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Die
Erfindung betrifft ein Axialgleitlager, insbesondere ein Axialgleitlager
einer Abgasturboladerwelle gemäß dem Oberbegriff
des Anspruch 1.
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Die
Abgasturboaufladung ermöglicht
die Steigerung von maximalem Drehmoment und maximaler Leistung,
bei konstantem Arbeitsvolumen, ohne einem Verbrennungsmotor mechanische
Antriebsleistung abzufordern. Ein Turbolader besteht aus einer Turbine
und einem Verdichter, die über
eine Welle mechanisch miteinander verbunden sind. Ein Turbolader
kann Drehzahlen von über
200.000 1/min erreichen. Um diesen enorm hohen Drehzahlen und der
hohen Temperaturbelastung im Dauerbetrieb standhalten zu können, werden
Turboladerwellen meist in Gleitlagern gelagert.
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Gleitlager
sind Bauelemente, die dazu dienen, die prinzipiellen sechs Freiheitsgrade
(drei Verschiebungsrichtungen, drei Drehachsen) zweier Körper zueinander
auf eine einzige Rotationsachse einzuschränken. Abhängig von Belastung und Geschwindigkeit
müssen
die Lagermaterialien aufeinander abgestimmt sein. Häufig verwendete
Lagerwerkstoffe sind Bronze, Weißmetalle, Bleilagermetalle, Aluminiumlegierungen,
Kunststoffe und verschiedene Legierungen, die speziell mit geringen
Reibungskoeffizienten entwickelt werden, sowie Keramiken und in
geringerem Umfang auch faserverstärkte Keramik.
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Man
unterscheidet Festkörperreibungslager, hydrodynamische
Gleitlager und hydrostatische Gleitlager. Durch die Relativbewegung
der beiden Lagerpartner, z.B. Schale und Welle, tritt Reibung auf.
Beim Festkörperreibungslager
tritt Festkörperreibung
auf, bei den anderen Lagertypen erfolgt die Trennung der relativ
zueinander bewegten Oberflächen
durch einen Schmierfilm. Hydrodynamische Gleitlager haben allerdings "Mischreibung" zu bewältigen;
im Normalbetrieb sollen die Feststoffe durch den Schmierstofffilm
voneinander getrennt sein, aber in der Anlauf phase ist ein Festkörperkontakt
und dementsprechender Verschleiß meist
nicht gänzlich zu
vermeiden.
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Ein
hydrostatisches Axialgleitlager zeichnet sich durch einen aktiven
Schmierstoffkreislauf aus, welcher mit einer externen Pumpe aufrecht
erhalten wird und der durch den Lagerspalt geführt wird. Dadurch wird der
Nachteil der hydrodynamischen Gleitlager vermieden, nämlich der
beim Anfahren und Auslaufen durch die Mischreibung verursachte hohe Gleitwiderstand
und damit verbundene Verschleiß des
Lagers. Die Funktion beruht darauf, dass mittels einer externen
Druckversorgung fortwährend
der Schmierstoff über
Einlasskanäle
in keilartige Schmiermitteltaschen zwischen den Lagerflächen gepresst
wird und diese dadurch stets durch einen dünnen Schmierfilm voneinander
getrennt sind. Dadurch tritt Reibungsverlust nur durch die Scherkräfte der
Flüssigkeit
auf, die proportional zur Geschwindigkeit sind, mit der sich die
Lagerflächen
gegeneinander bewegen. Der Reibungskoeffizient ist damit sehr niedrig.
Im Grenzfall verschwindender Relativgeschwindigkeit laufen hydrostatische
Lager daher praktisch reibungsfrei; ein Stick-Slip-Effekt tritt nicht auf, da kein
direkter Kontakt zwischen den Lagerflächen stattfindet. Dies ermöglicht somit
hochgenaue Positionierregelungen.
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Axiallager,
auch als Längslager,
Drucklager oder Spurlager bezeichnet, nehmen -Kräfte in Richtung der Wellenachse
auf.
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Eine
Beispiel eines Axialgleitlagers mit externer Zwangsschmierung und
einer zwischengelegten, schwimmenden Lagerscheibe ist in der europäischen Patentschrift
EP 0 840 027 B1 beschrieben.
Die Auslegung des Axialgleitlagers funktioniert dabei nach dem Prinzip
des Schmierkeils. Radiale Nuten in den Stirnflächen der Lagerscheibe transportieren
das Schmieröl
nach außen,
wo es über
Keilflächen,
welche an die Nuten in Umfangsrichtung anschließen, in einen sich in Bewegungsrichtung
des Schmierstoffs gesehen verengenden Querschnitt befördert wird. Die
Keilflächen
sind dabei bis auf schmale Durchbrüche umfangsseitig von einem
Rand umfasst, so dass Taschen gebildet werden, die das Schmiermittel
aufnehmen. Durch die Rotation der Scheibe und den Druck der externen
Pumpe wird ein Ölvolumenstrom in
den Keil, bzw. in die Keilflächentaschen
hinein geför dert.
Da sich der Querschnitt verengt, der Volumenstrom aber nach der
Kontinuitätsgleichung
konstant bleibt, entsteht eine hydrodynamische Druckverteilung,
die auf die dazu parallel angeordneten Gegenlagerflächen eine
Kraft ausübt
und somit den erforderlichen Schmierspalt erzeugt.
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Hierbei
ist zu beachten, dass diese keilförmigen Vertiefungen in der
Lagerscheibe eine für
herkömmliche
Fertigungsmethoden relativ aufwendig ausgebildete Geometrie ist.
Die Schmierkeile müssen
mit hoher Genauigkeit in die Lagerschalen eingebracht werden, um
eine gleichmäßige Druckverteilung
bei allen Taschen zu erreichen. Dies kann meist nur durch eine aufwendige
Bearbeitung mit hochgenauen Werkzeugmaschinen erreicht werden. Zudem ist
die im Schmierspalt erzeugte Druckverteilung des Schmiermediums
nicht konstant, was wiederum zu einer ungleichmäßigen Flächenbelastung der Lagerflächen durch
die erzeugten Kräfte
führt.
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Um
den Druck im Schmierkeil aufrecht zu erhalten bzw. ein abschleudern
des Öls
zu verhindern wird z.B. ein umlaufender Staurand auf der Lagerscheibe
notwendig. Der Staurand weist kleine radiale Durchbrüche auf
Höhe der Ölzuführnuten
auf. Diese werden benötigt,
um die Größe des durch
die Zentrifugalkraft der rotierenden Lagerscheiben abfließenden Schmiermittelvolumenstroms
einzustellen und Schmutzpartikel abzuführen, die aufgrund ihrer größeren Masse
nach außen
zentrifugiert werden. Diese relativ kleinen Durchbrüche müssen somit
ebenfalls sehr genau gefertigt werden und können unter Umständen durch
im Schmierstoff mitgeführte
Schmutzpartikel verstopfen, wodurch die Funktionstüchtigkeit der
Lagerung negativ beeinflusst wird.
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Hiervon
ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Aufbau
eines gattungsgemäßen Axialgleitlagers
zu vereinfachen, eine hohe Funktionssicherheit und den flexiblen
Betrieb des Axialgleitlagers zu gewährleisten, sowie die Kosten für die Herstellung
und den Betrieb der Lagerung zu reduzieren.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst Erfindungsgemäß wird dazu
ein Axialgleitlager vorgeschlagen, welches insbesondere zur Abstützung einer
gleitgelagerten Abgasturboladerwelle benützt werden kann. Dabei ist
eine Lagerscheibe vorgesehen, welche in schwimmender Anordung in
einem zylindrischen Abschnitt eines Lagergehäuse zentriert ist, und einerseits
an einem umlaufenden Gehäuserücksprung
anliegt und andererseits an einem umlaufenden Wellenvorsprung. Die
erzwungene Schmiermittelzufuhr erfolgt wellenseitig zur an dem Gehäuserücksprung
anliegenden Stirnfläche
des Lagers. Die Lagerscheibe ist dabei mit ihrer Außenumfangsfläche so in
dem dazu feststehenden Lagergehäuse
zentriert, dass sich ein ringförmiger Überströmspalt zwischen
der Außenumfangstläche der
Lagerscheibe und dem dazu feststehenden Lagergehäuse bildet. Die Zentrierung
ist dabei so ausgelegt, dass der ringförmige Überströmspalt als Öldrosselspalt wirkt. Damit
bildet sich zumindest zwischen einer ersten Stirnfläche der
Lagerscheibe und dem Lagergehäuserücksprung
ein Lager- bzw. Schmierspalt.
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Mit
dieser Anordnung gelingt einerseits eine gute Zentrierung der Lagerscheibe.
Denn die schwimmende Lagerung wirkt durch den durch den Öldrosselspalt
zwischen der Außenumfangsfläche der
Lagerscheibe und dem Lagergehäuse
hindurchströmenden
Schmierstoffvolumenstrom selbstzentrierend. Somit stellt sich ein
konstanter Volumenstrom des Schmiermittels in Abhängigkeit
der wählbaren
Größe des ringförmigen Drosselspalts
und des aufgebrachten Schmiermitteldruckes ein.
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Anderseits
kann mit dem erfindungsgemäßen Axiallager
die Existenz eines Lagerspalts zumindest zwischen dem Gehäuserücksprung
und der zugeordneten Stirnseite der Lagerscheibe, selbst dann sichergestellt
werden kann, wenn die Geometrie dort wesentlich einfacher aufgebaut
ist als bei bekannten, schwimmenden Axiallagerscheiben. Denn dadurch, dass
die Zentrierung und damit der ringförmige Überströmspalt als Öldrosselspalt zur Drosselung
des Ölflusses
ausgelegt ist, wird das radial abschleudernde Öl aufgestaut.
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Ein
zusätzlicher,
umlaufender Staurand kann somit entfallen, so dass die Keilflächen wesentlich leichter
in die Lagerscheibe eingebracht werden können als ta schenförmige Keilflächen, wodurch
die Herstellungskosten stark gesenkt werden können. In bestimmten Anwendungsfällen kann
der Staudruck sogar so eingestellt werden, dass zumindest diese Seite
der Lagerscheibe vorwiegend plan oder bis auf Radialnuten vorwiegend
plan ausgebildet sein kann, was die Herstellungskosten weiter senkt
und wegen der größeren Auflagefläche einen
sicheren Betrieb des Lagers begünstigt.
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Die
Breite des Drosselspaltes wird durch den Durchmesserunterschied
zwischen dem Außendurchmesser
der Lagerscheibe und dem kreisförmigen
Lagergehäuseinnendurchmesser
bestimmt. Dadurch, dass die Lagerscheibe in dem Lagergehäuse zentriert
ist und nicht auf der Welle und durch die selbstzentrierende Wirkung
des Schmiermittelstroms kann der Durchmesserunterschied recht eng
gewählt werden,
so dass sich eine gute Stauwirkung ergibt. Dabei kann die Höhe des Druckabfalls
innerhalb des Drosselspaltes sowohl durch die Breite (in Radialrichtung)
als auch die Länge
(in Axialrichtung) des Drosselspaltes entsprechend dem geforderten
Schmiervorgang eingestellt werden, indem eine Lagerscheibe mit dem
gewünschten
Durchmesser und der gewünschten
Scheibendicke gewählt
wird.
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Der
Lagerspalt zwischen Gehäuserücksprung
und Lagerspalt kann für
viele Anwendungsfälle
ausreichend sein. Falls durch die Rotation der Axiallagerscheibe
auf halber Wellendrehzahl jedoch die Reibung weiter abgesenkt werden
soll, kann zwischen der zweiten Stirnfläche der Lagerscheibe und dem
senkrecht zur Wellenachse umlaufenden Wellenvorsprung mit geeigneten
Oberflächengeometrien ein
weiterer Lagerspalt oder Dichtspalt erzeugt werden.
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Wenn
eine entsprechende Zentrierung des sich auf der dem Gehäuserücksprung
gegenüberliegenden
Stirnseite der Lagerscheibe befindenden, umlaufenden Wellenvorsprungs
in dem zylindrischen Abschnitt des Lagergehäuses gelingt, kann dabei der Öldrosselspalt
um die Breite des umlaufenden Wellenvorsprungs verlängert werden
und die Stauwirkung auch auf dieser Seite der Lagerscheibe erzielt werden.
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Hierzu
besteht auch die Möglichkeit,
durch ein Aneinanderreihen von mehreren Axiallagerscheiben diesen
Effekt den notwendigen Erfordernissen der Lagerung schnell und kostengünstig anzupassen.
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Durch
das Einbringen von einer oder mehrerer Ablaufbohrungen in das Lagergehäuse, welche von
außen
in den jeweiligen Schmierspalt münden, können eventuell
im Schmierstoff mitgeführte Schmutzpartikel
aus dem Bereich der Lagerscheibe abgeleitet bzw. auszentrifugiert
werden. Dadurch kann die Lebensdauer erhöht und ein sicherer Betrieb
der Lagerung gewährleistet
werden. Vorteilhaft ist es dabei, wenn die Ablaufbohrungen in Radialrichtung
zur Wellenachse in der Verlängerungsachse
des jeweiligen Schmierspalts oder tangential verlaufen.
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Werden
die Einlassöffnungen
dieser Abflussbohrungen trichterförmig ausgestaltet, wirkt sich
dies positiv auf das Abfließverhalten
der Schmutzpartikel aus.
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Durch
zumindest einen, in das Lagergehäuse
eingebrachten, um den jeweiligen Schmierspalt umlaufenden Freistich
auf Höhe
der jeweiligen Abflussbohrungen ergibt sich damit ein Sammeleffekt, denn
der abfließende
Schmierstoff mit den darin enthaltenen Schmutzpartikeln sammelt
sich in dem jeweiligen Freistich, wobei die Schmutzpartikel aufgrund
der Bewegungsrichtung nach radial außen und in Umfangsrichtung
an den Abflussbohrungen eingesammelt werden.
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Eine
gleichmäßige und
damit homogene Umströmung
der Lagerscheiben mit dem zugeführten
Schmierstoff kann dadurch erreicht werden, dass die umlaufenden
Scheibenkanten abgeschrägt
bzw. abgefast oder abgerundet werden. Denn dadurch wird einer Verwirbelung
des Schmierstoffvolumenstroms und der entsprechend inhomogenen Druckverteilung
entgegengewirkt. Diese Maßnahme
kann zudem vorteilhaft so auf den jeweiligen Freistich am Lagergehäuse abgestimt
sein, dass sich das Ölsammelvolumen
und damit der Schmutzpartikelfang entsprechend vergrößert.
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Durch
die konstruktive Auslegung der Axiallagerscheibe können die
Eigenschaften der Lagerung auf unterschiedliche Anforderungen eingestellt werden.
Durch die entsprechende Festlegung des Innen- und Außendurchmessers
der Lagerscheibe erfolgt im Zusammenspiel mit dem Außendurchmesser der
Welle und dem Bohrungsdurchmesser eine Drosselung des Schmiermittelvolumenstroms
durch den durchströmten
Schmierspalt zwischen der einen Lagerscheibenstirnseite und dem
Lagergehäuse,
während
auf der Lagerscheibeninnenseite genügend Öl zum Schmierspalt zwischen
der anderen Lagerscheibenstirnseite und der Wellenschulter durchtritt.
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Ferner
kann auf zumindest einer Seite der Axiallagerscheibe die bekannte
Oberflächengeometrie
vorgesehen sein, bei der umlaufend eine Anzahl von Einlasskanälen in keilartige
Schmiermitteltaschen münden,
wodurch der einströmende
Schmiermittelvolumenstrom zwischen die Lagerflächen gepresst wird. Der Reibungskoeffizient
kann damit weiter reduziert werden.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.
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Die
einzelnen Merkmale der Ausführungsformen
gemäß den Ansprüchen lassen
sich, soweit es sinnvoll erscheint, beliebig kombinieren. Dabei
versteht es sich von selbst, dass die vorstehend genannten und die
nachstehend noch zu erläuternden
Merkmale nicht nur in der angegebenen Kombination, sondern auch
in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend
wird anhand einer schematischen Zeichnung eine bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung näher
erläutert.
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1 zeigt
eine Schnittzeichnung einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Axialgleitlagers.
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1 zeigt
die in dem Lagergehäuse 5, 7 rotierend
gelagerte Welle 1 mit ihrem umlaufenden Vorsprung 13 (auch
Spurring oder Laufring genannt), mit dem die Welle 1 in
Achsrichtung gleitgelagert abgestützt ist. Die Axialgleitlagerung
weist eine Axiallagerscheibe 3 auf, mit ggf. mindestens
einer umlaufenden Abschrägung 23,
welche sich in schwimmender Anordnung auf der Welle 1 befindet,
wobei ihr Innendurchmesser als Übermaßbohrung
im Vergleich zum Wellendurchmesser der Welle 1 ausgeführt ist.
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Das
Lagergehäuse 5, 7 weist
im Bereich der Axiallagerung einen zylindrischen Abschnitt 7 auf,
in dem die Axiallagerscheibe 3 zentriert ist. Der zylindrischen
Abschnitt 7 legt somit durch seinen Bohrungsdurchmesser
die schwimmende Lagerung der Axiallagerscheibe 3 fest.
Das Gehäuse
weist ferner einen umlaufenden Rücksprung 5 von
dem Bohrungsdurchmesser des zylindrischen Abschnitts 7 zu einem
geringeren Durchmesser hin auf, welcher als axialer Anschlag des
Lagergehäuses 5, 7 an
der Axiallagerscheibe 3 dient.
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Zwischen
dem Rücksprung 5 und
der Axiallagerscheibe 3 bildet sich ein erster Lagerspalt 9.
Auf Seiten der gegenüberliegenden
Stirnflächen
der Axiallagerscheibe 3 bildet sich ein zweiter Lagerspalt 11 zwischen
der Lagerscheibe 3 und dem umlaufenden Vorsprung 13 der
Welle 1.
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Durch
eine nicht dargestellte Pumpe wird ein Schmierstoffvolumenstrom
erzeugt und durch einen kreisringförmigen Querschnitt zwischen
der Welle 1 und dem Durchmesser des umlaufenden Rücksprungs 5 geführt. Der
Durchmesser des Rücksprungs
innerhalb dessen sich die rotierende Welle befindet, muss dabei
einen hinreichend großen Durchmesser
besitzen, um den von einer nicht gezeigten Schmierstoffpumpe erzeugten
Schmiervolumenstrom in Pfeilrichtung zu den Lagerspalten 9, 11 transportieren
zu können.
Von dort strömt
das Schmiermittel sowohl in den ersten Lagerspalt 9 zwischen
der der Stirnfläche
des Rücksprungs 5 und
der Axiallagerscheibe 3, als auch durch den kreisringförmigen Spalt
zwischen dem Innendurchmesser der Axiallagerscheibe 3 und
der Welle 1 zu dem zweiten Lagerspalt 11. Dort
strömt
das Schmiermittel radial nach außen zu der Mantelfläche des
zylindrischen Abschnitts 7 hin.
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Durch
die Zentrierung der schwimmend gelagerten Axiallagerscheibe 3 in
dem zylindrischen Abschnitt 7 und verursacht durch den
Schmiermittelvolumenstrom, bil det sich zwischen der äußeren Umfangsfläche der
Axiallagerscheibe 3 und dem Durchmesser des zylindrischen
Abschnitts 7 einen Öldrosselspalt 10,
der aufgrund seiner Ausprägung
die Schmierstoffdruckverhältnisse
und auch Schmierstoffvolumenströme
beeinflusst.
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Als
weitere Drosselstelle ergibt sich der kreisringförmige Querschnitt zwischen
der äußeren Umfangsfläche des
umlaufenden Vorsprungs 13 und dem Durchmesser des zylindrischen
Abschnitts 7. Nach Durchtritt durch diese weitere Drosselstelle strömt der Schmiervolumenstrom
schließlich
in den hinteren Abschnitt des Lagergehäuses, von wo aus er nach außen hin
abgeführt
wird.
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Um
in dem Schmierölstrom
vorhandene Schmutzpartikel vor Eintritt in den Öldrosselspalt 10 bzw.
die weitere Drosselstelle ausfiltern zu können, sind dabei auf Höhe der Lagerspalte 9, 11 radiale
Abflussbohrungen 15, 17 in das Lagergehäuse 5, 7 eingebracht,
welche mit einem trichterförmigen
Sammelvolumen versehen sind, und welche mit im zylindrischen Abschnitt 7 des
Lagergehäuses
befindlichen, umlaufenden Freistichen 19, 21 in
Verbindung stehen.
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Durch
die Abschrägung 23 der
Axiallagerscheibe 3 wird der Ölvolumenstrom möglichst
verwirbelungsfrei im rechten Winkel zu dem Öldrosselspalt 10 hin
gefördert.
Mittels der Abschrägung 23 und
der Freistiche 19, 21 können die im Schmiermittel mitgeführten Schmutzpartikel
umlaufend eingefangen werden und über die trichterförmige Ausbildung
der Abflussbohrungen 15, 17 abfließen.
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Selbstverständlich sind
Abweichungen von den gezeigten Varianten möglich, ohne den Grundgedanken
der Erfindung zu verlassen.