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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Axiallageranordnung zur axialen Lagerung einer Welle, umfassend: die Welle, eine Lageraufnahmestruktur, einen Lageraufnahmeraum, der durch die Lageraufnahmestruktur radial begrenzt ist und in dem die Welle angeordnet ist, ein erstes Lagerelement, das die Welle radial umgibt, in dem Lageraufnahmeraum angeordnet ist, und an der Lageraufnahmestruktur befestigt ist, ein zweites Lagerelement, das die Welle radial umgibt und an der Welle befestigt ist, eine Gleitscheibe, die die Welle frei drehbar radial umgibt und zwischen dem ersten Lagerelement und dem zweiten Lagerelement angeordnet ist, wobei die Gleitscheibe in einem ersten Kontaktbereich an dem ersten Lagerelement axial anliegt und in einem zweiten Kontaktbereich an dem zweiten Lagerelement axial anliegt. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Abgasklappenvorrichtung mit einer derartigen Axiallageranordnung.
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Wenn nicht anders definiert, beziehen sich die Angaben „axial“, „radial“ und „quer“ im Folgenden jeweils auf die Welle. Im Speziellen ist im Folgenden, wenn nicht anders angegeben, eine axiale Richtung parallel zu einer Drehachse der Welle, eine radiale Richtung senkrecht zu der Drehachse der Welle, und eine Querebene quer zu der Drehachse der Welle.
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Gattungsgemäße Axiallageranordnungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden unter anderem zur axialen Lagerung der Welle in Abgasklappenvorrichtungen verwendet. Da die Gleitscheibe bei gattungsgemäßen Axiallageranordnungen typischerweise aus einem deutlich härteren Werkstoff besteht als die beiden Lagerelemente, wird sich die Gleitscheibe im Betrieb der Abgasklappenvorrichtungen beim Verdrehen der Welle mit der Zeit aufgrund von Abrasion in die beiden Lagerelemente „eingraben“, wodurch die Eigenschaften der Axiallageranordnung und somit der Abgasklappenvorrichtung beeinträchtigt werden.
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Es stellt sich vor diesem Hintergrund die Aufgabe, eine langlebige Axiallageranordnung zur axialen Lagerung einer Welle beziehungsweise eine langlebige Abgasklappenvorrichtung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Axiallageranordnung zur axialen Lagerung einer Welle, mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch eine Abgasklappenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Axiallageranordnung zur axialen Lagerung einer Welle umfasst die Welle, eine Lageraufnahmestruktur, und einen Lageraufnahmeraum, der durch die Lageraufnahmestruktur radial begrenzt ist und in dem die Welle angeordnet ist. Die Lageraufnahmestruktur ist im Allgemeinen durch ein Gehäuseteil oder ein feststehend in oder an einem Gehäuse montiertes Teil gebildet. Der Lageraufnahmeraum ist typischerweise zylinderförmig. Typischerweise erstreckt sich die Welle durch den gesamten Lageraufnahmeraum hindurch und ist radial zentriert in dem Lageraufnahmeraum angeordnet.
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Die erfindungsgemäße Axiallageranordnung zur axialen Lagerung einer Welle umfasst zwei typischerweise kreisringförmige Lagerelemente, die jeweils die Welle radial umgeben. Das erste Lagerelement ist in dem Lageraufnahmeraum angeordnet und an der Lageraufnahmestruktur befestigt, und das zweite Lagerelement ist an der Welle befestigt. Das erste Lagerelement ist vorzugsweise in die Lageraufnahmestruktur eingepresst, und das zweite Lagerelement ist vorzugsweise auf die Welle aufgepresst. Grundsätzlich können die beiden Lagerelemente jedoch auf jede beliebige Art und Weise an der Lageraufnahmestruktur beziehungsweise an der Welle befestigt sein. Beispielsweise können die Lagerelemente auch verklebt, verschweißt oder verschraubt sein.
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Bei Abgasklappenvorrichtungen können auch im Bereich der Axiallageranordnung Temperaturen von -50°C bis zu 650°C auftreten, sodass die thermischen Eigenschaften, insbesondere auch die thermischen Ausdehnungskoeffizienten, bei der Auswahl der verwendeten Werkstoffe eine hohe Relevanz haben. Ferner müssen die in Axiallageranordnungen von Abgasklappenvorrichtungen verwendeten Werkstoffe korrosionsunempfindlich sein und möglichst wenig Anhaftung beispielsweise durch Ruß oder wasserhaltige Ölnebel zulassen, um ein Verklemmen zu verhindern. Die Lageraufnahmestruktur und die beiden Lagerelemente bestehen daher vorteilhafterweise aus einem Metall, wobei die Lagerelemente vorzugsweise aus einem gesinterten Metallpulver bestehen und Festschmierstoffe enthalten.
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Die erfindungsgemäße Axiallageranordnung zur axialen Lagerung einer Welle umfasst eine Gleitscheibe, die die Welle frei drehbar radial umgibt. Die Gleitscheibe ist schwimmend gelagert, also weder an der Welle noch an der Lageraufnahmestruktur noch an einem der Lagerelemente befestigt. Die Gleitscheibe ist derart zwischen dem ersten Lagerelement und dem zweiten Lagerelement angeordnet, dass die Gleitscheibe auf einer ersten axialen Seite an dem ersten Lagerelement axial anliegt und auf einer zweiten axialen Seite an dem zweiten Lagerelement axial anliegt. Die Gleitscheibe besteht vorteilhafterweise aus einem Werkstoff, der härter ist als die Werkstoffe, aus denen die Lagerelemente bestehen.
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Erfindungsgemäß sind die beiden Lagerelemente und die Gleitscheibe derart ausgebildet, dass die Gleitscheibe in einem radial inneren Randbereich und/oder in einem radial äußeren Randbereich einen Überstandabschnitt aufweist, der das erste Lagerelement und/oder das zweite Lagerelement nicht berührt. Durch das Vorsehen des erfindungsgemäßen Überstandabschnitts wird verhindert, dass die Gleitscheibe das erste Lagerelement und/oder das zweite Lagerelement im Bereich der radial äußeren Außenkante beziehungsweise im Bereich der radialen inneren Innenkante berührt, wodurch zuverlässig ein „Eingraben“ der Außenkante beziehungsweise der Innenkante der Gleitscheibe in das entsprechende Lagerelement verhindert wird. Vorzugsweise weist die Gleitscheibe sowohl im radial inneren Randbereich als auch im radial äußeren Randbereich jeweils einen Überstandabschnitt auf, wobei beide Überstandabschnitte jeweils weder das erste Lagerelement noch das zweite Lagerelement berühren, sodass sich weder die Innenkante noch die Außenkante der Gleitscheibe in eines der beiden Lagerelemente eingraben kann. Dies schafft eine langlebige Axiallageranordnung.
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Um auch bei einer leichten Verkippung der Gleitscheibe relativ zu dem ersten Lagerelement beziehungsweise relativ zu dem zweiten Lagerelement ein Eingraben der Außenkante beziehungsweise der Innenkannte der Gleitscheibe in das entsprechende Lagerelement zuverlässig zu verhindern, weist jeder Überstandabschnitt vorzugsweise eine radiale Ausdehnung von mindestens 0,5 mm auf, was bedeutet, dass die Außenkannte beziehungsweise die Innenkannte der Gleitscheibe mindestens 0,5 mm von einem Kontaktbereich zwischen der Gleitscheibe und dem entsprechenden Lagerelement entfernt angeordnet ist.
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Der Überstandabschnitt der Gleitscheibe kann auf einfache Weise dadurch realisiert werden, dass das erste Lagerelement und/oder das zweite Lagerelement auf der der Gleitscheibe zugewandten axialen Seite mindestens eine ringförmige Ausnehmung aufweisen, wobei die Ausnehmung axial benachbart zu dem inneren Randbereich beziehungsweise dem äußeren Randbereich der Gleitscheibe angeordnet ist. Ferner bildet die Ausnehmung auch ein Reservoir für im Betrieb der Axiallageranordnung entstehenden Abrieb sowie für in die Axiallageranordnung eingetragene Verunreinigungen, wodurch verhindert wird, dass sich der Abrieb beziehungsweise die Verunreinigungen in einem Kontaktbereich zwischen der Gleitscheibe und dem entsprechenden Lagerelement ablagern. Dies schafft eine besonders langlebige Axiallageranordnung. Vorzugsweise weist das erste Lagerelement zwei ringförmige Ausnehmungen auf, wobei eine Ausnehmung axial benachbart zu dem inneren Randbereich und eine Ausnehmung axial benachbart zu dem äußeren Randbereich der Gleitscheibe angeordnet ist, und weist das zweite Lagerelement eine ringförmige Ausnehmung auf, die axial benachbart zu dem inneren Randbereich der Gleitscheibe angeordnet ist.
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Ein Überstandabschnitt im äußeren Randbereich der Gleitscheibe und bezogen auf das zweite Lagerelement kann auf einfache Weise dadurch realisiert werden, dass die Gleitscheibe einen radialen Außendurchmesser aufweist, der größer ist als ein radialer Außendurchmesser des zweiten Lagerelements.
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Vorzugsweise weist die Gleitscheibe auf einer axialen Seite eine konvexe Oberfläche auf und weist das der konvexen Oberfläche gegenüberliegende erste Lagerelement beziehungsweise zweite Lagerelement auf der der Gleitscheibe zugewandten axialen Seite eine korrespondierend zu der konvexen Oberfläche der Gleitscheibe ausgebildete konkave Oberfläche auf, wobei die konvexe Oberfläche der Gleitscheibe an der konkaven Oberfläche des ersten Lagerelements beziehungsweise des zweiten Lagerelements anliegt. Hierdurch wird auch bei einer leichten Verkippung der Gleitscheibe relativ zu dem ersten Lagerelement beziehungsweise relativ zu dem zweiten Lagerelement ein flächiger Kontakt zwischen der Gleitscheibe und dem ersten Lagerelement beziehungsweise dem zweiten Lagerelement sichergestellt. Ferner wird durch die Form der sich berührenden Oberflächen auch eine ungewollte radiale Verschiebung der Gleitscheibe verhindert. Dies schafft eine besonders zuverlässige Axiallageranordnung.
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Vorzugsweise sind das zweite Lagerelement und die Gleitscheibe innerhalb des Lageraufnahmeraums angeordnet, sodass diese zuverlässig vor Umwelteinflüssen geschützt sind.
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Vorzugsweise ist ein radialer Außendurchmesser des zweiten Lagerelements mindestens 0,5 mm, besonders bevorzugt mindestens 1,0 mm, kleiner als ein radialer Durchmesser des Lageraufnahmeraums, sodass zwischen der radialen Außenseite des zweiten Lagerelements und einer Innenwand der Lageraufnahmestruktur ein mindestens 0,5 mm breiter Ringspalt vorhanden ist. Über den Ringspalt kann im Betrieb der Axiallageranordnung entstehender Abrieb abgeführt werden, wodurch verhindert wird, dass sich der Abrieb in Kontaktbereichen zwischen der Gleitscheibe und den beiden Lagerelementen ablagert. Dies schafft eine besonders langlebige Axiallageranordnung.
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Da die beiden Lagerelemente typischerweise aus einem Metall bestehen, können besonders gute tribologische Eigenschaften zwischen der Gleitscheibe und den Lagerelementen realisiert werden, indem die Gleitscheibe aus einer Keramik besteht.
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In vielen Anwendungsbereichen von Axiallageranordnungen, insbesondere auch in einer Abgasklappenvorrichtung, muss verhindert werden, dass ein Fluid entlang der Welle entweichen kann. Vorzugsweise ist daher ein zwischen der Lageraufnahmestruktur und der Welle vorhandener Ringspalt durch das erste Lagerelement, das zweite Lagerelement und die Gleitscheibe fluiddicht verschlossen, sodass eine axiale Durchströmung des Lageraufnahmeraums verhindert ist. Das erste Lagerelement ist hierbei derart an der Lageraufnahmestruktur befestigt, dass zwischen einer Außenseite des ersten Lagerelements und der Lageraufnahmestruktur kein Spalt vorhanden ist oder dieser fluiddicht verschlossen ist. Vorzugsweise ist das erste Lagerelement zu diesem Zweck in die Lageraufnahmestruktur eingepresst. Das zweite Lagerelement ist wiederum derart an der Welle befestigt, dass zwischen einer Innenseite des zweiten Lagerelements und der Welle kein Spalt vorhanden ist oder dieser fluiddicht verschlossen ist. Vorzugsweise ist das zweite Lagerelement zu diesem Zweck auf die Welle aufgepresst. Ferner sind die beiden Lagerelemente und die Gleitscheibe derart ausgebildet, dass die Gleitscheibe entlang ihres gesamten Umfangs sowohl an dem ersten Lagerelement als auch an dem zweiten Lagerelement anliegt. Vorzugsweise weisen die Gleitscheibe und mindestens eines der Lagerelemente zu diesem Zweck, wie zuvor bereits beschrieben, korrespondierend zueinander konvex/konkav ausgebildete Oberflächen auf. Hierdurch wird einerseits eine relativ große Kontaktfläche und somit eine relativ gute Dichtwirkung zwischen der Gleitscheibe und dem entsprechenden Lagerelement geschaffen, und andererseits auch bei einer leichten Verkippung der Gleitscheibe relativ zu dem entsprechenden Lagerelement ein flächiger Kontakt zwischen der Gleitscheibe und dem entsprechenden Lagerelement entlang des gesamten Umfangs sichergestellt. Dies schafft eine Axiallageranordnung die gleichzeitig als Wellendichtung fungiert, sodass für diesen Zweck keine zusätzlichen Dichtmittel vorgesehen werden müssen.
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Die erfindungsgemäße Abgasklappenvorrichtung umfasst ein Strömungsgehäuse, einen Strömungskanal, der in dem Strömungsgehäuse ausgebildet ist, und eine Welle, die drehbar in dem Strömungsgehäuse gelagert ist und in den Strömungskanal zumindest hineinragt. Vorzugsweise erstreckt sich die Welle durch den gesamten Strömungskanal hindurch und ist auf beiden axialen Seiten des Strömungskanals jeweils über ein Radiallager drehbar gelagert.
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Die erfindungsgemäße Abgasklappenvorrichtung umfasst einen Klappenkörper, der in dem Strömungskanal angeordnet und an der Welle befestigt ist. Der Klappenkörper ist auf bekannte Art und Weise ausgebildet und angeordnet, derart, dass ein durchströmbarer Querschnitt des Strömungskanals durch eine Drehung des Klappenkörpers mittels der Welle geregelt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Abgasklappenvorrichtung umfasst eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße Axiallageranordnung zur axialen Lagerung der Welle in dem Strömungsgehäuse, wobei die Lageraufnahmestruktur an dem Strömungsgehäuse ausgebildet ist. Durch die erfindungsgemäße Axiallageranordnung wird eine langlebige Abgasklappenvorrichtung geschaffen. Vorzugsweise ist die Axiallageranordnung wie zuvor beschrieben derart ausgebildet, dass eine axiale Durchströmung des Lageraufnahmeraums verhindert ist, sodass keine zusätzlichen Dichtmittel vorgesehen werden müssen, um einen Austritt von Abgas aus dem Strömungskanal entlang der Welle zu verhindern.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1 eine erfindungsgemäße Abgasklappenvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Axiallageranordnung in geschnittener Darstellung, und
- 2 eine vergrößerte Darstellung eines die Axiallageranordnung umfassenden Ausschnitts der Abgasklappenvorrichtung aus 1.
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1 zeigt eine Abgasklappenvorrichtung 100 mit einem Strömungsgehäuse 102, in dem zwei Strömungskanäle 104a,104b ausgebildet sind.
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Die Abgasklappenvorrichtung 100 umfasst eine Welle 12 und zwei Klappenkörper 110a,110b, die jeweils an der Welle 12 befestigt sind, wobei der erste Klappenkörper 110a in dem ersten Strömungskanal 104a angeordnet ist und der zweite Klappenkörper 110b in dem zweiten Strömungskanal 104b angeordnet ist.
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Die Welle 12 ist über drei Radiallager 106a-106c radial und über eine Axiallageranordnung 10 axial in dem Strömungsgehäuse 102 drehbar gelagert, und an einem aus dem Strömungsgehäuse 102 herausragenden Ende der Welle 12 ist ein Hebelelement 112 befestigt, über das die Welle 12 durch einen nicht dargestellten Aktor verdreht werden kann.
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Die Radiallager 106a-106c sind jeweils in einer in dem Strömungsgehäuse 102 ausgebildeten Radiallageraufnahmestruktur 108a-108c angeordnet. Die erste Radiallageraufnahmestruktur 108a mit dem ersten Radiallager 106a ist auf der von dem zweiten Strömungskanal 104b abgewandten axialen Seite des ersten Strömungskanals 104a angeordnet. Die zweite Radiallageraufnahmestruktur 108b mit dem zweiten Radiallager 106b ist zwischen dem ersten Strömungskanal 104a und dem zweiten Strömungskanal 104b angeordnet. Die dritte Radiallageraufnahmestruktur 108c mit dem dritten Radiallager 106c ist auf der von dem ersten Strömungskanal 104a abgewandten axialen Seite des zweiten Strömungskanals 104b angeordnet.
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Die Axiallageranordnung 10 umfasst neben der Welle 12 eine Lageraufnahmestruktur 14, die auf der dem Hebelelement 112 zugewandten axialen Seite an einer Außenseite des Strömungsgehäuses 102 ausgebildet ist. Die Lageraufnahmestruktur 14 begrenzt einen als Sackloch ausgebildeten, kreiszylinderförmigen Lageraufnahmeraum 16, durch den sich die Welle 12 hindurch erstreckt, nach radial außen.
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Die Axiallageranordnung 10 umfasst ferner ein ringförmiges erstes Lagerelement 18, ein ringförmiges zweites Lagerelement 20 und eine ringförmige Gleitscheibe 22, die jeweils die Welle 12 radial umgeben und in dem Lageraufnahmeraum 16 angeordnet sind.
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Das erste Lagerelement 18 besteht aus einem Metall und ist in die Lageraufnahmestruktur 14 eingepresst. Das erste Lagerelement 18 weist auf der der Gleitscheibe 22 zugewandten axialen Seite zwei um die Welle 12 umlaufende ringförmige Ausnehmungen 24a,24b auf, wobei die Ausnehmung 24a im radial inneren Randbereich des ersten Lagerelements 18 angeordnet ist und die Ausnehmung 24b im radial äußeren Randbereich des ersten Lagerelements 18 angeordnet ist. Das erste Lagerelement 18 weist ferner auf der der Gleitscheibe 22 zugewandten axialen Seite in einem zwischen den beiden ringförmigen Ausnehmungen 24a,24b ausgebildeten Kontaktbereich mit der Gleitscheibe 22 eine konkave Oberfläche 26 auf.
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Das zweite Lagerelement 20 besteht aus einem Metall und ist auf die Welle 12 aufgepresst. Das zweite Lagerelement 20 weist einen radialen Außendurchmesser D1 auf, der mindestens 1,0 mm kleiner ist als ein radialer Durchmesser D2 des Lageraufnahmeraums 16. Das zweite Lagerelement 20 weist auf der der Gleitscheibe 22 zugewandten axialen Seite eine plane Oberfläche 28 und im radial inneren Randbereich eine ringförmige Ausnehmung 30 auf.
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Die Gleitscheibe 22 besteht aus einer Keramik und weist einen radialen Außendurchmesser D3 auf, der größer ist als der radiale Außendurchmesser D1 des zweiten Lagerelements 20. Die Gleitscheibe 22 ist zwischen dem ersten Lagerelement 18 und dem zweiten Lagerelement 20 angeordnet, wobei die Gleitscheibe 22 sowohl bezüglich der Lageraufnahmestruktur 14 als auch bezüglich der Welle 12 frei drehbar ist, also weder an einem der beiden Lagerelemente 18,20 noch an der Lageraufnahmestruktur 14 noch an der Welle 12 befestigt ist. Zwischen dem Hebelelement 112 und dem Strömungsgehäuse 102 ist ein Federelement 114 angeordnet, durch das das Hebelelement 112 von dem Strömungsgehäuse 102 weggedrückt wird und somit die Welle 12 derart mit einer axialen Kraft beaufschlagt wird, dass die Gleitscheibe 22 durch das an der Welle 12 befestigte zweite Lagerelement 20 an das an der Lageraufnahmestruktur 14 befestigte erste Lagerelement 18 axial angepresst wird.
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Die Gleitscheibe 22 weist auf der dem ersten Lagerelement 18 zugewandten axialen Seite eine konvexe Oberfläche 32 auf, die korrespondieren zu der konkaven Oberfläche 26 des ersten Lagerelements 18 ausgebildet ist und an der konkaven Oberfläche 26 axial anliegt. Die Gleitscheibe 22 weist auf der dem zweiten Lagerelement 20 zugewandten axialen Seite eine plane Oberfläche 34 auf, die an der planen Oberfläche 28 des zweiten Lagerelements 20 axial anliegt. Folglich ist ein zwischen der Lageraufnahmestruktur 14 und der Welle 12 vorhandener Ringspalt 35 durch die beiden Lagerelemente 18,20 und die Gleitscheibe 22 derart fluiddicht verschlossen, dass eine axiale Durchströmung des Lageraufnahmeraums 16 verhindert ist.
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Die Gleitscheibe 22 weist in einem radial inneren Randbereich einen inneren Überstandabschnitt 36 und in einem radial äußeren Randbereich einen äußeren Überstandabschnitt 38 auf, wobei beide Überstandabschnitte 36,38 weder das erste Lagerelement 18 noch das zweite Lagerelement 20 berühren. Der innere Überstandabschnitt 36 ist durch die Ausnehmung 24b des ersten Lagerelements 18 und die Ausnehmung 30 des zweiten Lagerelements 20 gebildet, und der äußere Überstandabschnitt 38 ist durch die Ausnehmung 24a des ersten Lagerelements 18 sowie den Unterschied zwischen dem Außendurchmesser D1 des zweiten Lagerelements 20 und dem Durchmesser D2 des Lageraufnahmeraums 16 gebildet.
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Ein radialer Abstand zwischen einer inneren Umfangsfläche 40 der Gleitscheibe 22 und einer Umfangsfläche 42 der Ausnehmung 24b des ersten Lagerelements 18 sowie ein radialer Abstand zwischen der inneren Umfangsfläche 40 der Gleitscheibe 22 und einer Umfangsfläche 44 der Ausnehmung 30 betragen jeweils mindestens 0,5 mm. Ein radialer Abstand zwischen einer äußeren Umfangsfläche 46 der Gleitscheibe 22 und einer Umfangsfläche 48 der Ausnehmung 24a des ersten Lagerelements 18 sowie ein radialer Abstand zwischen der äußeren Umfangsfläche 46 der Gleitscheibe 22 und einer äußeren Umfangsfläche 50 des zweiten Lagerelements 20 betragen jeweils mindestens 0,5 mm. Beide Überstandabschnitte 36,38 weisen also jeweils eine radiale Ausdehnung von mindestens 0,5 mm auf.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Axiallageranordnung
- 12
- Welle
- 14
- Lageraufnahmestruktur
- 16
- Lageraufnahmeraum
- 18,20
- Lagerelemente
- 22
- Gleitscheibe
- 24a,24b,30
- ringförmige Ausnehmungen
- 26
- konkave Oberfläche
- 28,34
- plane Oberflächen
- 32
- konvexe Oberfläche
- 35
- Ringspalt
- 36,38
- Überstandabschnitte
- 40-50
- Umfangsflächen
- 100
- Abgasklappenvorrichtung
- 102
- Strömungsgehäuse
- 104a,104b
- Strömungskanäle
- 106a-106c
- Radiallager
- 108a-108c
- Radiallageraufnahmestrukturen
- 110a,110b
- Klappenkörper
- 112
- Hebelelement
- 114
- Federelement
- D1,D3
- Außendurchmesser
- D2
- Durchmesser