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Die Erfindung betrifft eine Klappenvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, mit einem Strömungsgehäuse, welches mindestens einen Strömungskanal begrenzt, einer Klappenwelle, welche über mindestens ein Gleitlagerelement am Strömungsgehäuse drehbar gelagert ist, wobei das Gleitlagerelement über eine Pressverbindung zwischen einer äußeren Umfangsfläche des Gleitlagerelements und einer inneren Umfangsfläche einer am Strömungsgehäuse ausgebildeten Öffnung am Strömungsgehäuse befestigt ist, und mindestens einem Klappenkörper, welcher an der Klappenwelle gelagert ist und im Strömungskanal angeordnet ist, wobei der Klappenkörper gemeinsam mit der Klappenwelle um eine Längsachse der Klappenwelle zwischen unterschiedlichen Stellungen verdrehbar ist.
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Derartige Klappenvorrichtungen werden beispielsweise als Abgasstauklappen oder als Abgasrückführventile in Niederdruck- oder Hochdruckabgaskreisläufen eingesetzt. Auch ist es bekannt, derartige Klappenvorrichtungen in einem Luftansaugkanal eines Verbrennungsmotors, insbesondere als Drosselklappe, vorzusehen.
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Eine derartige Klappenvorrichtung offenbart beispielsweise die
WO 2017/182233 A1 . Die Klappenvorrichtung umfasst ein Abgasströmungsgehäuse, welches einen Abgasströmungskanal begrenzt. In dem Abgasströmungskanal ist ein Klappenkörper angeordnet, welcher an einer drehbar an dem Abgasströmungsgehäuse gelagerten und in den Abgasströmungskanal ragenden Klappenwelle befestigt ist. Zur drehbaren Lagerung sind zwei Gleitlagerelemente vorgesehen, welche fluchtend zueinander und an den entgegengesetzten Seiten des Klappenkörpers angeordnet sind. Derartige Gleitlagerelemente werden üblicherweise in jeweils eine Öffnung des Strömungsgehäuses eingepresst, so dass die Gleitlagerelemente über eine Pressverbindung zwischen einer äußeren Umfangsfläche und einer inneren Umfangsfläche der Öffnung, d.h. durch einen Presssitz, am Strömungsgehäuse befestigt sind.
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Nachteilig an der ausschließlich durch die Pressverbindung ausgeführten Befestigung des Gleitlagerelements am Strömungsgehäuse d ist, dass die Gefahr besteht, dass die Fixierung des Gleitlagerelements in bestimmten Zuständen nicht zuverlässig gewährleistet werden kann. Die unterschiedlichen, durch die unterschiedlichen Werkstoffe verursachten Wärmedehnungen des Strömungsgehäuses und des Gleitlagerelements führen dazu, dass bei einer hohen thermischen Belastung des Strömungsgehäuses und des Gleitlagerelements, insbesondere durch das durch den Strömungskanal des Strömungsgehäuses strömenden, heißen Gases, sich das Strömungsgehäuse und/oder das Gleitlagerelement plastisch verformen. Bei einer anschließenden geringen thermischen Belastung des Strömungsgehäuses und des Gleitlagerelements ist die im Neuzustand eingestellte Pressung durch die Schrumpfung des Strömungsgehäuses und des Gleitlagerelements aufgehoben, so dass eine Fixierung des Gleitlagerelements am Strömungsgehäuse nicht mehr vorliegt. Insbesondere eine fehlende axiale Sicherung des Gleitlagerelements am Strömungsgehäuse führt dazu, dass das Gleitlagerelement sich axial hin- und herbewegt und dabei an benachbarten Komponenten anschlägt, woraus unerwünschte Geräusche resultieren.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Klappenvorrichtung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, bei welchem das Gleitlagerelement auf eine einfache und kostengünstige Weise, insbesondere ohne zusätzliche Komponenten und ohne einen zusätzlichen Montageschritt, auch bei unterschiedlichen thermischen Belastungen zuverlässig axial am Strömungsgehäuse gesichert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Klappenvorrichtung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Zur axialen Fixierung des Gleitlagerelements ist an der äußeren Umfangsfläche des Gleitlagerelements und/oder an der inneren Umfangsfläche der Öffnung eine Aussparung vorgesehen, wobei bei einer Durchströmung des Strömungskanals mit einem heißen Gas die Flächenpressung zwischen der äußeren Umfangsfläche des Gleitlagerelements und der inneren Umfangsfläche der am Strömungsgehäuse vorgesehenen Öffnung durch die Wärmedehnung des Gleichlagerelements und die Wärmedehnung des Strömungsgehäuses derart ansteigt, dass ein Abschnitt der einen Umfangsfläche im Bereich der Aussparung der andere Umfangsfläche in die Aussparung eindringt und sich plastisch verformt, wobei im abgekühlten Zustand des Gleitlagerelements und des Strömungsgehäuses der ausgebildete Vorsprung, d.h. der plastisch verformte Anteil, erhalten bleibt und das Gleichlagerelement in Axialrichtung formschlüssig durch den plastisch verformten und in die Aussparung hineinragenden Abschnitt gehalten wird.
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Im Neuzustand der Klappenvorrichtung wird das in die Öffnung eingepresste Gleitlagerelement nahezu ausschließlich durch die Pressverbindung axial am Strömungsgehäuse gehalten. Bei einer erstmaligen Durchströmung des Strömungskanals des Strömungsgehäuses mit einem heißen Gas, insbesondere bei einem erstmaligen Betrieb der Klappenvorrichtung, erwärmen sich das Gleitlagerelement und das Strömungsgehäuse, insbesondere im Bereich des Gleitlagerelements, derart, dass sich das Gleitlagerelement und das Strömungsgehäuse aufgrund der thermischen Belastungen ausdehnen und sich elastisch sowie plastisch verformen. Die Verformung im Bereich der Aussparung ist derart, dass an der die Aussparung nicht aufweisenden Umfangsfläche durch die Verformung ein Vorsprung entsteht, welcher in die Aussparung eingreift. Im abgekühlten Zustand ist der Vorsprung ausschließlich durch den plastischen Anteil der Verformung gebildet, wobei der Vorsprung dabei eine derartige Radialerstreckung aufweist, dass dieser in die Aussparung eingreift. In anderen Worten ausgedrückt, die Formschlussverbindung zwischen dem Strömungsgehäuse und dem Gleitlagerelement wird automatisch durch die Inbetriebnahme der Klappenvorrichtung hergestellt, wobei die Formung des in die Aussparung ragenden Abschnitts bzw. Vorsprungs ausschließlich durch die im Betrieb der Klappenvorrichtung vorliegenden, thermischen Belastung und die daraus resultierende Wärmedehnung des Strömungsgehäuses und des Gleitlagerelements erfolgt.
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Auf diese Weise kann das Gleitlagerelement zuverlässig und bei unterschiedlichen thermischen Belastungen des Strömungsgehäuses und des Gleitlagerelements am Strömungsgehäuse fixiert werden, wobei keine zusätzlichen Komponenten oder zusätzlichen Montageschritte erforderlich sind.
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Vorzugsweise ist die Aussparung eine umlaufende Nut. Durch die über 360° umlaufende Nut kann das Gleitlagerelement über den gesamten Umfang gleichmäßig am Strömungsgehäuse axial fixiert werden. Dadurch kann das Gleitlagerelement zuverlässig am Strömungsgehäuse formschlüssig in Axialrichtung der Klappenwelle befestigt werden, wobei die Herstellung der Nut einfach und kostengünstig, insbesondere bereits beim Herstellungsprozess des Gleitlagerelements oder bei einer mechanischen Nachbearbeitung des Gleitlagerelements, erfolgen kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Strömungsgehäuse einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Gleitlagerelement auf. Insbesondere in diesem Fall besteht die Gefahr, dass im abgekühlten Zustand die Pressverbindung zwischen dem Strömungsgehäuse und dem Gleitlagerelement aufgehoben wird und daraus unerwünschte Geräusche durch das axial Verlagern des Gleitlagerelements resultieren. Durch die zusätzliche formschlüssige Verbindung in Axialrichtung zwischen dem Gleitlagerelement und dem Strömungsgehäuse kann dies zuverlässig verhindert werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Strömungsgehäuse aus einem metallischen Gusswerkstoff hergestellt und das Gleitlagerelement ist aus einem Sinterwerkstoff hergestellt.
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Vorzugsweise weist die Aussparung eine Breite von mehreren Millimetern auf. Der durch die plastische Verformung entstehende Vorsprung weist damit auch eine Breite von mehreren Millimetern auf. Damit weist das Gleitlagerelement und/oder die Umfangsfläche der Öffnung des Strömungsgehäuses eine makroskopische Aussparung auf.
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Vorzugsweise sind an der Klappenwelle ein erster Klappenkörper und ein zweiter Klappenkörper befestigt, wobei der erste Klappenkörper in einem ersten, durch das Strömungsgehäuse begrenzten Strömungskanal angeordnet ist und der zweite Klappenkörper in einem zweiten, durch das Strömungsgehäuse begrenzten Strömungskanal angeordnet ist, wobei der Klappenkörper ein erstes, an einem ersten Axialende angeordnetes Gleitlagerelement, ein zweites an einem zweiten Axialende angeordnetes Gleitlagerelement und ein drittes zwischen den beiden Klappenkörpern angeordnetes, drittes Gleitlagerelement aufweist, wobei das dritte Gleitlagerelement die Aussparung aufweist. Durch die Anordnung des dritten Gleitlagerelements in einer Durchgangsöffnung zwischen den beiden Strömungskanälen ist das dritte Gleitlagerelement besonders stark thermisch beansprucht, so dass an dem dritten Gleitlagerelement die Gefahr besonders hoch ist, dass die Pressverbindung zwischen dem dritten Gleitlagerelement und dem Strömungsgehäuse gelöst wird. Durch die formschlüssige Verbindung kann eine axiale Verlagerung des dritten Gleitlagerelements im abgekühlten Zustand zuverlässig verhindert werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Strömungskanal ein Abgasströmungskanal, wobei das Abgas eine Temperatur von mehreren 100 C° aufweist und das Gleitlagerelement sowie das Strömungsgehäuse einer relativ hohen thermischen Belastung ausgesetzt sind.
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Die Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zur Montage eines Gleitlagerelements einer Klappenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Einpressen des Gleitlagerelements in eine Öffnung eines Strömungsgehäuses,
- Durchströmung des Strömungskanals des Strömungsgehäuses mit einem heißen Gas, wobei sich das Strömungsgehäuse und das Gleitlagerelement basierend auf den entsprechenden Wärmeausdehnungskoeffizienten derart ausdehnen, dass ein Abschnitt der einen Umfangsfläche im Bereich der Aussparung der anderen Umfangsfläche in die Aussparung eindringt und sich plastisch zu einem Vorsprung verformt, wobei im abgekühlten Zustand des Gleitlagerelements und des Strömungsgehäuses das Gleitlagerelement durch einen Eingriff des Vorsprungs in die Aussparung axial formschlüssig an dem Strömungsgehäuse befestigt ist.
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Damit wird eine Klappenvorrichtung für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt, bei welcher das Gleitlagerelement zuverlässig und bei unterschiedlichen thermischen Belastungen des Strömungsgehäuses und des Gleitlagerelements am Strömungsgehäuse fixiert werden kann, ohne dass dazu zusätzliche Komponenten oder zusätzliche Montageschritte erforderlich sind.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung für einen Verbrennungsmotor ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
- 1 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung, und
- 2a, 2b und 2c zeigen einen zeitlichen Ablauf des Betriebs der Klappenvorrichtung aus 1.
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Die Figur zeigt eine Klappenvorrichtung 10 für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, wobei die Klappenvorrichtung 10 als Abgasklappenvorrichtung ausgeführt ist und beispielsweise als Abgasstauklappe oder als Abgasrückführventil dient.
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Die Klappenvorrichtung 10 umfasst ein Strömungsgehäuse 12, welches einen ersten Strömungskanal 14 und einen zweiten Strömungskanal 16 begrenzt. Das Strömungsgehäuse 12 ist aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere einstückig und aus einem Gusswerkstoff, hergestellt.
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Die Klappenvorrichtung 10 weist weiterhin eine am Strömungsgehäuse 12 drehbar gelagerte Klappenwelle 18 auf, an welcher zwei Klappenkörper 20, 22 befestigt sind, wobei ein erster Klappenkörper 20 in dem ersten Strömungskanal 14 angeordnet ist und der zweite Klappenkörper 22 in dem zweiten Strömungskanal 16 angeordnet ist. Die Klappenwelle 18 ist einstückig ausgeführt und erstreckt sich durch die beiden Strömungskanäle 14, 16, wobei das Strömungsgehäuse 12 hierbei zwischen den beiden Strömungskanälen 14, 16 eine Öffnung 30 in Form einer Durchgangsöffnung, an einer dem ersten Strömungskanal 14 abgewandten Seite des zweiten Strömungskanals 16 eine Sacklochöffnung 34 und an einer dem zweiten Strömungskanal 16 abgewandten Seite des ersten Strömungskanals 14 eine Durchgangsöffnung 32 aufweist. Die Klappenwelle 18 ragt aus der Durchgangsöffnung 32 aus dem Strömungsgehäuse 12 heraus, wobei an dem herausragenden Abschnitt der Klappenwelle 18 ein in der Figur nicht gezeigter Aktor angreift, durch welchen die Klappenwelle 18 und die Klappenkörper 20, 22 zwischen unterschiedlichen Stellungen verdreht werden können. Durch die Verstellung der Klappenwelle 18 und der Klappenkörper 20, 22 können die durch den jeweiligen Klappenkörper 20, 22 und eine Innenumfangsfläche der Strömungskanäle 14, 16 definierter Durchströmungsquerschnitt verändert werden, wobei durch die Befestigung der Klappenkörper 20, 22 an einer einzigen Klappenwelle 18 die Verstellung des Durchströmungsquerschnitts in beiden Strömungskanälen 14, 16 zwingenderweise gleichzeitig erfolgt.
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Die Klappenwelle 18 ist einerseits axial und andererseits radial, d.h. drehbar, an dem Strömungsgehäuse 12 gelagert.
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Für die radiale Lagerung der Klappenwelle 18 sind in der Öffnung 30, in der Sacklochöffnung 34 und in der Durchgangsöffnung 32 jeweils ein Radiallager 40, 42, 44 in Form eines Gleitlagerelements 41, 43, 45 vorgesehen. Ein erstes Gleitlagerelement 43, ein zweites Gleitlagerelement 45 und ein drittes Gleitlagerelement 41 sind hülsenartig ausgeführt und aus einem Sinterwerkstoff hergestellt. Die hülsenartigen Gleitlagerelemente 41, 43, 45 sind über jeweils eine Pressverbindung am Strömungsgehäuse 12 befestigt, wobei die Gleitlagerelemente 41, 43, 45 bei der Montage in die jeweilige Öffnung 30, 32, 34 derart eingepresst werden, dass im montierten Zustand zwischen den Außenumfangsflächen 46, 47, 48 der Gleitlagerelemente 41, 43, 45 und der Innenumfangsflächen 31, 33, 35 der Öffnungen 30, 32, 34 jeweils eine Flächenpressung vorliegt und die Gleitlagerelemente 41, 43, 45 axial, radial und tangential, d.h. in Umfangsrichtung, am Strömungsgehäuse 12 befestigt sind.
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Die axiale Lagerung erfolgt durch ein Axiallager 50, welches ein Lagerelement 52, ein Gegenlagerelement 54 und ein Keramikelement 56 aufweist. Das Lagerelement 52 ist innerhalb der Durchgangsöffnung 32 angeordnet und am Strömungsgehäuse 12 befestigt. Das Lagerelement 52 weist einen kreisringförmigen Querschnitt auf und ist über eine Außenumfangsfläche in das Strömungsgehäuse 12 eingepresst, so dass das Lagerelement 52 am Strömungsgehäuse 12 zumindest in Axialrichtung fest angeordnet ist. Das Gegenlagerelement 54 ist an der Klappenwelle 18 befestigt, beispielsweise über eine Pressverbindung. Das Keramikelement 56 ist zwischen dem Lagerelement 52 und dem Gegenlagerelement 54 angeordnet und an einer dem Lagerelement 52 zugewandten Seite des Gegenlagerelements 54 befestigt. Das Keramikelement 56 weist eine konische Anlagefläche 58 auf, welche im endmontierten Zustand an einer dazu komplementären, konischen Gegenanlagefläche 60 des Lagerelements 52 anliegt. Durch die konische Ausführung der Anlageflächen 58, 60 kann die sich berührende Fläche vergrößert werden und dadurch die Abdichtung verbessert werden.
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An dem herausragenden Abschnitt der Klappenwelle 18 ist ein Federaufnahmeelement 70 befestigt, wobei zwischen dem Federaufnahmeelement 70 und dem Strömungsgehäuse 12 ein Federelement 72 vorgespannt angeordnet ist. Das Federelement 72 bewirkt eine derartige Belastung auf die Klappenwelle 18, dass das Gegenlagerelement 54 in Richtung des Lagerelements 52 des Axiallagers 50 belastet wird.
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Im Neuzustand der Klappenvorrichtung 10, d.h. im Zustand nach der Erstmontage, liegt zwischen der Außenumfangsfläche 46, 47, 48 der Gleitlagerelemente 41, 43, 45 und der entsprechenden Umfangsfläche 31, 33, 35 der Öffnungen 30, 32, 34 eine derart hohe Flächenpressung vor, dass die Gleitlagerelemente 41, 43, 45 radial, axial und tangential fest am Strömungsgehäuse 12 angeordnet sind. Im Betrieb der Klappenvorrichtung 10 werden die Strömungskanäle 14, 16 mit einem Abgas durchströmt, welcher eine Temperatur von mehreren 100 C° aufweist. Durch die hohen Temperaturen des Abgases erwärmen sich die Gleitlagerelemente 41, 43, 45 und das Strömungsgehäuse 12 und dehnen sich entsprechend ihres Wärmeausdehnungskoeffizienten aus. Das in der Öffnung 30 angeordnete, dritte Gleitlagerelement 41 und der Bereich des Strömungsgehäuses 12 um das dritte Gleitlagerelement 41 sind thermisch am stärksten belastet. Durch die thermische Ausdehnung insbesondere des dritten Gleitlagerelements 41 und des Strömungsgehäuses 12 steigt die Flächenpressung zwischen der Außenumfangsfläche 46 des dritten Gleitlagerelements 41 und der Umfangsfläche 31 der Öffnung 30 derart an, dass das dritte Gleitlagerelement 41 und das Strömungsgehäuse 12 im Bereich der Öffnung 30 sich plastisch verformen. Durch die plastische Verformung liegt im abgekühlten Zustand des dritten Gleitlagerelements 41 und des Strömungsgehäuses 12 ein Radialspalt 49 zwischen der Außenumfangsfläche 46 des dritten Gleitlagerelements 41 und der Umfangsfläche 31 der Öffnung 30 vor, wodurch die Flächenpressung zumindest im abgekühlten Zustand aufgehoben ist und eine Fixierung des dritten Gleitlagerelements 41 am Strömungsgehäuse 12 nicht mehr gegeben ist.
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Erfindungsgemäß ist an der Außenumfangsfläche 46 des dritten Gleitlagerelements 41 eine makroskopische Aussparung 80 in Form einer Nut vorgesehen. Die Aussparung 80 bewirkt, dass bei der thermisch bedingten Ausdehnung des dritten Gleitlagerelements 41 und des Strömungsgehäuses 12 und die dadurch verursachte plastische Verformung des Gleitlagerelements 41 und des Strömungsgehäuses 12 ein Abschnitt 82 des Strömungsgehäuses 12 in die Aussparung 80 eindringt. Der in die Aussparung 80 eindringende und im abgekühlten Zustand auch noch vorliegende Abschnitt 82 entsteht durch eine plastische Verformung und bildet einen Vorsprung 84, welcher auch im abgekühlten Zustand des Strömungsgehäuses 12 erhalten bleibt und in die Aussparung 80 eingreift. Hierbei weist der Vorsprung 84 bei einer vorliegenden thermischen Ausdehnung des Gleitlagerelements 41 und des Strömungsgehäuses 12 eine Radialerstreckung a auf, welche sich aus einem elastischen und einem plastischen Anteil zusammensetzt. Im abgekühlten Zustand bleibt ausschließlich der plastische Anteil der Verformung erhalten, so dass der Vorsprung 84 eine Radialerstreckung b aufweist, welche geringer als die Radialerstreckung a ist. Die Radialerstreckung b des durch die plastische Verformung entstandenen Vorsprungs 84 ist im abgekühlten Zustand des Strömungsgehäuses 12 und des Gleitlagerelements 41 derart hoch, dass der Vorsprung 84 über einen Abschnitt d mit den Seitenflächen 86, 88 an den Seitenflächen 90, 92 der Aussparung 80 anliegt. Damit bilden der Vorsprung 84 und die Aussparung 80 eine formschlüssige Verbindung zwischen dem dritten Gleitlagerelement 41 und dem Strömungsgehäuse 12 in Axialrichtung, wobei die formschlüssige Verbindung sich automatisch durch die Inbetriebnahme der Klappenvorrichtung 10, d.h. durch das Durchströmen der Strömungskanäle 14, 16 mit dem Abgas, einstellt und dafür keine zusätzlichen Komponenten erforderlich sind. Die Herstellung des Vorsprungs 84 ist in den 2a, 2b und 2c dargestellt, wobei die 2a den Neuzustand darstellt und das Gleitlagerelement 41 lediglich in die Öffnung 30 eingepresst ist. In 1 ist ebenfalls der Neuzustand dargestellt. Die 2b zeigt einen Zustand, in welchem die Strömungskanäle 14, 16 mit dem Abgas durchströmt sind und dadurch das dritte Gleitlagerelement 41 und das Strömungsgehäuse 12 im Bereich des dritten Gleitlagerelements 41 sich thermisch bedingt ausgedehnt haben. Die 3c zeigt den abgekühlten Zustand nach der thermischen Ausdehnung des Gleitlagerelements 41 und des Strömungsgehäuses 12.
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Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist, sondern verschiedene Modifikationen möglich sind. Beispielsweise können auch die anderen Gleitlagerelemente 43, 45 mit einer Aussparung vorgesehen werden. Die Aussparung könnte auch an der Umfangsfläche 31 der Öffnung 30 ausgebildet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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