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Flügelzellen-Vakuumpumpe
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Die Erfindung betrifft eine Flügelzellen-Vakuumpumpe.
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Derartige Flügelzellen-Vakuumpumpen werden z.B. und bevorzugt verwandt
in Kraftfahrzeugen mit Dieselmotor oder Otto-Einspritzmotor zur Erzeugung eines
Unterdrucks oder Vakuums für den Bremskraftverstärker oder sonstige Servoantriebe.
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Diese Flügelzellen-Vakuumpumpen bestehen aus einem Gehäuse und einem
darin drehbar angetriebenen Rotor mit mehreren Schlitzen und darin beweglichen Flügeln.
Gehäuse und Rotor bilden sichelförmige Zwischenräume, die in Umfangsrichtung durch
die Flügel begrenzt werden. Das Volumen dieser Flügelzellen ändert sich bei Drehung
des Rotors laufend. Dabei werden die Flügelzellen durch die Flügel an den Gehäusedeckeln
und dem Gehäuseumfang abgedichtet.
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Die dichtende Anlage der Flügel an dem Gehäuseumfang wird bevorzugt
durch die auf die Flügel wirkenden Fliehkräfte bewerkstelligt.
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Beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs ist jedoch auch damit zu rechnen,
daß die Pumpe und das Schmieröl so kalt sind, daß die radiale Flügelbewegung durch
die hohe Viskosität des kalten Schmieröls gehemmt wird. Dies behindert das einwandfreie
Arbeiten der Vakuumpumpe und die Erzeugung eines Unterdrucks in der erforderlichen
Höhe.
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Aus diesem Grunde ist es bekannt, die Flügel auf ihrer Unterseite
mit die Rotorwelle durchstoßenden, miteinander fluchtenden Stiftpaaren auszurüsten.
Die Stifte sind so lang, daß solche Flügel, die in dem unteren Totpunkt oder Bereich
des unteren Totpunkts hängenbleiben,
durch die einfahrenden, gegenüberliegenden
Flügel formschlüssig in ausfahrende Bewegung versetzt werden.
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Es ist ferner durch die DE-OS 21 65 530 bekannt, beide Gehäusedeckel
mit ins Gehäuseinnere ragenden Abstützkurven zu versehen, die eine Zwangsführung
der Flügel darstellen.
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Bei größerer Flügelbreite, insbesondere bei Vakuumpumpen, neigen die
Flügel jedoch leicht zu einem Verkanten, da beide Abstützkurven praktisch niemals
gleichzeitig tragen.
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Im übrigen ist die bekannte Pumpe wegen der nicht umlaufenden Führungsbahnen
für die Flügel für unterschiedliche Drehrichtungen nicht geeignet.
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Es ist ferner bekannt, die Flügel durch Federkraft oder durch Drucköl
nach außen zu befördern. Dies bewirkt jedoch hohen Flügelverschleiß und hohen Reibverlust,
da insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der Aufbau eines dynamischen Schmierfilms
zwischen Flügelkopf und Gehäuseumfang verhindert wird.
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Schließlich ist aus der US-PS 1,666,466 bekannt, bei einer Flügelzellenpumpe
mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 die Flügel mit einer Abstützkurve,
die im Längsmittenbereich des Rotors von einem ortsfesten Träger gebildet und in
einer Ausdrehung des Rotors angeordnet ist, zwangsweise zu steuern und radial zu
führen. Bei der bekannten Ausführung der Pumpe ist jedoch insbesondere die fertigungstechnisch
sehr aufwendige Ausbildung der Flügel nachteilig. Ferner bedingt eine ständige Einspannung
der Flügel zwischen Abstützkurve und Gehäuseinnenwand einen hohen Verschleiß an
den Flügelköpfen und erfordert dazu eine hohe Fertigungsgenauigkeit bei der Herstellung
der zusammenwirkenden Bauteile.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung,
eine Flügelzellen-Vakuumpumpe der beschriebenen Art zu schaffen, bei der der Verschleiß
der Flügelköpfe verringert ist und die Flügel selbst eine geometrisch möglichst
einfache Form aufweisen.
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Durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebene Lösung wird
erreicht, daß die Flügel einen einfachen Aufbau mit der denkbar einfachsten Geometrie,
d.h. im wesentlichen rechteckige Plätten mit gerundeten Längsseiten, erhalten und
zwischen der Abstützkurve und der Innenwand des Gehäuseumfangs auf jedem Rotorradius
radiales Spiel haben. Hierdurch findet ein reiSschlüssiger Eingriff der Abstützkurve
nur statt, wenn die Flügel nicht selbsttätig ausfahren und an der Innenwand des
Gehäuseumfangs anliegen. Ein Verschleiß der Flügelköpfe wird im wesentlichen vermieden,
ebenfalls ein Verkanten der Flügel.
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Bevorzugt wird von der Möglichkeit Gebrauch gemacht, den Rotor auf
einer drehfesten, von einem Gehäusedekel in den Gehäuseinnenraum auskragenden Achse
zu lagern, wozu vorzugsweise ein Gleitlager dient. Zur Befestigung der Achse an
dem Gehäusedeckel besitzt dieser Gehäusedeckel einen Zapfen mit Bohrung, in welche
die Achse gepreßt wird und welche lang genug ist, um der Achse ausreichende Stabilität
zu geben. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ragt der als Lagerbuchse
für die Achse ausgebildete Zapfen in den Gehäuseinnenraum, und zwar innerhalb der
Abstützkurve. Der Zapfen hat bevorzugt auch die axiale Länge des Längsmittenbereichs
des Gehäuses, in welchem auch die Abstützkurve angeordnet ist. Ein einseitio gelagerter
Rotor kann direkt mit einer Antriebswelle gekuppelt werden, wozu er eine entsprechende
formschlüssige Kupplung, z.B. Verzahnung, Vielkant oder ähnliches besitzt. Der Kupplungsteil
des Rotors ragt hierzu aus dem zweiten,der Ausdrehung der Rotorstirnwand abgewandten
Gehäusedeckel heraus.
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In einer anderen Version. wird der Kupplungsteil des Rotors dadurch
gebildet, daß der Rotor eine konzentrische, ringförmige Ausdrehung über einen Teil
seiner axialen Länge derart besitzt, daß auf dieser Rotorstirnseite ein Zapfen entsteht,
welcher mit einer Außenverzahnung versehen wird.
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Bei dieser Ausführung gelingt es, der Flugelzellen-Vakuumpumpe eine
in axialer Richtung äußerst gedrungene Ausführung zu geben.
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Es sei bemerkt, daß die Flüoelzellen-Vakuumpumpe vorzugsweise mit
dem antriebsseitigen Gehäusedeckel an das Kurbelgehäuse des Kraftfahrzeugmotors
angeflanscht wird, so daß von dieser Kupplungsseite her auch die Ölzufuhr erfolgt.
Hierfür ist dieser Gehäusedeckel mit Taschen ausgerüstet, die in das Kurbelgehäuse
ragen und in Einbaulage nach oben offen sind und Spritzöl aus dem Kurbelgehäuse
sammeln. Die Gltaschen sind mit Öffnungen zum Pumpeninneren versehen. Diese öffnungen
befinden sich in dem radialen Bereich des Rotors, in welchem sich die inneren Enden
der in den Schlitzen geführten Flügel (Flügelfüße) radial nach außen und naoh innen
bewegen (Flügelfußräume). Zur Gewährleistung einer ununterbrochenen Schmierung des
Rotors und der Flügel erstrecken sic die öffnungen über einen möglichst weiten radialen
Bereich auf dem Umfang des Gehäusedeckels. Nach der Erfindung werden die Öffnungen
so dimensioniert, daß auch die Führung der Flügel durch die Gehäusedeckel sichergestellt
ist. Dies ist insbesondere in dem sogenannten ausfahrenden Umfangsbereich wichtig,
in welchem die Flügel sich radial nach außen bewegen und daher mit nur geringer
Anlagekraft am Gehäuseumfang anliegen. In diesem Bereich werden die Öleinlaßöffnungen
des Gehäusedeckels - in radialer Richtung gemessen - auf den radialen Bereich innerhalb
der Abstützkurve begrenzt.
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Die Erfindungsgemäße Flügelzellen-Vakuumpumpe kann ein kreiszylinderisches
Gehäuse haben, in welchem der Rotor exzentrisch gelagert ist. Bevorzugt ist jedoch
vorgesehen, daß das Gehäuse einen ovalen und insbesondere elliptischen Querschnitt
und der Rotor mehr als sechs Flügel hat. Hierdurch kann auch bei kleiner und - in
der Breite -gedrungener Bauweise ein großes Fördervolumen erreicht werden.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Figuren 1 bis 5 dargestellt.
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Fig. 1 und 3 zeigen einen Radialschnitt und Fig. 2 und 4 einen Normal
schnitt durch eine Flügelzellen-Vakuumpumpe. Fig. 5 zeigt den Radialschnitt einer
modifizierten Ausführung.
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Es sei bemerkt, daß es sich bei der Flügelzellen-Vakuumpumpe nach
Fig. 1 um einen Radialschnitt längs der Linie I-I der in Fig. 2 im Normalschnitt
gezeigten Flügelzellen-Vakuumpumpe mit einem Gehäuse in Form eines elliptischen
Zylinders handelt, während die mit Fig. 1 im wesentlichen identische Fig. 3 ein
Radialschnitt der in Fig. 4 gezeigten Flügelzellen-Vakuumpumpe ist, die ein kreiszylindrisches
Gehäuse hat, in welchem der Rotor mit der Exzentrizität e gelagert ist.
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Die Flügelzellen-Vakuumpumpe besteht aus einem zylindrischen Gehäuse
3, welches den Umfang der Flügelzellen begrenzt, und den beiden Gehäusedeckeln 1
und 2, welche die seitliche Begrenzung der Flügelzellen bilden. In dem Gehäuse ist
ein Rotor 4 drehbar gelagert auf einer drehfesten Achse 9. Die Achse 9 ist in dem
Gehäusedeckel 1
befestigt und kragt einseitig in den Gehäuseinnenraum
aus. Die Lagerung des Rotors auf der Achse geschieht vorzugsweise mittels Gleitlager
10. Der Rotor besitzt - wie insbesondere aus Fig. 2 und Fig. 4 ersichtlich -zahlreiche
radiale Schlitze 16, in welchen die Flügel 8 radial frei beweglich geführt sind.
Die Flügel und der Außenumfang des Rotors bilden in dem Gehäuse 3 Flügelzellen,
die bei Drehung des Rotors in Pfeilrichtung 24 ständig größer und kleiner werden.
Dadurch findet eine Pumpwirkung statt. Bei der sechszelligen Flügelzellen-Vakuumpumpe
mit im Querschnitt elliptischem Gehäuse nach Fig. 2 sind die beiden Auslässe 20
und die beiden Einlässe 19 jeweils kurz vor dem unteren und dem oberen Totpunkt
vorgesehen. Bei einer vierzelligen Flügelzellen-Vakuumpumpe mit kreiszylindrischem
Gehäuse und exzentrisch gelagertem Rotor nach Fig. 4 sind lediglich ein Auslaß und
ein Einlaß vorzusehen.
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Wie bereits erwähnt, sind die Flügel 8 in ihren Schlitzen frei beweglich.
Sie werden daher bei Drehung des Rotors durch Zentrifugalkraft gegen die Gehäusewandung
des Gehäuses 3 gedrückt. Das hat den Vorteil, daß bei geringer Drehzahl auch nur
eine geringe Anpreßkraft vorhanden ist und daher die dynamischen Kräfte auch bei
geringen Drehzahlen zum Aufbau eines dynamischen Schmierfilms zwischen den Flügelköpfen
und der Wandung des Gehäuses 3 ausreichen.
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Es kann nun aber zum einen vorkommen, daß die Flügelbewegung auch
schon durch geringfügige Verunreinigung behindert wird. Ebenso kann bei geringen
Temperaturen des Schmieröls dessen Viskosität so hoch sein, daß die Zentrifugalkräfte
nicht ausreichen, die Flügel aus ihrer unteren Totlage herauszuholen.
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Aus diesem Grunde wird der Rotor mit einer ringförmigen Ausdrehung
5 versehen, welche sich bis in den Längsmittenbereich des Rotors erstreckt und radial
innen die Nabe 7 und radial außen noch einen ausreichenden Dicht- und Führungsbereich
22 des Rotorumfangs stehenläßt. Der Außendurchmesser der Ausdrehung ist bei einem
im Querschnitt elliptischen Gehäuse wenig größer als die größte Hauptachse der weiter
unten beschriebenen Abstützkurve 13 (s. Fig. 2). Bei kreiszylindrischem Gehäuse
mit exzentrisch gelagertem Rotor nach Fig. 3 bis 4 ist der Außenradius der Ausdrehung
wenig größer als die Summe des Radius der Abstützkurve und der Exzentizität e (s.
Fig. 3). In diese Ausdrehung ragt der hohlzylindrische Träger 14, welcher Bestandteil
des Gehäusedeckels 1 ist. Am Ende dieses Trägers 14 sitzt die Abstützkurve 13, deren
Durchmesser in allen Radialebenen der Pumpe jedoch so klein ist, daß die Flügel
zwischen dem Umfang des Gehäuses 3 und der Abstützkurve 13 noch ausreichendes Spiel
haben. Es erfolgt also durch die Abstützkurve 13 im Normalbetrieb der Flügelzellen-Vakuumpumpe
keine Zwangsführung der Flügel. Andererseits ist der Radius der Abstützkurve 13
in allen Radialebenen so groß, daß die Flügel nicht in den Bereichen ihrer unteren
Totlage hängenbleiben können. Nur im Falle einer Störung der freien Flügelbewegung
erfolgt also eine Zwangsführung durch die Abstützkurve 13.
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Die Abstützkurve 13 ist so angebracht, daß sie die Flügel ungefähr
in ihrer Längsmitte unterstützt. Daher können sich die rechteckigen Flügel, die
an ihren Köpfen und Füßen vorzugsweise gerundet sind, nicht verkanten. Die Länge
der Flügel ist etwa doppelt so groß wie die Breite der Flügel 8.
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Der Rotor 4 besitzt einen Ansatz 6, mit dem er aus dem zweiten Gehäusedeckel
2 herausragt. Im Ansatz 6 befindet sich eine Kupplung 11. Es kann sich hierbei z.B.
um eine Verzahnung, einen Vierkant oder etwas ähnliches handeln.
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Alternativ ist es möglich, eine Außenverzahnung an dem Ansatz 6 vorzusehen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ragt eine Antriebswelle 12 mit der Gegenkupplung
in die Kupplung des Ansatzes 6, die hier als Sechskant ausgebildet ist.
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Die Flügelzellen-Vakuumpumpe ist mit ihrem Gehäusedeckel 2 an das
Kurbelgehäuse 23 eines Motors, der nicht weiter dargestellt ist, angeflanscht. In
diesem Kurbelgehäuse befindet sich Spritzöl und Ölnebel, welches in der lasche 18
gesammelt wird, die an dem Gehäusedeckel 2 mit in Einbaulage nach oben weisender
Öffnung befestigt ist.
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Die Tasche 18 ist über Öffnung 17 mit den Flügelfußräumen der Schlitze
16 im Rotor verbunden. Das von der Tasche aufgefangene öl dient also der Schmierung
der Flügel und des Rotors, sowie der Dichtung der Arbeitsräume.
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Erfindungsgemäß sind Maßnahmen vorgesehen, die sichere Führung der
Flügel trotz der Öffnungen 17 zu gewährleisten.
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Es wurde festgestellt, daß die Flügel, insbesondere in dem ausfahrenden
Bereich 21 (s. Fig. 2) des Gehäuseumfangs, eine sichere seitliche Führung brauchen.
In diesem Bereich liegen nämlich die Flügel mit nur geringer Kraft an der Wandung
des Gehäuses 3 an, so daß eine Führung von dorther nicht sicher gegeben ist.
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In Fig. 2 ist die Umfangserstreckung und die radiale Erstreckung der
Öffnungen 17 schraffiert deutlich angezeigt, obwohl sie nicht in der in Fig. 1 gezeigten
Zeichnunqsebene
II-II liegen. Es ergibt sich insbesondere aus Fig.
2: Um bei Drehrichtung 24 auch in dem Bereich 21 des Gehäuses die seitliche Führung
der ausfahrenden Flügel 8 zu gewährleisten, erstrecken sich die Öffnungen 17 in
diesen Bereichen 21 des Gehäuseumfangs lediglich innerhalb der Abstützkurve 13,
und zwar vorzugsweise zwischen dem Hüllkreis, welcher den Fußraum bzw. den Grund
15 der Schlitze 16 einhüllt, und der Abstützkurve, wobei hier von der radialen Erstreckung
der Öffnungen 17 die Rede ist. Hierdurch wird einerseits gewährleistet, daß die
Öffnungen 17 die sichere Führung der Flügel nicht gefährden.
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Zum anderen bleibt aber auch eine ausreichende Öl zufuhr gewährleistet.
Im Bereich 22 der einfahrenden Flügel ist eine sichere Führung durch den Umfang
des Gehäuses 3 gegeben. Hier können die Öffnungen beliebig, das heißt nach den sonstigen
konstruktiven Gegebenheiten gestaltet werden. Eine ausreichende Schmierung wird
gewährleistet, wenn sich die öffnungen vom Grund 15 der Schlitze 16 bis nahezu zum
äußeren Umfang des Rotors 4 erstrecken.
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Dabei muß jedoch berücksichtigt werden, daß die Stirnseiten des Rotors
auch der Abdichtung dienen und daß daher die notwendige radiale Abdichtbreite 29
der Rotorstirnfläche zwischen dem Außenumfang des Rotors und der Öleinlaßöffnung
erhalten bleiben muß. Wie groß diese Abdichtbreite 29 sein muß, hängt unter anderem
auch von den betrieblichen Gegebenheiten, insbesondere Druckverhältnissen in der
Pumpe ab.
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Für die Pumpe nach den Figuren 3 und 4 gilt die vorausgehende Beschreibuno
in analoger Weise.
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Die in Fig. 5 im Radialschnitt gezeigte Flügelzellen-Vakuumpumpe entspricht
im wesentlichen der Ausführung nach den Fig. 1 und 2 bzw. den Fig. 3 und 4. Es werden
daher
für funktionell gleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet. Auf die Beschreibung
zu Fig. 1 bis Fig. 4 wird Bezug genommen. Die Abwandlung. besteht zum einen darin,
daß der Rotor 4 axial nicht aus dem Gehäuse 3 herausragt. Hierzu besitzt der Rotor
auf seiner Kupplungsseite eine ringförmige Ausdrehung 26, durch welche ein Zapfen
25 entsteht. Der Zapfen 25 ist außen mit einer Verzahnung 30 versehen. Der radiale
Abstand der Zahnköpfe zu den Flügelfüßen bzw. dem Grund 15 der Schlitze ist ausreichend
groß, um das Ubergreifen eines Kupplungsgegenstücks 28 zu gestatten.
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Die drehfeste Achse 9 ist in einem Zapfen 27 befestigt, welcher sich
an dem Gehäusedeckel 1 exzentrisch zum Träger 14 für die Abstützkurve 13 befindet.
Dieser Zapfen erstreckt sich bis in den Bereich der Abstützkurve 13 und liegt innerhalb
derselben. Es wird bei dieser Ausführung gewährleistet, daß auch der Kupplungsbereich
des Rotors noch für die Lagerung des Rotors zur Verfügung steht.
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Dadurch kann die axiale Er streckung der Lagerung des Rotors begrenzt
werden auf den Bereich von dem Gehäusedeckel 2 bis zu der Abstützkurve 13. Die verbleibende
axiale Länge steht für den Befestigungszapfen 27 zur Verfügung. Die Pumpe besitzt
daher keine Teile, welche über die Kontur des Gehäuses, welche durch den rechteckigen
Radialschnitt des Gehäuse innenraum vorgegeben ist, wesentlich hinausragen.
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BEZUGSZEICHENAUFSTELLUNG 1 Gehäusedeckel 2 Gehäusedeckel 3 Gehäuse
4 Rotor 5 Ausdrehung 6 Ansatz 7 Nabe 8 Flügel 9 Achse 10 Gleitlagerung 11 Kupplung,
Vielkant 12 Antriebswelle 13 Abstützkurve 14 Träger 15 Fußraum, Grund der Schlitze
16 Schlitz 17 öleinlaßöffnung 18 Öltasche 19 Einlaß 20 Auslaß 21 ausfahrender Bereich
22 einfahrender Bereich 23 Kurbelgehäuse 24 Drehrichtung 25 zapfenförmiger Rotorbereich
26 ringförmige Ausdrehung 27 Lagerbuchse, Befestigungszapfen 28 Kupplungsstück 29
DiCht und Führungsbereich des Rotors 30 Verzahnung
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