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Die Erfindung betrifft eine Betätigungseinrichtung für ein in einem Abgas-Anströmpfad einer Abgasturbolader-Turbine eines Verbrennungsmotors angeordnetes Abgasstrom-Steuerelement.
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Um bei einem mittels eines Abgasturboladers aufgeladenen Verbrennungsmotor bei großen Abgasvolumenströmen (pro Zeiteinheit) einen zu großen Druck im Turbinenbereich des Turboladers zu vermeiden, wird der Abgas-Anströmpfad der Turbine des Abgasturboladers mit einem Abgasstrom-Steuerelement in Form einer sogenannten Wastegate-Klappe versehen, um den Abgasstrom teilweise oder sogar ganz an der Turbine vorbei zu leiten. Außer der Wastegate-Klappe eines einstufigen Ladersystems kann es sich bei dem vorgenannten Abgasstrom-Steuerelement aber auch um eine Regelklappe für die zweite und/oder jede weitere Stufe eines mehrstufigen Ladersystems handeln. Bei einem Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG) kann im Abgas-Anströmpfad der Turbine ein verschwenkbares Strömungsleitelement vorgesehen werden. Unter dem vorgenannten Abgasstrom-Steuerelement ist deshalb eine Wastegate-Klappe, eine Regelklappe oder ein solches Strömungsleitelement zu verstehen.
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Üblicherweise wird das Abgasstrom-Steuerelement mit Hilfe einer mit dem Steuerelement verbundenen Spindel verstellt, die sich durch einen eine Wandung eines Turbinengehäuses durchquerenden Kanal hindurch erstreckt, in Letzterem verdrehbar gelagert sowie mit einem auf der Außenseite des Turbinengehäuses befindlichen und dem Gehäuse benachbarten Stellelement fest verbunden ist; bei Letzterem handelt es sich üblicherweise um einen um die Spindelachse verschwenkbaren Arm oder Hebel, welcher z.B. durch einen pneumatischen Aktuator betätigt wird.
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Bei einer solchen Betätigungseinrichtung ist die Abdichtung der Durchführung der Spindel durch die Wandung des Turbinengehäuses problematisch, da im Abgas-Anströmpfad der Abgasturbolader-Turbine die Abgase unter einem hohen Druck stehen. Wird diese Durchführung überhaupt nicht abgedichtet, wie dies bei einem Teil der bekannten derartigen Betätigungseinrichtungen der Fall ist, führt dies dazu, dass je nach Betriebszustand des Motors ein mehr oder minder großer Teil und zeitweise sogar ein sehr großer Teil der in das Turbinengehäuse einströmenden Abgase als Leckagestrom aus dem Turbinengehäuse austritt, was nicht nur aus Emissionsgründen nachteilig ist, sondern auch eine Leistungseinbuße des Turboladers zur Folge hat.
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Deshalb wurde bei bekannten Betätigungseinrichtungen der geschilderten Art die Durchführung der Spindel durch die Wandung des Turbinengehäuses mittels Kolbenring-ähnlichen Dichtungen abgedichtet, was eine verhältnismäßig aufwendige und deshalb verhältnismäßig teure Maßnahme darstellt.
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Aus der
US 7,644,583 B2 (
5 und
6) ergibt sich eine andere Abdichtung für die Durchführung der Spindel durch die Wandung des Turbinengehäuses. Bei dieser bekannten Konstruktion ist die Spindel in einer im Turbinengehäuse festgelegten Buchse verdrehbar gelagert, wobei der Spalt zwischen dem Außenumfang der Spindel und dem Innenumfang der Buchse mittels einer im Querschnitt konischen Tellerfeder abgedichtet wird, welche eine zentrale Öffnung für den Durchtritt der Spindel besitzt, zwischen einer Stirnfläche der Buchse und einer Stirnfläche eines Stellelement-festen Widerlagers unter axialer Vorspannung eingespannt ist, mit ihrer radial äußeren Umfangskante gegen die Stirnfläche der Buchse und mit ihrer radial inneren Umfangskante gegen die Stirnfläche des Stellelement-festen Widerlagers federnd anliegt. Das Grundprinzip einer solchen Tellerfeder hat zur Folge, dass diese an ihrem Außenumfang und am Rand ihrer zentralen Öffnung starre Randkanten besitzt, die zu dem Risiko führen, dass, wenn der abzudichtende Bereich im Betrieb des Turboladers den heißen Abgasen ausgesetzt ist, diese starren Randkanten nicht überall effektiv abdichtend gegen die benachbarten Dichtflächen anliegen, das heißt die Stirnfläche der Buchse und die Stirnfläche des Stellelement-festen Widerlagers.
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Weitere axiale Abdichtungen im Bereich zwischen einer die Spindel lagernden Buchse und dem Stellelement ergeben sich aus der
DE 10 2009 030 520 A1 (
2 und
3). Bei einer ersten Ausführungsform (
2) ist ein Blechring vorgesehen, der eine ungefähr topfförmige Gestalt mit einer von der Spindel durchsetzten zentralen Öffnung und einem kreiszylindrischen Außenumfangsbereich besitzt, welcher ebenso wie ein kreiszylindrischer Außenumfangsbereich eines an das Stellelement angeformten und der Buchse zugewandten Bundes koaxial mit der Spindelachse gestaltet ist. Der federnde Boden des topfförmigen Blechrings ist mit einer zur Spindelachse konzentrisch verlaufenden Halbsicke versehen, zwischen welcher und der zentralen Öffnung des Blechrings dessen Boden eine kreisringförmige Abdichtzone bildet, welche ebenso wie eine kreisringförmige Widerlagerfläche an der Stirnseite der Buchse in einer zur Spindelachse senkrechten Ebene liegt und flächig sowie in Richtung der Spindelachse federnd gegen die Widerlagerfläche der Buchse anliegt. Der Außenumfangsbereich des Blechrings soll mit dem Außenumfangsbereich des Stellelementbundes eine Dichtstelle bilden und mit diesem Bund verschweißt oder in anderer Weise fest verbunden sein. Da die zweite Dichtstelle, nämlich die die zentrale Öffnung des Blechrings umgebende, radial innerhalb der Halbsicke liegende kreisringförmige Abdichtzone des Blechrings und die für diese an der Buchsenstirnseite vorgesehene kreisringförmige Widerlagerfläche vom Spindelumfang beabstandet sind, muss der Außenumfangsbereich des Blechrings so mit dem Bund des Stellelements verbunden sein, dass dort auch im Betrieb des Turboladers dauerhaft zuverlässig gegen einen Durchtritt der heißen Abgase abgedichtet wird, was in der Praxis bedeuten dürfte, dass für die Verbindung eine in sich geschlossene kreisringförmige und überall dauerhaft gasdichte Schweißnaht erforderlich ist, was die Anbringung des Blechrings verhältnismäßig aufwendig macht und die Herstellkosten der Einrichtung erhöht.
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Die zweite der beiden sich aus der
DE 10 2009 030 520 A1 ergebenden Ausführungsformen (
3) unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform nur dadurch, dass die Dichtung aus zwei jeweils topfförmigen Blechringen besteht, von denen der eine, dem Stellelement zugewandte Blechring in den anderen, der Buchse zugewandten Blechring eingesetzt ist und eine Halbsicke aufweist, welche im Vergleich zur Halbsicke des der Buchse zugekehrten Blechrings in bezüglich der Spindelachse entgegengesetzter Richtung vorspringt, so dass die beiden Innenumfangsbereiche der beiden Blechringe zwischen sich einen Spalt einschließen, der in Richtung zum Spindelumfang offen ist und sich in bezüglich der Spindelachse radialer Richtung nach außen verjüngt. Eine kreisringförmige Abdichtzone zwischen der zentralen Öffnung und der Halbsicke des dem Stellelement zugekehrten Blechrings liegt flächig und in Richtung der Spindelachse federnd gegen eine Widerlagerfläche des Stellelementbundes an, welche in einer zur Spindelachse senkrechten Ebene liegt, die Spindel kreisringförmig umschließt und vom Spindelumfang beabstandet ist. Damit diese bekannte Konstruktion ihre Abdichtfunktion erfüllen kann, ist es erforderlich, dass zumindest die beiden Außenumfangsbereiche der beiden ineinandergesetzten topfförmigen Blechringe ringsum überall gasdicht miteinander verbunden sind, damit aus dem Ringspalt zwischen dem Außenumfang der Spindel und dem Innenumfang der Buchse austretende heiße Abgase nicht zu einer Gasleckage der Einrichtung führen. Diese zweite Ausführungsform hat also einen vergleichbaren Nachteil wie die vorstehend beschriebene erste Ausführungsform, und außerdem sei der Vollständigkeit halber noch erwähnt, dass die Böden der beiden topfförmig gestalteten Blechringe radial außerhalb ihrer Halbsicken unmittelbar gegeneinander anliegen.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, für eine Betätigungseinrichtung der eingangs erwähnten Art eine Abdichtvorrichtung für den Bereich zwischen einer das Abgasstrom-Steuerelement bewegenden Spindel bzw. einem die Spindel haltenden Turbinengehäuse und einem der Spindelbetätigung dienenden und mit der Spindel verbundenen Steuerelement zu schaffen, welche hinsichtlich ihrer Herstellung und Montage einfacher und kostengünstiger ist als die sich aus der
DE 10 2009 030 520 A1 ergebenden und vorstehend beschriebenen Abdichtvorrichtungen.
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Ausgehend von einer Konstruktion, wie sie sich aus er
DE 10 2009 030 520 A1 in Verbindung mit deren
2 ergibt, das heißt von einer Betätigungseinrichtung für ein in einem Abgas-Anströmpfad einer Abgasturbolader-Turbine eines Verbrennungsmotors angeordnetes Abgasstrom-Steuerelement, welche eine mit dem Steuerelement verbundene Spindel aufweist, die sich durch einen eine Wandung eines Turbinengehäuses durchquerenden Kanal hindurch erstreckt, in Letzterem verdrehbar gelagert sowie mit einem auf der Außenseite des Turbinengehäuses befindlichen und dem Gehäuse benachbarten Stellelement fest verbunden ist, wobei zwischen einer Stellelement-festen ersten Widerlagerfläche und einer auf der Außenseite des Turbinengehäuses befindlichen, Turbinengehäuse-festen sowie dem Stellelement zugewandten zweiten Widerlagerfläche eine von der Spindel durchsetzte Dichtung angeordnet ist und die beiden Widerlagerflächen jeweils eine von der Spindelachse durchsetzte, als Dichtstelle fungierende Anlagefläche bilden, die Spindelachse umschließende Abdichtzonen der Dichtung abdichtend mit diesen Anlageflächen zusammenwirken und die Dichtung nur einen einzigen, die Spindelachse umschließenden und in Richtung der Spindelachse federnden Blechring besitzt, welcher mindestens eine die Spindelachse umschließende, eine Halbsicke bildende derartige Abkröpfung aufweist, dass in bezüglich der Spindelachse radialer Richtung zu beiden Seiten der Abkröpfung liegende ringförmige Bereiche des Blechrings in Richtung der Spindelachse gegeneinander versetzt sind, wird zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagen, die Abdichtvorrichtung so zu gestalten, dass die erste Widerlagerfläche dem Turbinengehäuse zugewandt und die Spindel gasdicht mit dem Stellelement verbunden ist, die beiden Anlageflächen in Richtung der Spindelachse einander zugewandt, jedoch in bezüglich der Spindelachse radialer Richtung gegeneinander versetzt sind, die von den ringförmigen Blechringbereichen gebildeten Abdichtzonen der Dichtung in Richtung der Spindelachse federnd gegen die Widerlagerflächen/Anlageflächen anliegen und die beiden Widerlagerflächen/Anlageflächen zusammen mit der Dichtung und zumindest der Spindel einen Raum bilden und begrenzen, welcher bis auf mindestens einen Spalt zwischen der Spindel und der Wandung des Turbinengehäuses gasdicht verschlossen ist; damit die von den ringförmigen Blechringbereichen gebildeten Abdichtzonen der Dichtung stets zuverlässig federnd und abdichtend gegen die Widerlagerflächen anliegen, wird der Blechring aus einem Metall gebildet, das bei Betriebstemperaturen der Dichtung (in der Regel mindestens ca. 500 °C und kleiner als ca. 650 °C) Federstahl-ähnliche Federeigenschaften besitzt (welche also ungefähr den Federeigenschaften eines klassischen Federstahlblechs entsprechen, das bei den hier in Rede stehenden hohen Betriebstemperaturen jedoch keine Federeigenschaften mehr hat). Bevorzugt werden Ausführungsformen, bei denen der Blechring von einem Blech aus einer Nickelbasislegierung gebildet wird, welches zur Erzielung der erforderlichen Federeigenschaften einer Wärmebehandlung unterzogen und dadurch gehärtet wurde. Als Alternative kämen beispielsweise auch Kobaltbasislegierungen in Betracht, welche jedoch wesentlich teurer als Nickelbasislegierungen sind. Dabei bildet der Blechring bei entsprechender Gestaltung der mindestens einen Halbsicke bzw. Abkröpfung (es könnten auch zwei Halbsicken vorgesehen sein, welche zusammen eine Vollsicke bilden) am Übergang der Abkröpfung bzw. Sicke in die benachbarten ringförmigen Bereiche des Blechrings bevorzugt jeweils eine Dichtlinie mit hoher (auf die Fläche der Dichtlinie bezogener) Pressung zwischen dem Blechring und den beiden Anlageflächen/Widerlagerflächen, nämlich mit den sogenannten Sickenfüßen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die beiden Abdichtzonen der Dichtung bzw. des Blechrings nur mit diesen Dichtlinien abdichtend gegen die Anlageflächen/Widerlagerflächen anliegen.
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An der Bildung und Begrenzung des vorstehend erwähnten, abzudichtenden Raums kann je nach der Detailgestaltung der erfindungsgemäßen Abdichtvorrichtung auch noch das Stellelement oder ein an diesem vorgesehenes Teil mitwirken.
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Die Erfindung führt zu den Vorteilen, dass die von nur einem einzigen Blechring gebildete Dichtung sehr einfach gestaltet ist sowie hergestellt und montiert werden kann und dass der Blechring in Richtung der Spindelachse mit axialer Vorspannung gegen die beiden Anlageflächen/Widerlagerflächen ringsum zuverlässig abdichtend gegen die Anlageflächen/Widerlagerflächen anliegt, so dass auf die gasdichte Schweißverbindung der bekannten Konstruktion verzichtet werden kann und die geschilderte Problematik einer Tellerfeder vermieden wird.
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Besonders bevorzugt werden Ausführungsformen, bei denen der Blechring nur eine einzige Abkröpfung und damit nur eine Halbsicke aufweist, da der Blechring dann in Richtung der Spindelachse einen verhältnismäßig großen Federweg bei verhältnismäßig geringer Federhärte der Sicke aufweist; ist der Blechring wie vorstehend beschrieben dann so gestaltet, dass er im eingebauten Zustand Dichtlinien mit hoher spezifischer Flächenpressung bildet, ergibt sich im Vergleich zu einer nur flächigen Anlage eine noch zuverlässigere dauerhafte Abdichtung.
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Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung ist die Spindel in einer die Turbinengehäusewandung durchquerenden und in Letzterer festgelegten Buchse verdrehbar gelagert, wobei Ausführungsformen bevorzugt werde, bei denen die Buchse gasdicht an die Wandung des Turbinengehäuses angrenzt. Bei Ausführungsformen mit einer Buchse kann die Turbinengehäuse-feste Widerlagerfläche/Anlagefläche an der Buchse vorgesehen sein, und zwar bevorzugt an der dem Stellelement zugewandten Stirnfläche der Buchse, die Turbinengehäuse-feste Widerlagerfläche/Anlagefläche kann aber auch am Turbinengehäuse selbst ausgebildet sein – im letztgenannten Fall muss der Spalt zwischen dem Außenumfang der Buchse und dem Turbinengehäuse nicht unbedingt gasdicht sein.
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Eine besonders einfache Konstruktion ergibt sich dann, wenn die Stellelementfeste Widerlagerfläche am Stellelement selbst ausgebildet ist.
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Die Widerlagerflächen könnten grundsätzlich (bezüglich der Spindelachse) konisch oder abgestuft gestaltet sein – die Abdichtzonen des Blechrings müssen dann entsprechend geformt werden –, einfacher und deshalb zu bevorzugen ist es jedoch, wenn die Widerlagerflächen im Schnitt längs der Spindelachse (und um die Spindelachse herum) eben und glatt ausgebildet sind sowie bevorzugt senkrecht zur Spindelachse verlaufen.
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Besonders gute Eigenschaften des Blechrings hinsichtlich seines axialen Federwegs und seiner axialen Federsteife lassen sich dadurch erreichen, dass man seine Halbsicke so gestaltet, dass das Verhältnis der in Richtung der Spindelachse gemessenen Höhe der Abkröpfung zu der in bezüglich der Spindelachse radialer Richtung gemessenen Breite der Abkröpfung zwischen 1:2 und 1:7, vorzugsweise zwischen 1:4 und 1:6 und insbesondere ca. 1:5 beträgt.
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Im Hinblick auf die Einflüsse (hohe Temperaturen und heiße Abgase), denen die Dichtung der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung im Betrieb unterworfen ist, empfiehlt es sich, den Blechring mindestens im Bereich seiner Abdichtzonen mit einer die Gleitreibung und/oder den Reibverschleiß vermindernden Beschichtung zu versehen, bei der es sich insbesondere um eine Beschichtung handelt, die zumindest im Wesentlichen aus Bohrnitrid oder Sinterbronze besteht.
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Bei Betätigungseinrichtungen mit einer die Spindel lagernden Buchse kann der für Abdichtzwecke auf der Buchsenstirnseite zur Verfügung stehende Platz sehr gering sein, so dass es zu bevorzugen ist, mit der Dichtung nicht an der Buchse, sondern am Turbinengehäuse abzudichten; wenn dann der axiale Abstand der am Turbinengehäuse vorgesehenen und mit der Dichtung zusammenwirkenden Dichtfläche vom Stellelement und/oder die axialen Toleranzen der Konstruktion groß sind, kann eine Abdichtung mit nur einer einzigen Blechscheibe deshalb problematisch sein, weil dann wegen der üblicherweise auch in bezüglich der Spindelachse radialer Richtung beengten Platzverhältnisse die Halbsicke des Blechrings sehr steil bzw. die Abkröpfung in axialer Richtung verhältnismäßig groß sein muss, was zu einer unerwünscht großen Federsteife des Blechrings führen kann.
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Deshalb wird für einen solchen Fall vorgeschlagen, das Grundprinzip der Erfindung so zu modifizieren, dass die Dichtung zwei die Spindelachse umschließende und erfindungsgemäß gestaltete Blechringe besitzt, die zwar in Richtung der Spindelachse einander benachbart sind, zwischen denen jedoch ein ringförmiges Distanzelement angeordnet ist, mit dem die Blechringe abdichtend zusammenwirken. Durch die Verwendung von Distanzelementen unterschiedlicher Dicke lassen sich dann auch unterschiedliche axiale Abstände mit der Dichtung überbrücken, ohne dass unterschiedliche Blechringe benötigt werden.
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Ausgehend von der sich aus
3 der
DE 10 2009 030 520 A1 ergebenden Konstruktion, das heißt von einer Betätigungseinrichtung für ein in einem Abgas-Anströmpfad einer Abgasturbolader-Turbine eines Verbrennungsmotors angeordnetes Abgasstrom-Steuerelement, welche eine mit dem Steuerelement verbundene Spindel aufweist, die sich durch einen eine Wandung eines Turbinengehäuses durchquerenden Kanal hindurcherstreckt, in letzterem verdrehbar gelagert sowie mit einem auf der Außenseite des Turbinengehäuses befindlichen und dem Gehäuse benachbarten Stellelement fest verbunden ist, wobei zwischen einer Stellelement-festen ersten Widerlagerfläche und einer auf der Außenseite des Turbinengehäuses befindlichen, Turbinengehäuse-festen sowie dem Stellelement zugewandten zweiten Widerlagerfläche eine von der Spindel durchsetzte Dichtung angeordnet ist und die beiden Widerlagerflächen jeweils eine von der Spindelachse durchsetzte, als Dichtstelle fungierende Anlagefläche bilden, die Spindelachse umschließende Abdichtzonen der Dichtung abdichtend mit diesen Anlageflächen zusammenwirken und die Dichtung zwei die Spindelachse umschließende Blechringe besitzt, von denen jeder eine die Spindelachse umschließende, eine Halbsicke bildende derartige Abkröpfung aufweist, dass in bezüglich der Spindelachse radialer Richtung zu beiden Seiten der Abkröpfung liegende ringförmige Bereiche des Blechrings in Richtung der Spindelachse gegeneinander versetzt sind, lässt sich die gestellte Aufgabe dann erfindungsgemäß dadurch lösen, dass die Stellelement-feste erste Widerlagerfläche/Anlagefläche dem Turbinengehäuse zugewandt, die Turbinengehäuse-feste zweite Widerlagerfläche/Anlagefläche am Turbinengehäuse ausgebildet und die Spindel gasdicht mit dem Stellelement verbunden ist, dass die beiden Widerlagerflächen/Anlageflächen in Richtung der Spindelachse einander zugewandt sind, dass die Dichtung zwischen den beiden Blechringen ein ringförmiges Distanzelement aufweist, mit dem die Blechringe mit ersten ihrer ringförmigen Bereiche, welche in bezüglich der Spindelachse radialer Richtung auf einer Seite der Abkröpfungen der Blechringe liegen, abdichtend zusammenwirken, dass die anderen, zweiten ringförmigen Bereiche der Blechringe federnd gegen die Widerlagerflächen/ Anlageflächen anliegen und dass die beiden Widerlagerflächen/Anlageflächen zusammen mit der Dichtung und zumindest der Spindel einen Raum bilden und begrenzen, welcher bis auf mindestens einen Spalt zwischen der Spindel und der Wandung des Turbinengehäuses gasdicht verschlossen ist.
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Im Übrigen gilt für diese Modifikation dasjenige, was für eine erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung mit nur einem einzigen Blechring vorstehend beschrieben wurde.
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Schon aus Gründen einer möglichst einfachen Montage wird man üblicherweise die Blechringe und das Distanzelement miteinander verbinden; dies kann durch Punktschweißen erfolgen, da die Blechringe aufgrund ihrer Abkröpfungen auch mit dem Distanzelement abdichtend zusammenwirken, so dass es keiner gasdichten kreisringförmigen Schweißnähte bedarf. Die beiden Blechringe und das Distanzelement könnten aber auch auf andere Weise mechanisch miteinander verbunden werden, insbesondere dadurch, dass ein Randbereich des einen Blechrings so umgebördelt wird, dass der umgebördelte Bereich das Distanzelement und den anderen Blechring übergreift und so die drei Teile zusammenhält.
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Bevorzugte Ausführungsformen der erwähnten Modifikation der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung zeichnen sich dadurch aus, dass sich die mit dem Turbinengehäuse und der Stellelement-festen Widerlagerfläche zusammenwirkenden Abdichtzonen der Dichtung in denjenigen Bereichen der Blechringe befinden, welche in Richtung der Spindelachse aufgrund der Abkröpfungen einen vergrößerten Abstand voneinander aufweisen. Die mit dem Turbinengehäuse und der Stellelement-festen Widerlagerfläche zusammenwirkenden Abdichtzonen der beiden Blechringe grenzen bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung an die zentralen Öffnungen der Blechringe an, im Querschnitt könnte sich die Dichtung aber auch in radialer Richtung nach außen öffnen, so dass die beiden in Rede stehenden Abdichtzonen an den Außenumfang der Blechringe angrenzen.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung hat der Blechring bzw. mindestens einer der Blechringe am Rande seiner von der Spindel durchquerten Öffnung in Richtung auf die Spindelachse vorspringende Zentrierelemente, um die Dichtung bezüglich der Spindelachse zu zentrieren. Da gewisse Toleranzen hinsichtlich der Zentrierung des Blechrings bzw. der Blechringe bezüglich der Spindel bzw. der Buchse akzeptabel sind, müssen die Zentrierelemente nicht unbedingt gegen den Spindel- bzw. Buchsenumfang anliegen sondern können die Spindel bzw. Buchse mit einem gewissen radialen Spiel zwischen sich aufnehmen. Bevorzugt werden jedoch Ausführungsformen, bei denen die Zentrierelemente von in Richtung der Spindelachse flexiblen Vorsprüngen gebildet werden, welche federnd gegen den Spindel- bzw. den Buchsenumfang anliegen. Die Zentrierelemente können die Form kleiner abgerundeter Nasen haben, welche schon beim Ausstanzen des Blechrings bzw. der Blechringe erzeugt werden. Bei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung mit zwei Blechringen ist es im Übrigen ausreichend, wenn nur einer dieser Blechringe Zentrierelemente aufweist.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der beigefügten zeichnerischen Darstellung sowie der nachfolgenden Beschreibung besonders vorteilhafter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung; in den Zeichnungen zeigen:
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1A: einen aufgeschnittenen Teil eines Turbinengehäuses mit einer Wastegate- oder Regel-Klappe samt Betätigungseinrichtung in einer isometrischen Darstellung, wobei von der Betätigungseinrichtung eine Spindel und ein Spindel-Stellelement gezeigt werden;
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1B: einen Schnitt durch einen Bereich des in 1A gezeigten Ensembles, wobei die Lagerung der Spindel dargestellt wurde, die Spindelachse in der Schnittebene liegt und die Abdichtung der Spindeldurchführung durch das Turbinengehäuse nicht erfindungsgemäß ausgebildet ist;
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2A: eine ungefähr der 1B entsprechende Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung;
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2B: den in 2A mit B gekennzeichneten Ausschnitt in größerem Maßstab;
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3A: eine der 2A entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung;
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3B: eine der 2B entsprechende Darstellung dieser zweiten Ausführungsform;
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4A: eine der 2A entsprechende Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung;
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4B: eine der 2B entsprechende Darstellung dieser dritten Ausführungsform;
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4C: einen Schnitt durch eine Hälfte einer in der dritten Ausführungsform verwendeten Dichtung, wobei die Schnittebene die Achse und einen Durchmesser der Dichtung enthält;
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4D: eine Ansicht der in der dritten Ausführungsform verwendeten Dichtung, gesehen in Richtung der Dichtungsachse;
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5A: eine axiale Ansicht eines erfindungsgemäßen Blechrings mit Zentrierelementen, und
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5B: eine Seitenansicht dieses Blechrings.
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Die 1A zeigt einen Teil eines Turbinengehäuses 10, in welches der dem Antrieb einer nicht dargestellten Abgasturbolader-Turbine dienende Abgasstrom durch eine Abgas-Einlassöffnung 12 hindurch eintritt. An Letztere schließt sich ein im Turbinengehäuse 10 ausgebildeter Abgas-Anströmpfad 14 an, welcher zur Turbine führt und in dem ein in diesem Fall als Wastegate-Klappe gestaltetes Abgasstrom-Steuerelement 16 angeordnet ist. Dieses in 1A nur teilweise dargestellte, tellerartig gestaltete Steuerelement 16 lässt sich im Abgas-Anströmpfad 14 in noch zu beschreibender Weise gegenüber dem Turbinengehäuse 10 bewegen, um eine in 1A nicht dargestellte, in der Wandung des Turbinengehäuses 10 links vom Steuerelement 16 ausgebildete Abgas-Austrittsöffnung vollständig zu verschließen – hierfür bildet das Turbinengehäuse 10 um die erwähnte Abgas-Austrittsöffnung herum einen Sitz für das nach Art eines Ventilglieds funktionierende Steuerelement 16 – oder die Abgas-Austrittsöffnung mehr oder minder oder vollständig freizugeben. Mit Hilfe des Abgasstrom-Steuerelements 16 lässt sich so ein nicht dargestellter Bypass-Kanal für den Abgasstrom verschließen oder teilweise oder vollständig öffnen, um den in das Turbinengehäuse 10 eintretende Abgasstrom vollständig, teilweise oder überhaupt nicht über die Abgasturbolader-Turbine zu führen.
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Der Betätigung des Abgasstrom-Steuerelements 16 dient eine als Ganzes mit 18 bezeichnete Spindel, welche mit einem in 1A nicht gezeigten und wellenartig gestalteten Abschnitt die Wandung des Turbinengehäuses 10 durchquert und mit einem in 1A dargestellten gebogenen Abschnitt das Steuerelement 16 trägt, welches an der Spindel 18 fest angebracht ist; durch Verdrehen der Spindel 18 gegenüber dem Turbinengehäuse 10 lässt sich das Steuerelement 16 deshalb längs einer kreisbogenförmigen Bahn bewegen, nämlich zwischen einer Schließstellung, in welcher das Steuerelement 16 die Abgas-Austrittsöffnung verschließt, und einer Offenstellung, in welcher das Steuerelement 16 die Abgas-Austrittsöffnung vollständig freigibt.
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Die 1A zeigt schließlich noch ein hebel- oder armartig gestaltetes Spindel-Stellelement 20, welches außerhalb des Turbinengehäuses 10 am wellenartigen Abschnitt der Spindel 18 befestigt ist und sich infolgedessen um die Achse des wellenartigen Spindelabschnitts mittels eines nicht dargestellten Aktuators verschwenken lässt, wodurch die Spindel 18 im Turbinengehäuse 10 verdreht wird.
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Die 1B zeigt eine nicht-erfindungsgemäße Gestaltung der Durchführung der Spindel 18 durch das Turbinengehäuse 10. Wie die Zeichnung zeigt, ist der wellenartige Abschnitt 18a der Spindel 18 in einer Buchse 22 verdrehbar gelagert, und ein O-Ring oder Kolbenring 24 dient der Abdichtung des Ringspalts zwischen dem Außenumfang des Spindelabschnitts 18a und dem Innenumfang der Buchse 22. Damit sich der wellenartige Spindelabschnitt 18a in axialer Richtung in der Buchse 22 nicht verschieben kann, weist die Spindel 18 an ihrem Außenumfang einen (bevorzugt auch bei erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtungen vorhandenen) Bund 18b auf, welcher gegen die gemäß 1B rechte Stirnfläche der Buchse 22 anliegt, und das an der Spindel 18 befestigte Stellelement 20 liegt gegen die andere Stirnfläche der Buchse 22 an.
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Im Folgenden werden nun drei bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung anhand der 2A bis 4D beschrieben, wobei in diesen Zeichnungsfiguren soweit wie möglich dieselben Bezugszeichen wie in den 1A und 1B verwendet wurden.
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Die 2A und 2B zeigen das Turbinengehäuse 10, soweit es in diesen Zeichnungsfiguren dargestellt wurde, teilweise in einer Seitenansicht und teilweise im Schnitt, wobei der im Schnitt dargestellte Teil des Turbinengehäuses mit 10' bezeichnet wurde. In dem im Schnitt gezeigten Turbinengehäuseteil 10' ist die Buchse 22 mit Presssitz angeordnet, wozu die Buchse in das Turbinengehäuse eingepresst oder der Presssitz dadurch erreicht werden kann, dass die Buchse 22 in das erhitzte Turbinengehäuse eingesetzt wird, so dass sich nach einem Temperaturausgleich ein Schrumpfsitz ergibt. Auf alle Fälle soll bei dieser Ausführungsform die Konstruktion erfindungsgemäß an der Grenzfläche zwischen dem Außenumfang der Buchse 22 und dem Turbinengehäuse 10 gasdicht sein.
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Erfindungsgemäß wird die Durchführung der Spindel 18 durch das Turbinengehäuse 10 außerhalb des Letzteren am Ende der Durchführung mittels einer Dichtung 30 abgedichtet, welche – wie bei allen anderen Ausführungsformen der Erfindung – eine in axialer Richtung wirkende und gepresste Dichtung darstellt und bei der es sich bei der Ausführungsform gemäß den 2A und 2B um einen einzigen Blechring aus einer Nickelbasislegierung handelt, welcher gegenüber den im Betrieb an der Abdichtstelle vorliegenden verhältnismäßig hohen Temperaturen (weniger als 650 °C, jedoch mindestens ca. 500 °C) beständig ist, d.h. erfindungsgemäß weder seine Federeigenschaften ändert noch kriecht. Dieser Blechring 30 ist ungefähr tellerförmig gestaltet, hat eine zentrale Öffnung 30a, welche vom Spindelabschnitt 18a durchsetzt wird, ist konzentrisch mit der Achse 18' des Spindelabschnitts 18a angeordnet, rotationssymmetrisch zur Achse 18' gestaltet und hat erfindungsgemäß einen inneren Ringbereich 30b sowie einen äußeren Ringbereich 30c, welche durch einen mittleren Ringbereich 30d miteinander verbunden werden.
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Erfindungsgemäß sind der innere und der äußere Ringbereich 30b bzw. 30c eben gestaltet und liegen in zur Spindelachse 18' senkrechten, in axialer Richtung gegeneinander versetzten Ebenen, während der mittlere Ringbereich 30d im Schnitt längs der Achse 18' schräg zu den beiden anderen Ringbereichen verläuft, so dass der Blechring 30 eine Halbsicke bildet, welche in Richtung der Achse 18' gesehen eine kreisringförmige Gestalt aufweist und dazu führt, dass der Blechring 30 ein in Richtung der Achse 18' federndes Bauelement bildet.
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Erfindungsgemäß ist nun die Konstruktion so gestaltet, dass der Blechring 30 im eingebauten Zustand federnd vorgespannt und mit seinen Sickenfüßen, d.h. den Übergängen der Halbsicke in die Ringbereiche 30b und 30c, gasdicht abdichtend einerseits gegen die gemäß den Zeichnungsfiguren linke Stirnfläche der Buchse 22 und andererseits gegen das Stellelement 20 anliegt.
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Der Spindelabschnitt 18a ist mit dem Stellelement 20 nicht nur fest, sondern auch gasdicht verbunden; bei der dargestellten Ausführungsform greift der Spindelabschnitt 18a in eine Öffnung 20a des Stellelements 20 ein und ist mit Letzterem entweder gasdicht verschweißt oder in die Öffnung des Stellelements 20 gasdicht eingepresst. Infolge dessen ist erfindungsgemäß ein vom Spindelabschnitt 18a, dem Stellelement 20, der Buchse 22 und dem Blechring 30 definierter und begrenzter Raum 32 bis auf einen Ringspalt zwischen dem Außenumfang des Spindelabschnitts 18a und dem Innenumfang der Buchse 22 gasdicht verschlossen.
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Erfindungsgemäß ist der Blechring 30 an seinen beiden Hauptoberflächen, zumindest aber an seinen Sickenfüßen mit einer Beschichtung versehen, durch die die Gleitreibung und/oder der Reibverschleiß vermindert wird und bei der es sich vorzugsweise um eine Beschichtung aus Bornitrid oder Sinterbronze handelt.
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Die zweite bevorzugte Ausführungsform gemäß den 3A und 3B wird im Folgenden nur noch insoweit beschrieben werden, als sie von der Ausführungsform gemäß den 2A und 2B abweicht, weshalb in den 3A und 3B auch soweit möglich dieselben Bezugszeichen verwendet wurden wie in den 2A und 2B.
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Bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform gemäß den 3A und 3B muss die Konstruktion an der Grenzfläche zwischen dem Außenumfang der Buchse 22 und dem Turbinengehäuse 10 nicht gasdicht sein, da die Dichtung bzw. der Blechring 30 einerseits gegen die gemäß den Zeichnungsfiguren linke Stirnfläche des Gehäuseteils 10' und andererseits gegen das Stellelement 20 abdichtend anliegt. Ein weiterer Unterschied zu der Ausführungsform gemäß den 2A und 2B besteht darin, dass bei der Ausführungsform nach den 3A und 3B der Blechring 30 am Turbinengehäuse 10 vormontiert werden kann; zu diesem Zweck greift er mit einem peripheren Randbereich in eine Nut 40 ein, welche der Gehäusebereich 10' zusammen mit dem übrigen Turbinengehäuse 10 bildet.
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Sieht man von den vorstehend geschilderten Unterschieden ab, sind jedoch die beiden Ausführungsformen in ihrer Konstruktion und Wirkungsweise identisch.
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Anhand der 4A bis 4D soll nun die dritte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung erläutert werden, welche sich von der Ausführungsform gemäß den 4A und 4B nur in der Gestaltung und Anordnung der Dichtung unterscheiden, weshalb in den 4A bis 4D soweit möglich dieselben Bezugszeichen wie in den anderen Zeichnungsfiguren verwendet wurden und die dritte Ausführungsform im Folgenden nur in so weit beschrieben werden wird, als sie von der zweiten Ausführungsform abweicht.
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Zunächst wird anhand der 4C und 4D der Aufbau und die Gestaltung einer erfindungsgemäßen Dichtung erläutert, welche als Ganzes mit 50 bezeichnet wurde.
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Die Dichtung 50 besteht aus einem als Distanzelement fungierenden Tragring 52 sowie zwei zu beiden Seiten des Tragrings angeordneten Blechringen 54 und 56 aus einer Nickelbasislegierung. Der Tragring 52, welcher gleichfalls aus einem temperaturbeständigen Metall besteht, hat einen rechteckigen Querschnitt, und jeder der beiden Blechringe 54 und 56 ist zumindest im Wesentlichen in derselben Weise gestaltet wie der Blechring 30 der ersten bzw. zweiten Ausführungsform, sieht man einmal davon ab, dass bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform die Dichtung 50 spiegelsymmetrisch zu einer Mittelebene 58 gestaltet ist, welche senkrecht zur Achse 18' verläuft, bei der es sich im eingebauten Zustand der Dichtung um die Achse des wellenförmigen Spindelabschnitts 18a handelt. Die Dichtung muss aber nicht spiegelsymmetrisch zu einer Mittelebene gestaltet sein, vielmehr könnten die beiden als Dichtelemente wirkenden Blechringe unterschiedlich gestaltet sein, wenn dies aus Gründen des für die Dichtung zur Verfügung stehenden Raumes zweckmäßig oder gar notwendig ist.
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Die Blechringe 54 und 56 könnten mit dem Tragring 52 jeweils mit einer ringförmigen, in sich geschlossenen und deshalb gasdichten Schweißnaht verbunden sein; wie sich aus dem Folgenden noch ergeben wird, müssen die Verbindungen zwischen den beiden Blechringen und dem Tragring jedoch nicht gasdicht sein, so dass es auch ausreicht, die Blechringe und den Tragring in anderer Weise, z.B. mechanisch, miteinander zu verbinden oder statt ringförmiger Schweißnähte nur kurze oder punktförmige Schweißstellen anzubringen, welche in 4D mit 60 bezeichnet wurden.
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Die Dichtung 50 ist nun so gestaltet und eingebaut, dass einer ihrer Blechringe 54, 56 gegen das Stellelement 20 und der andere Blechring gegen eine Stirnfläche des Turbinengehäuses in axialer Richtung federnd und vorgespannt sowie abdichtend anliegt, u.z. mit ihren gemäß 4B radial inneren Sickenfüßen. Mit ihren radial äußeren Sickenfüßen liegen die Blechringe 54 und 56 in axialer Richtung federnd und vorgespannt sowie abdichtend gegen den Tragring 52 an.
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Wie die 4A und 4B erkennen lassen, wird bei der dritten Ausführungsform die Dichtung 50 in einer vom Turbinengehäuse 10 gebildeten Nut 70 gehalten, in welche ein Umfangsrandbereich der Dichtung 50 eingreift, so dass auch bei dieser dritten Ausführungsform die Dichtung am Turbinengehäuse vormontiert werden kann.
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Außerdem ergibt sich aus der 4B, dass auch bei dieser Ausführungsform der Ringspalt zwischen dem Außenumfang der Buchse 22 und dem Turbinengehäuse bzw. dem Gehäuseteil 10' nicht gasdicht sein muss, da die Dichtung 50 gasdicht abdichtend gegen die gemäß 4B linke Stirnfläche des Gehäuseteils 10' anliegt.
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Grundsätzlich ist zu einer Ausführungsform mit einer Dichtung aus zwei gesickten Blechringen und einem dazwischen angeordneten Distanzelement bzw. Tragring Folgendes zu bemerken: Während die 4A und 4B eine Dichtung 50 zeigen, welche sich radial nach innen öffnet, kann eine solche erfindungsgemäße Dichtung auch so gestaltet sein, dass sich die Dichtung radial nach außen öffnet, wobei dann die beiden Blechringe und das Distanzelement bzw. der Tragring im Bereich des Innenumfangs der Dichtung miteinander verbunden sind, so dass die beiden Blechringe im Bereich des Außenumfangs der Dichtung den größten Abstand voneinander haben. Bei einer solchen Ausführungsform liegen dann die radial äußeren Sickenfüße in axialer Richtung federnd und vorgespannt sowie abdichtend gegen eine Stellelement-feste erste Widerlagerfläche und eine Turbinengehäuse-feste sowie dem Stellelement zugewandte zweite Widerlagerfläche an. Vor allem bei einer solchen Ausführungsform ist es empfehlenswert, mindestens einen der beiden Blechringe an seinem Innenumfang mit in Richtung der Spindelachse vorspringenden Zentrierelementen zu versehen, mit deren Hilfe die Dichtung bezüglich der Spindelachse zentriert wird – derartige Zentrierelemente werden anhand der 5A und 5B im Folgenden noch erläutert werden.
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Alle drei Ausführungsformen haben den Vorteil, dass der Blechring bzw. die Blechringe, welcher bzw. welche ein in axialer Richtung wirkendes Federelement bildet bzw. bilden, im eingebauten Zustand, in dem die Dichtung in axialer Richtung unter Vorspannung steht, ein axiales Spiel der mit dem Stellelement 20 fest verbundenen Spindel 18 verhindert bzw. verhindern.
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Zu bemerken ist schließlich noch, dass der Blechring 30 bzw. die Blechringe 54 und 56 zunächst aus einem Blech ohne Federstahleigenschaften ausgestanzt und durch Prägen in ihre endgültige Gestalt gebracht werden, worauf dem Blech durch eine Wärmebehandlung Federstahleigenschaften und die gewünschte Härte verliehen werden.
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In den 5A und 5B ist eine modifizierte Ausführungsform des Blechrings 30 der ersten Ausführungsform gemäß den 2A und 2B dargestellt, wobei dieser Blechring mit 30" bezeichnet wurde. Er unterscheidet sich von dem Blechring 30 der ersten Ausführungsform nur durch Zentrierelemente 70, welche bei der dargestellten bevorzugten Gestaltung des Blechrings 30" die Gestalt von in Richtung auf die Spindelachse 18' vorspringenden Blechnasen haben, die beim Ausstanzen des Blechrings an dessen Innenumfang erzeugt wurden. Grundsätzlich könnten die Zentrierelemente 70 den Außenumfang des Spindelabschnitts 18a (analog zur ersten Ausführungsform gemäß den 2A und 2B) oder den Außenumfang der Buchse 22 (analog zur zweiten Ausführungsform gemäß den 3A und 3B) mit einem kleinen radialen Spiel zwischen sich aufnehmen, da gewisse Toleranzen bei der Zentrierung des Blechrings bezüglich der Spindelachse 18' normalerweise akzeptiert werden können. Die in den 5A und 5B dargestellte Ausführungsform ist jedoch so gestaltet, dass nach der Montage des Blechrings 30" dessen Zentrierelemente 70 in bezüglich der Spindelachse 18' radialer Richtung federnd gegen den Außenumfang des Spindelabschnitts 18a bzw. der Buchse 22 anliegen, und zu diesem Zweck sind die Zentrierelemente 70 aus der vom Blechring 30" definierten Ebene in Richtung der Spindelachse 18' etwas herausgebogen, so wie dies die 5B erkennen lässt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/135104 A [0003]
- US 4893474 [0003]
- US 5146753 [0003]
- DE 5172552 [0003]
- US 7644583 B2 [0007]
- DE 102009030520 A1 [0008, 0009, 0010, 0011, 0022]