sitzflächen ist, und daß sie mit diesen am I aufradseitigen Ende zwischen einem konischen Ringflächensitz der Welle und am entgegengesetzten Ende zwischen einem konischen Ringf I ächensit&zgr; eines auf der Welle gleitbar geführten Spannelementes unter axialer Vorspannung durch eine mit der Welle verschraubbare Spannmutter fest eingespannt ist, und
- daß die Welle entlang der Hülse einen absatzweise verringerten Außendurchmesser aufweist, durch welchen zwischen Hülse und Welle ein radialer Ringspalt ausgebildet ist.
Mit Vorteil wird mit einer aus Sintermetall, gesintertem Metalloxid bzw. Keramik, wie beispielsweise SiIi&zgr;iumcarbid bestehenden Hülse eine extrem lange Verfügbarkeit erreicht, weil dieses Lagermaterial bei einem Gleitlager gegen Verschleiß und Korrosion hervorragende Resistenzeigenschaften aufweist, und gleichzeitig infolge extremer Glätte seiner Oberfläche ein ideales Gleitlagermaterial
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darstellt. Die zwischen diesem Material und dem Kunststoff der Welle sich ergebenden Dehnungsunterschiede werden dadurch vorteilhaft kompensiert, daß die Hülse an beiden Stirnseiten zwischen konischen Sitzflächen in axialer Richtung optimal zentriert und durch eine mit der Welle verschraubbare Spannmutter unter vergleichsweise großer axialer Vorspannung gegenüber der Welle fest eingespannt ist. Mit Vorteil wird durch die erfindungsgemäße Einspannung zwischen konischen Ringflächen bei ansteigender Temperatur, beispielsweise bei Temperaturdifferenzen bis zu 250 K erreicht, daß die axiale Vorspannung von Welle und Lagerhülse konstant bleibt, weil infolge radialer Ausdehnung der Welle, die sich gegenüber den konischen Sitzflächen der Hülse als scheinbare Längenänderung derselben auswirkt, die Summe aller axialen Dehnungsdifferenzen relativiert und damit kompensiert wird, ohne daß hierbei schädliche Radialkräfte oder Biegekräfte auf die G Lei11 agerhü I se wirken. Sehr vorteilhaft wird dieses AusgIeichsverha 11en auch dadurch weiter unterstützt, daß die Welle entlang der Hülse einen absatzweise verringerten Außendurchmesser aufweist, wobei dort zwischen Hülse und Welle ein radialer Ringspalt ausgebildet ist; so kann sich die Welle unter der Hülse bei Temperaturanstieg frei radial dehnen, ohne daß hierdurch radiale Spannungen in die Hülse induziert werden, und ohne daß die sitzgenaue Zentrierung zwischen den konischen Sitzflächen von Hülse und Welle nachteilig beeinflußt wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind entsprechend den Merkmalen der Unteransprüche vorgesehen. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Erläuterung eines in der Zeichnung schematisch dargstellten Ausführungsbeis&rgr; &igr;e I es.
Die Zeichnungen zeigen im einzelnen:
Figur 1 eine Wellenlagerung, teils im Schnitt, teils in Ansicht,
Figur 1a im Schnitt eine Wellenlagerung mit etwas anderer Ausbildung der G I eit I agerhü I se,
Figur 2 in Draufsicht eine Stirnseite der GIeitI agerhüIse mit Verzahnung,
Figur 3 einen Längsschnitt der GIeit I agerhü I se,
Figur 4 eine Ansicht der GIe&igr;11 agerhü I se aus der Sicht des Pfeiles IV in Fig. 3.
Bei der in der Figur 1 gezeigten Wellenlagerung für die Laufradweile (2) einer Magnetkreiselpumpe vom Spaltrohrtyp besteht die Welle (2) aus Kunststoff und weist eine vom Fördermedium im Nebenstrom durchströmte axiale Bohrung (22) auf. Dadurch folgt die Welle vergleichsweise verzögerungsfrei einem positiven oder negativen Temperaturgradienten des Fördermediums. Der Welle (2) ist eine drehfest mit dieser verbundene
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GLeitL agerhüLse (1) zugeordnet, die ihrerseits in einem im Gehäuse der Pumpe angeordneten GLe &igr; tLagersit&zgr; (vgl. Ziffer 19, Fig.1a) fliegend gelagert ist.
Erfindungsgemäß ist die Hülse (1) ein Formteil aus einem Werkstoff mit guten Resistenzeigenschaften gegen Verschleiß und Korrosion sowie mit einem im Vergleich zum Wellenmaterial wesentlich niedrigeren Wärmedehnungskoeffizienten; sie besteht beispielsweise aus Sintermetall oder gesintertem Metalloxid bzw. Keramik wie beispielsweise S &igr; I &igr; &zgr;iumcarbid etc. Die Hülse (1) ist ein im wesentlichen hohler ZyIinderkörper mit an beiden Stirnseiten ausgebildeten konischen Sitzflächen (5, 6). Die Hülse (1) ist am I aufradse&igr;tigen Ende (12) zwischen einem konischen Ringf I ächensit&zgr; (8) der Welle (2) und am entgegengesetzten Ende (13) zwischen einem konischen Ringflächensitz (7) eines auf der Welle (2) gleitbar geführten Spannelementes (9) unter axialer Vorspannung (beispielsweise 1 kg/mm ) durch die mit der Welle (2) verschraubbare Spannmutter (20) fest eingespannt. Als weiteres erfindungswesentliches Merkmal weist die Welle (2) entlang der Hülse (1) einen absatzweise verringerten Außendurchmsser auf, wobei zwischen der Hülse (1) und der Welle (2) ein radialer Ringspalt (10) vorhanden ist. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, daß bei Wärmedehnung der Welle (2) diese sich frei im Durchmesser ausdehnen kann, ohne daß hierdurch ein radialer Zwang auf die Gleitlagerhülse
(1) ausgeübt wird. Dabei wird durch die Anordnung des konischen RingfIächensitzes (8) am übergang der Welle
(2) zum Laufrad (11) eine vorteilhafte Kompensation
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der Dehnungen insofern erreicht, als bei Durchmesservergrößerungen dieses konischen Sitzes (8) ein Schub der GLeitLagerhüL se (1) bei deren nahezu unverändertem Durchmesser der konischen SitzfLäche (8) in axialer Richtung verursacht wird, welcher die Wärmedehnung der WeLIe (2) in axialer Richtung gemäß Pfeil (23) kompensiert. Ähnlich verhäLt es sich bei Wärmedehnung des Spanne Lementes (9), welches ebenfalls aus Kunststoff besteht und bei Durchmesservergrößerung des konischen Ringflächensitzes (7) infolge Wärmedehnung ebenfalls eine Axialkraft auf die Hülse (1) ausübt, so daß beim Zusammenwirken dieser Elemente infolge der konischen Sitzanordnung die unterschiedlichen Wärmedehnungen weitestgehend relativiert und dadurch abgebaut werden.
Bei einer Magnetkreise I pumpe des der Erfindung zugrundeliegenden Typs mit Permanentmagnetkupp Lung wird das Antriebsdrehmoment von einem äußeren Magnetträger durch den SpaLttopf hindurch auf den Innenmagnettrager (18) übertragen. Weil dieser zugleich das Spannelement (9) darstellt, muß infolgedessen das auf diesen wirkende Drehmoment über die GleitLagerhülse (1) auf das Laufrad (11) übertragen werden. Zwar könnte das Drehmoment bei entsprechender axialer Spannung durch die Gleitreibung zwischen den konischen Sitzflächen (5, 6) und den konischen Ringflächensitzen (7, 8) übertragen werden. Aus Gründen äußerster Sicherheit kann jedoch zweckmäßig vorgesehen sein, daß zwischen Spannelement (9), Hülse (1) und Laufrad (11) Mittel zur mechanischen Verdrehsicherung angeordnet sind.
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Beispielsweise kann die Hülse (1) am Laufradseitigen Ende (12) einen Flansch (14) mit vorzugsweise zwei radialen Ausnehmungen (15) aufweisen (vgl. Fig. 4), die von zwei aus dem rückwärtigen Bereich des Laufrades (11) vorstehenden, achsparallelen Mitnehmerbolzen (16) durchgriffen sind. Die entgegengesetzten konischen Stirnflächenpaarungen sind dann vorteilhaft mit einer Verzahnung (vgl. Ziffer 17, Fig. 2 ) nach Art von Zahnwellenverzahnungen wie beispielsweise H &igr;rth~Verzahnung etc. ausgebildet.
Wie bereits erwähnt, ist das Spannelement (9) ein einstückiger Bestandteil des Innenmagnettrage rs (18) der Permanentkupp Iung vom Antrieb der Pumpe. Dadurch ergibt sich eine besonders gedrungene, robuste und unkomplizierte Bauart im Aufbau der Magnetkreise I pumpe und bei deren We I I en Iagerung .
Gemäß Figur 3 hat es sich bei der paktischen Ausbildung und Erprobung des Erfindungsgegenstandes als wichtig und zweckmäßgig herausgestellt, daß die konischen Sitzflächen (5, 6) der Hülse (1) und entsprechend die Gegenflächen, die konischen Ringflächensitze (7, 8) mit einem Konuswinkel (alpha) von 50 gegenüber der Wellenachse (&khgr;-&khgr;) ausgebildet sind, ferner soll die Hülse (1) vergleichsweise kurz ausgebildet und deren Länge gleich oder kleiner als ihr Durchmesser sein. Dabei ist es erforderlich, daß die konischen Sitzflächen (5, 6) der Hülse (1) so ausgerichtet sind, daß die Spitzen der von ihnen umschriebenen imaginären Konen gegen das Innere der Hülse (1) gerichtet sind und sich vorzugsweise an
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einem mit der Mittelachse (x-x) zusammenfa L Lenden Punkt (21) berühren.
Obwohl die Ausrichtung der konischen Sitzflächen entsprechend der Darstellung in Fig. 1 sich als erfindungswesent I ich , weil besonders zweckmäßig erwiesen haben, soll fallweise jedoch eine modifizierte Anordnung nicht von der Erfindung ausgeschlossen sein, bei welcher gegebenenfalls mit anderen Materia L paarungen die konischen Sitzflächen (5, 6) der Hülse (1) auch so ausgerichtet sein können (Fig. 1a), daß die Spitze der von ihnen umschriebenen imaginären Konen von der Hülse (1) abgewandt sind.
Mit der Erfindung erstmals in überraschend unkomplizierter Weise wird eine temperaturbeständige G Ieit lage rung von G lei11 agerkomponenten mit extrem unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten angegeben, für die es beim Stand der Technik bisher nur ungewöhnlich aufwendige sowie räumlich voluminöse und vielteilige Gleitlagerbausätze gab. Im Gegensatz hierzu ist die Ausbildung der We I I en lagerung signifikant vereinfacht und vermeidet vollständig den bisher erforderlichen räumlichen Aufwand. Infolge extrem hoher Betriebssicherheit sowie Einfachheit in Herstellung und Montage wird damit eine ideale Lösung der eingangs gestellten Aufgabe erreicht.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind nicht auf das in den Zeichnungsfiguren dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann beispielsweise, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, auch die Lagerung von
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Gegenringen vorgesehen sein sowie auch jede dynamische und/oder statische Verbindung von Werkstoffen unterschiedlicher Wärmedehnung von den Erfindungsmaßnahmen Gebrauch machen. Die jeweilige konstruktive Ausgestaltung ist in Anpassung an die spezielle Verwendung der Vorrichtung dem Fachmann anheimgestellt.

Claims (9)

11.03.1991 - 13 - 93454 Ansprüche
1. We LL en L age rung, insbesondere für eine LaufradwelLe einer Magnetkreise L pumpe vom Spa Ltrohrtyp, vorzugsweise mit einer mit dem Laufrad einstückigen WeLLe aus Kunststoff, wobei die WeLLe mit einer vom Fördermedium im Nebenstrom durchströmten Bohrung unmitteLbar der Temperatur des Fördermediums ausgesetzt ist und mit einer ihr drehfest zugeordneten GLeitL agerhüLse in einem im Gehäuse der Pumpe angeordneten GLeitLagersit&zgr; fLiegend geLagert ist, gekennzeichnet durch die MerkmaLe:
- daß die HüLse (1) ein FormteiL mit guten Resistenzeigenschaften gegen VerschLeiß und Korrosion sowie mit einem im VergLeich zum WeLLenmateriaL wesentLich niedrigeren Wärmedehnungskoeffizienten ist und beispieLsweise aus SintermetaLL, gesintertem MetaLLoxid bzw. Keramik wie beispieLsweise SiLiciurnearbid etc. besteht,
- daß die HüLse (1) ein im wesentLichen hohLzyLinderförmiger Körper mit an beiden Stirnseiten ausgebiLdeten konischen SitzfLächen (6 , 7) ist, und daß sie mit diesen am L aufradseitigen Ende (12) zwischen einem konischen RingfLächensit&zgr; (8) der WeLLe (2) und am entgegengesetzten Ende (13) zwischen einem konischen RingfLächensit&zgr; (7) eines auf der WeLLe (2) gLeitbar geführten Spanne Lementes (9) unter axiaLer Vorspannung durch eine mit der WeLLe (2) verschraubbare Spannmutter (20) fest eingespannt ist.
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- daß die WeLLe (2) entLang der HüLse (1) einen absatzweise verringerten Außendurchmesser aufweist, durch welchen zwischen HüLse (1) und WeLLe (2) ein radiaLer Ringspalt (10) ausgebildet ist.
2. We L I en I age rung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur axialen Spann verb&igr;ndung von Hülse (1), Laufrad (11), und Spannelement (9) zwischen diesen Elementen E &igr;ngreifmi11e I (14 - 17) als mechanische Verdrehsicherungen ausgebildet sind.
3. We I I en I age rung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die HüLse (1) am laufradseitigen Ende (12) einen Flansch (14) mit radialen Ausnehmungen (15) aufweist, die von aus dem rückwärtigen Bereich des Laufrades (11) vorstehenden achsparaLLe I en Mitnehmerelementen (16) Lose durchgriffen sind.
4. We I L en I age rung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß konische Sitzflächen (5, 6) der HüLse (1) und daran anliegende konische Ringflächensitze (7, 8) von Welle (2) und Spannelement (9) mit stirnseitigen Verzahnungen (17) nach Art von Zahnwellen ine&igr;nandergreifbar, oder beispielsweise mittels Hirth-Verzahnung, ausgebildet sind.
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5. WeLLenLagerung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das SpanneLement (9) ein Bestandteil des Innenmagne11ragers (18) der Permanentmagnetkupp Lung vom Antrieb der Pumpe ist.
6. WeLLenLagerung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die konischen SitzfLächen (5, 6) der HüLse (1) und die mit diesen zusammenwirkenden konischen RingfLächensitze (7, 8) von WeLLe (2) und SpanneLement (9) gegenüber der WeLLenachse (&khgr;-&khgr;) mit einem KonuswinkeL (aLpha), von etwa 50 ausgebiLdet sind.
7. WeLLenLagerung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die HüLse (1) eine vergleichsweise kurze AchsLänge aufweist und diese Länge vorzugsweise gLeich oder kLeiner aLs ihr Außendurchmesser ist.
8. WeLLenLagerung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die konischen SitzfLächen (5, 6) der HüLse (1) so ausgerichtet sind, daß die Spitzen der von ihnen umschriebenen imaginären Konen gegen das Innere der HüLse (1) gerichtet sind und sich vorzugsweise an einem mit der Mittelachse (x-x) zusammenfa LL enden Punkt (21 ) berühren.
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9. We LL en L age rung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die konischen Sitzflächen (5, 6) der Hülse (1) so augebildet sind, (Fig. 1a), daß die Spitzen der von ihnen umschriebenen imaginären Konen von der Hülse (1) nach außen abgewandt sind.
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