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Zum
Beispiel für
das Befüllen
von Tankfahrzeugen werden Vorrichtungen benötigt, die das Kuppeln zweier
Fluidleitungsenden derart ermöglichen, dass
im ausgekuppelten Zustand beide Leitungsenden dicht abgeschlossen
sind und im eingekuppelten Zustand der Fluidübertritt zwischen den Leitungsenden
bei gleichzeitiger Dichtigkeit zur Umgebung hin freigegeben wird.
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Es
ist bekannt, solche Vorrichtungen mit Hilfe von Verschlüssen zu
konstruieren und zusätzlich
in beiden Leitungsenden Ventile vorzusehen, die im ausgekuppelten
Zustand den Austritt von Fluid aus den Leitungsenden verhindern
und im eingekuppelten Zustand einen Fluidstrom zwischen den Innenräumen der
Leitungsenden freigeben.
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Um
eine solche Vorrichtung mit verringerter Komplexität und geringeren
Bauraumansprüchen
zu konstruieren, schlägt
die
DE 100 19 526
A1 die Teilung eines Kugelhahns in zwei Hälften vor,
von denen eine dem ersten Leitungsende und die andere dem zweiten
Leitungsende zugeordnet ist und mit denen das jeweils zugeordnete
Leitungsende dicht abgesperrt werden kann. Beim Aneinanderfügen der Stirnflächen ergänzen sich
die Hahnhälften
zum vollständigen
Kugelhahn, welcher anschließend
verdreht werden kann, um den Fluidübertritt zwischen den Leitungsenden
bei gleichzeitiger Dichtigkeit zur Umgebung hin zu ermöglichen.
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Darüber hinaus
schlägt
oben genannte Schrift vor, die Teilungsflächen der Hahnhälften zum Beispiel
mit diametral gegenüberliegend
angeordneten Klauen und passenden Stegen so zu gestalten, dass die
Leitungsenden nach Verdrehen des Kugelhahns mit Freigabe eines Fluidübertritts
auch ohne zusätzlichen
Verschluss untrennbar miteinander verbunden sind und damit die Notwendigkeit
eines zusätzlichen,
die Kupplungsfunktion übernehmenden Maschinenelements
eliminieren.
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Diese
Konstruktion realisiert zwar Absperr- und Kupplungsfunktion im Wesentlichen
mit nur zwei Bauteilen, ist jedoch aufgrund der detailreichen Gestalt
der Bauteile hinsichtlich Abdichtbarkeit und Fertigbarkeit insgesamt
problematisch. Zusätzlich
begünstigt
die große
Zahl von nicht vermeidbaren Kanten und Absätzen in den Teilungsflächen die
Anhaftung von Verschmutzungen und verhindert gleichzeitig deren
einfache Entfernung, zum Beispiel durch Abwischen mit einem Lappen.
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Eine
Kupplung mit verbesserter Abdicht- und Fertigbarkeit sowie weiter
verringertem Bauraumbedarf vorzuschlagen ist Aufgabe der vorliegenden
Erfindung nach Anspruch 1.
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Zur
Lösung
der Aufgabe werden, wie in Patentanspruch 1 aufgeführt, in
beiden Fluidleitungsenden jeweils die Leitungsenden abperrende oder
freigebende Halbkugelabschnitte vorgesehen, die so um jeweils eine
feststehende Halbachse drehbar sind, dass die Halbachsen sich beim
Aneinanderfügen
der Leitungsenden zu einer Vollachse ergänzen und die Rotationsachsen
der Halbkugelabschnitte zusammenfallen, woraufhin die Halbkugelabschnitte
gemeinsam verdreht werden können,
was zu einer Freigabe des Fluidübertritts
zwischen den Leitungsenden führt
sowie gleichzeitig in dieser Stellung eine Trennung der Leitungsenden
formschlüssig
verhindert.
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Die
dadurch erzielten Vorteile ergeben sich zunächst aus der geometrischen
Einfachheit der Halbkugelabschnitte, die insbesondere zu einer einfachen
Fertigbarkeit und verbesserten Möglichkeiten der
Abdichtung sowohl im ausgekuppelten als auch im eingekuppelten Zustand
führt.
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Darüber hinaus
sinkt durch die Erfindung der Bauraumbedarf, da im Gegensatz zum
Kugelhahn die Absperrung und Freigabe des Fluidübertritts fast vollständig innerhalb
des Strömungsquerschnitts
der Fluidleitungen stattfindet.
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Patentanspruch
2 beinhaltet als vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung die komplementäre Gestaltung
der sich bei der Anordnung ergebenden Gesamtstirnflächen. Dies
bewirkt, dass nach dem Aneinanderfügen der Leitungsenden keine
Hohlräume zwischen
den Stirnflächen
bestehen bleiben, in denen sich vor dem Einkuppeln Umgebungsluft
oder vor dem Auskuppeln Fluid sammelt und beim Kuppelvorgang ausgetauscht
wird („leckarm"). Darüber hinaus
wird so sichergestellt, dass nach dem Aneinanderfügen der
Stirnflächen
keine Relativbewegung zwischen den Halbkugelabschnitten mehr möglich ist,
sondern nur noch eine gemeinsame Drehung um die zur Vollachse aneinandergefügten Halbachsen.
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Patentanspruch
3 schlägt
darüber
hinaus die Gestaltung der Gesamtstirnflächen als im Wesentlichen plane
Flächen
ohne Kanten und Absätze
vor, über
die keine anderen Teile des jeweiligen Leitungsendes hinausragen.
Mit dieser Ausgestaltung werden einerseits Verschmutzungen geringstmögliche Anhaftungsmöglichkeiten
geboten und andererseits eine einfache, schnelle und vollständige Entfernung von
Verschmutzungen durch einfaches Abwischen der Stirnfläche zum
Beispiel mit einem Reinigungstuch ermöglicht.
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Patentanspruch
4 schlägt
alternativ zu Patentanspruch 3 eine Gestaltung der Gesamtstirnflächen mit
Formelementen wie zum Beispiel Ausprägungen und Ausschnitten derart
vor, dass die Gesamtstirnflächen
der Fluidleitungsenden sich nur noch im Wesentlichen in der Position
aneinanderfügen
lassen, in der eine gemeinsame Verdrehung der Halbkugelabschnitte
möglich
ist. Die genaue Zahl, Form und Position der zentrierenden Formelemente ist
dabei unerheblich und kann den Anforderungen konkreter Anwendungen
angepasst werden.
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Patentanspruch
5 bezieht sich auf die Bedienung einer Kupplung nach Anspruch 1
und schlägt auf
oder in mindestens einer der Fluidleitungen eine vor dem Einkuppeln
von außen
zugängliche,
verschiebliche und/oder drehbare Hülse vor, die über ein Getriebe
mit dem jeweils zugeordneten Halbkugelabschnitt zwangsgekoppelt
ist. Eine solche Anordnung erlaubt eine Steuerung der Position der
Halbkugelabschnitte durch Einleitung einer Kraft in die Hülse, zum Beispiel
direkt von der Hand einer die Kupplung bedienenden Person, oder
indirekt durch Kraftbeaufschlagung der Hülse im Zuge einer Einkuppel-
oder Auskuppelbewegung.
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Patentanspruch
6 schlägt
zusätzlich
zu Anspruch 5 vor, die außenliegende
Hülse alternativ
oder zusätzlich
zu einer Gestaltung der Stirnflächen
nach Anspruch 4 zur Zentrierung der Fluidleitungsenden zueinander
bei Beginn eines Kuppelvorgangs zu nutzen. Dazu kann die Hülse entweder
bei abgesperrten Fluidleitungsenden über die Stirnflächen von
zugeordnetem Halbkugelabschnitt und Fluidleitungsende hinaus vorstehen,
oder aber sie wird zur Einleitung eines Kuppelvorgangs in diese
Stellung vorgeschoben. Alternativ kann eine vorstehende oder vorgeschobene
Hülse erst
durch eine Verdrehung die Zentrierung bewirken, indem bei der Verdrehung
Flächen der
Hülse so
auf Flächen
des jeweils anderen Fluidleitungsendes zum liegen kommen, dass eine
Zentrierung sichergestellt ist.
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Patentanspruch
7 schlägt
alternativ zu Anspruch 5 vor, die zur Steuerung der Position von
mindestens einem der Halbkugelabschnitte notwendigen Kräfte und
Momente nicht von außen über ein
Getriebe zum jeweiligen Halbkugelabschnitt zu übertragen, sondern die Kräfte und
Momente im Innenraum der jeweiligen Fluidleitung durch mindestens
einen Aktuator direkt zu erzeugen. Der Aktuator kann dabei von außen oder über den
statischen oder dynamischen Druck des in der Leitung befindlichen
Fluids mit Energie versorgt werden.
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Die
beigefügten 1 bis 3 zeigen
beispielhaft eine erfindungsgemäße Kupplung
in vorteilhafter Ausgestaltung laut den Ansprüchen 1 bis 3 und 5 als Schnittzeichnung.
Die Darstellung ist dabei abstrahiert und auf erfindungswesentliche
Teile beschränkt.
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1 zeigt
die Fluidleitungsenden voneinander getrennt und jeweils dicht abgesperrt.
In 2 sind die Leitungsenden an den Stirnflächen in
der Weise aneinandergefügt,
wie sie zum Einleiten eines Kuppelvorgangs notwendig ist, jedoch
ohne formschlüssige
Verbindung und Freigabe eines Fluidstroms. 3 schließlich zeigt
die Leitungsenden mit verdrehten Halbkugelabschnitten, also gekuppelt und
mit freigegebenem Fluidstrom.
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Die
zu verbindenden Fluidleitungen 1 und 2 weisen
einen im Wesentlichen kreisförmigen
Querschnitt auf, mit jeweils zugehörigen Stirnflächen bzw. Leitungsenden 1a und 2a.
Die Fluidleitungen 1, 2 sind mit ihnen jeweils
zugeordneten, im Wesentlichen Halbkugelabschnitten 3, 4 entspechenden Scheiben
dicht absperrbar, wobei Halbkugelabschnitt 3 der Fluidleitung 1 und
Halbkugelabschnitt 4 der Leitung 2 zugeordnet
ist. Die Halbkugelabschnitte 3, 4 weisen jeweils
durch den Kugelmittelpunkt verlaufende, plane Halbkugelschnittflächen 3a, 4a bzw.
Stirnflächen
auf. Halbkugelabschnitt 3 ist mit einer Halbachse 5,
die starr mit dem Fluidleitungsende 1a verbunden ist, drehbar
fixiert, Halbkugelabschnitt 4 ist mit der Halbachse 6 auf
gleiche Weise drehbar im Leitungsende 2a fixiert. Halbachse 5 weist
eine Stirnfläche 5a auf,
Halbachse 6 eine Stirnfläche 6a. Zur Steuerung
der Position der Halbkugelabschnitte relativ zu den Fluidleitungen 1, 2 wird
in 1 bis 3 folgende Kinematik vorgeschlagen
und unten beschrieben: Um die Fluidleitung 1 ist axial
verschieblich eine Hülse 7 angeordnet,
von deren Innenseite aus eine Ausprägung durch einen Ausschnitt 8 in
die Fluidleitung 1 hineinragt und dort mit einem Ende eines
Stabes 9 formschlüssig
verbunden ist, dessen gegenüberliegendes
Ende mit dem Halbkugelabschnitt 3 formschlüssig verbunden
ist. Die Stirnfläche 7a der
Hülse 7 ist
bezeichnet. Die Steuerung der Position der Halbkugelabschnitte kann
jedoch auch auf von diesem Ausführungsbeispiel
verschiedene Weise insbesondere hinsichtlich Konstruktion und Details
erfolgen.
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Wie 1 zeigt,
besitzen die Fluidleitungen 1, 2 in ihren Enden 1a, 2a jeweils
im Wesentlichen halbkugelförmige
Aussparungen, deren Radius im Wesentlichen dem des jeweils zugeordneten Halbkugelabschnitts
entspricht und in die die jeweils zugeordneten Halbkugelabschnitte 3, 4 so
eingelegt sind, dass die Halbkugelschnittflächen 3a, 4a mit
den Leitungsenden 1a, 2a jeweils eine im Wesentlichen
plane Fläche
bilden. Die Halbkugelabschnitte 3, 4 haben, wie
in 1 erkennbar, nicht exakt die Form von Halbkugelabschnitten,
sondern weisen in den Halbkugelschnittflächen 3a, 4a durch
den Kugelmittelpunkt verlaufende Nuten mit im Wesentlichen halbkreisförmigem Querschnitt
auf, in die jeweils die zugeordneten Halbachsen 5, 6 mit
im Wesentlichen gleichem Querschnitt eingelegt und starr mit den
jeweiligen Leitungsenden 1a, 2a verbunden sind.
Die Halbachsen 5, 6 sind dazu in ihrer Länge so bemessen,
dass sie beiderseits der Halbkugelabschnitte 3, 4 einen Überstand
aufweisen, der zu ihrer Befestigung in den jeweils zugeordneten
Fluidleitungsenden 1a, 2a herangezogen wird. Die
Befestigung kann jedoch auch auf andere Weise ohne die beschriebenen Überstände erfolgen,
ohne dass der Inhalt der Patentansprüche verlassen wird. Durch die
Fixierung der Halbkugelabschnitte 3, 4 in kugelförmigen Aussparungen
mit Halbachsen 5, 6 wird sichergestellt, dass die
Halbkugelabschnitte jeweils nur noch einen rotatorischen Freiheitsgrad
mit relativ zum jeweiligen Leitungsende festgelegter, hier nicht
explizit dargestellter Rotationsachse besitzen. Befinden sich die
Halbkugelabschnitte 3, 4 in der in 1 dargestellten
Position, sind die Leitungsenden 1a, 2a dicht
abgesperrt. Weiterhin ist in 1 die axial
verschieblich auf der Fluidleitung 1 gelagerte Hülse 7 erkennbar, die
an ihrer Innenseite eine durch den Ausschnitt 8 in den
Innenraum der Fluidleitung 1 hineinragende Ausprägung trägt. Über diese
Ausprägung
ist die Hülse 7 formschlüssig mit
einem Ende des Stabes 9 verbunden, dessen zweites Ende
ebenfalls formschlüssig mit
dem Halbkugelabschnitt 3 verbunden ist. Die Form des Ausschnitts 8 ist
hier so gewählt,
dass die Hülse 7 auf
der Leitung 1 nicht drehbar ist, zwischen Hülse 7 und
Halbkugelabschnitt 3 eine Zwangskopplung entsteht und die
aus Halbkugelabschnitt 3, Stab 9 und Hülse 7 gebildete
Getriebekette relativ zur Fluidleitung 1 insgesamt nur
einen Freiheitsgrad aufweist. Zusätzlich ist erkennbar, dass
die Stirnfläche 7a der
Hülse 7 in
der in 1 gezeigten Stellung des Halbkugelabschnitts 3 nicht über die
durch die Flächen 1a und 3a gebildete
Fläche
hinausragt und die bei dicht abgeschlossener Fluidleitung 1 exponierten Flächen 1a und 3a Verschmutzungen
nur geringe Anhaftungsmöglichkeiten
bieten sowie leicht reinigbar sind.
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Zum
Einleiten eines Kuppelvorgangs werden zunächst die Halbkugelschnittflächen 3a und 4a zusammen
mit den Fluidleitungsenden 1a, 2a aneinandergefügt wie gezeigt
in 2. Hier wird deutlich erkennbar, dass die Radien
der Halbkugelabschnitte 3, 4 und die der Halbachsen 5, 6 sich
jeweils im Wesentlichen entsprechen. Dadurch ergänzen die Halbachsen 5, 6 sich
in der in 2 gezeigten Position gegenseitig
zu einer Vollachse, die Halbkugelabschnitte 3, 4 sich
zu einem Vollkugelabschnitt und die halbkugelförmigen Aussparungen in den
Fluidleitungsenden 1a, 2a sich zu einem vollkugelförmigen Ausschnitt.
Erfindungsgemäß liegt
der geometrische Mittelpunkt dieses Kugelausschnitts dabei auf der geometrischen
Mittellinie der aus den Halbachsen 5, 6 gebildeten
Vollachse, was dazu führt
dass die aneinandergefügten
Halbkugelabschnitte 3, 4 gemeinsam in diesem Kugelausschnitt
um die aus den Halbachsen 5, 6 gebildete Vollachse
drehbar sind.
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Deutlich
erkennbar ist in 2 weiterhin, dass durch die plane,
komplementäre
Gestaltung der aus den Flächen 1a, 3a sowie 2a, 4a gebildeten
Gesamtstirnflächen
zwischen den Fluidleitungsenden in der in 2 gezeigten
Position keine Hohlräume
verbleiben. Des Weiteren zeigt 2 deutlich,
wie die Halbachsen 5, 6 sich in dieser Position
gegenseitig zu einer Vollachse ergänzen und die nicht explizit dargestellten
geometrischen Rotationsachsen der Halbkugelabschnitte 3, 4 in
dieser Vollachse so zusammenfallen, dass die Halbkugelabschnitte 3, 4 gemeinsam
verdreht werden können.
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In 3 ist
der Kuppelvorgang deutlich erkennbar dadurch vollzogen, dass die
Halbkugelabschnitte 3, 4 gemeinsam um die Halbachsen 5, 6 um 90° verdreht
sind. Die Steuerung dieser Drehung erfolgt von außen durch
Einleitung einer axialen, in Richtung des Fluidleitungsendes 1a gerichteten
Kraft in die verschieblich auf der Fluidleitung 1 gelagerte Hülse 7,
von der aus die Kraft durch den Ausschnitt 8 in der Fluidleitung 1 in
deren Innenraum auf ein Ende des Stabes 9 übertragen
wird und von diesem weiter auf einen sog. Kraftangriffspunkt auf
der Innenseite des Halbkugelabschnitts 3. Die Lage dieses
Kraftangriffspunkts ist so gewählt,
dass die Richtung der Kraft im Stab 9 nicht mit der Rotationsachse
des Halbkugelabschnitts 3 fluchtet, so dass bei Übertragung
einer Kraft mit dem Stab 9 ein Drehmoment um die Rotationsachse
des Halbkugelabschnitts 3 entsteht. Die genaue Positionierung
des Kraftangriffspunktes erlaubt dabei die Bereitstellung eines
erforderlichen Drehmoments am Halbkugelabschnitt 3 bei gegebener
Bedienkraft an der Hülse 7.
Eine Positionierung näher
an der Rotationsachse führt
zu geringerem Moment am Halbkugelabschnitt 3, aber auch geringerem
notwendigen Verschiebeweg der Hülse 7,
und andersherum. Die relative Lage von Ausschnitt 8 und
Kraftangriffspunkt sowie die Form von Ausschnitt 8 stellen
dabei sicher, dass Halbkugelabschnitt 3 aus der in 2 gezeigten
Stellung um in Wesentlichen 90° verdreht
werden kann. Bei Verdrehung des Halbkugelabschnitts 3 aus
der in 2 dargestellten Position der Fluidleitungsenden 1a, 2a zueinander
wird der Halbkugelabschnitt 4 ebenfalls zu einer Drehung
um die gemeinsame Rotationsachse gezwungen, so dass für den Halbkugelabschnitt 4 keine
eigene Steuerungskinematik notwendig ist. Eine solche kann jedoch
vorgesehen werden, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.
Zudem ist das in 1 bis 3 dargestellte
Getriebe nur als Vorschlag zu sehen, eine in Hülse 7 eingeleitete Kraft
kann auf vielfältige
Art und Weise auf den Halbkugelabschnitt 3 übertragen
werden. Alternativ kann, anstatt eine von außen eingeleitete Kraft mechanisch auf
den Halbkugelabschnitt 3 zu übertragen, in der Fluidleitung 1 ein
Aktuator vorgesehen werden, der von außen oder über den statischen oder dynamischen
Druck des in Fluidleitung 1 befindlichen Fluids mit Energie
versorgt wird und die zur Steuerung der Position des Halbkugelabschnitts 3 notwendigen
mechanischen Kräfte
und Momente direkt am Halbkugelabschnitt 3 erzeugt.
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Weiterhin
ist in 3 deutlich erkennbar, dass durch die Verdrehung
der Halbkugelabschnitte 3, 4 bis in die in 3 dargestellte
Position zwischen den Innenwänden
der Fluidleitungen 1, 2 und den jeweils nächsten Flächen der
Halbkugelabschnitte 3, 4 Zwischenräume entstehen
und die Halbkugelabschnitte 3, 4 die Fluidleitungsenden 1a, 2a nicht
mehr dicht abschließen,
sondern nun durch die entstandenen Zwischenräume hindurch ein Austausch
von Fluid zwischen den Innenräumen
der Fluidleitungen 1, 2 möglich wird.
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Wie
in 3 ebenfalls deutlich wird, sind die aneinandergefügten Stirnflächen 3a, 4a der
Halbkugelabschnitte 3, 4 nach Freigabe des Fluidübertritts zwischen
den Fluidleitungen 1, 2 zwangsläufig relativ zu
den aneinandergefügten
Stirnflächen 5a, 6a der Halbachsen 5, 6 verdreht.
Eine Trennung der Halbachsen-Stirnflächen 5a, 6a und
damit der Fluidleitungsenden 1a, 2a wäre bei der
in 3 dargestellten Lage der Halbkugelabschnitte 3, 4 geometrisch
nur möglich,
wenn die Halbkugelabschnitte 3, 4 von den ihnen
jeweils zugeordneten Halbachsen 5, 6 abgehoben
werden. Eine Trennung der Halbkugelabschnitte 3, 4 von
den ihnen jeweils zugeordneten Halbachsen 5, 6 wird
jedoch erfindungsgemäß in jeder
Stellung dadurch verhindert, dass die Halbkugelabschnitte 3, 4 in
hinsichtlich des Radius angepassten kugelförmigen Aussparungen in den
Fluidleitungsenden 1a, 2a liegen. Somit wird offensichtlich eine
Trennung der Fluidleitungen 1, 2 formschlüssig verhindert,
sobald die Halbkugelabschnitte 3, 4 aneinandergefügt und gemeinsam
verdreht werden.
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- 1,
2
- Fluidleitung
- 1a
- Leitungsende
bzw. Stirnfläche
der Fluidleitung 1
- 2a
- Leitungsende
bzw. Stirnfläche
der Fluidleitung 2
- 3
- Halbkugelabschnitt,
bzw. Scheibe
- 3a
- Stirnfläche, bzw.
Halbkugelschnittfläche
- 4
- Halbkugelabschnitt,
bzw. Scheibe
- 4a
- Stirnfläche, bzw.
Halbkugelschnittfläche
- 5
- Halbachse,
der Fluidleitung 1 zugeordnet
- 5a
- Stirnfläche der
Halbachse 5
- 6
- Halbachse,
der Fluidleitung 2 zugeordnet
- 6a
- Stirnfläche der
Halbachse 6
- 7
- Hülse
- 7a
- Stirnfläche der
Hülse 7
- 8
- Ausschnitt
- 9
- Stab