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Die
Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzdüse für
eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit
einem Düsenkörper, einer in dem Düsenkörper
axial beweglich angeordneten Düsennadel, welche mit einer
Düsennadelspitze in ein Sackloch des Düsenkörpers
eingreift, wobei die Düsennadelspitze und das Sackloch
derart ausgebildet sind, dass die Düsennadel in dem Sackloch
geführt ist, und wenigstens einer in dem Düsenkörper
angeordneten Einspritzöffnung, wobei die Düsennadel
mit einer Dichtfläche an einer Innenwandung des Düsenkörpers
anschlägt, um die Kraftstoffeinspritzdüse zu verschließen,
wobei zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper
stromauf der Dichtfläche ein Druckraum ausgebildet ist,
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus
der
DT 1 947 673 ist
ein Kraftstoffeinspritzventil mit Düsennadel und Düsenkörper
bekannt. Die Düsennadel erstreckt sich bis in ein im Kopfteil
des Düsenkörpers angeordnetes Führungs-Sackloch
mit Führungsbohrung. In dem Führungs-Sackloch
sind mehrere in radialer Richtung verlaufende Einspritzlöcher
ausgebildet. Ein Verschließen der Einspritzdüse
erfolgt durch einen Anschlag der Düsennadel an einer Innenwandung
des Düsenkörpers oberhalb der Einspritzlöcher,
so dass eine Dichtfläche beabstandet von den Einspritzlöchern
ausgebildet ist. Hierbei kann es jedoch passieren, dass aufgrund
der notwendigen Spielanpassung der Kraftstoff um die Düsennadelspitze
herumkriecht und zu einem unerwünschten Volumenstrom sowie zu
einer unerwünschten Verkokung der Düse führt, was
aus Emissionsgründen nicht tragbar ist. In der Spitze der
Düsennadel ist eine axiale Bohrung vorgesehen, die einen
Raum im Sackloch mit einem Raum zwischen Düsennadel und
Düsenkörper stromauf der Einspritzlöcher
und stromab der Dichtfläche zwischen Düsennadel
und Düsenkörper verbindet.
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Aus
der
DE 199 46 906
A1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil mit Düsennadel
und Düsenkörper bekannt, bei dem an der Düsennadelspitze
ein Schließkopf ausgebildet ist, welcher sich in ein Sackloch
im Kopfteil des Düsenkörpers erstreck und in Schließstellung
der Düsennadel im Sackloch ausgebildete Einspritzöffnungen
verschließt. Ein Verschließen der Einspritzdüse
erfolgt durch einen Anschlag der Düsennadel an einer Innenwandung
des Kraftstoffeinspritzventils stromauf der Einspritzöffnungen,
so dass eine Dichtfläche beabstandet von den Einspritzöffnungen
ausgebildet ist. Stromab der Dichtfläche sowie stromauf
des Schließkopfes ist ein Ringraum zwischen Düsennadel
und Düsenkörper ausgebildet. Ein in dem Schließkopf
ausgebildeter Kanal verbindet einen Raum im Sackloch mit diesem
Ringraum.
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Im
Teilhub treten bei so genannten Sitz-Sacklochdüsen, wie
zuvor beschrieben, große Streuungen der Durchflüsse
von Loch zu Loch und ungleichförmige Strahlkeulen auf.
Dies führt in unerwünschter Weise zu Russbildung
und erhöhten HC-Emissionen. Auch eine unerwünschte
Streuung der eingespritzten Kraftstoffmenge besonders beim Teilhub
ist zu beobachten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffeinspritzdüse
hinsichtlich der Einspritzcharakteristik sowie ihrer Dichtheit außerhalb
von gewünschten Einspritzvorgängen zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kraftstoffeinspritzdüse
der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen
beschrieben.
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Dazu
ist es bei einer Kraftstoffeinspritzdüse der o. g. Art
erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Einspritzöffnungen
in einem Bereich des Düsenkörpers ausgebildet
sind, in dem sich die Dichtfläche befindet.
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Dies
hat den Vorteil, dass mit dem Schließen der Kraftstoffeinspritzdüse
gleichzeitig alle Einspritzöffnungen von der Düsennadelkontur
dicht verschlossen werden.
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Dadurch,
dass in der Düsennadelspitze, welche sich in das Sackloch
erstreckt, ein Verbindungskanal ausgebildet ist, welcher einen Raum
im Sackloch mit dem Druckraum verbindet liegt ein Kraftstoffdruck
bei geschlossener Düsennadel auch im Sackloch unterhalb
der Düsennadelspitze an, so dass die Öffnungskraft
für die Düsennadel vergrößert
ist. Dies erlaubt ein beschleunigtes Öffnen der Düsennadel mit
einem ggf. "rechteckigen" Einspritzverlauf. Gleichzeitig wirkt die
Druckkraft unter der Düsennadelspitze bremsend und schont
dadurch beim Schließen der Düsennadel den Nadelsitz.
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Dadurch,
dass die Düsennadelspitze an ihrem Umfang in axialer Richtung
verlaufende Rillen aufweist, welche den Raum im Sackloch mit dem Dichtsitzbereich
verbinden, strömt Kraftstoff beim Öffnen der Düsennadel
auch aus Richtung des Sackloches zu den Einspritzöffnungen.
Hierdurch wird eine Drosselstelle für die Kraftstoffströmung
auch bei kleinen Hüben der Düsennadel sofort zu
den Eintritten der Einspritzöffnungen verlegt, Damit tritt
der Druckabfall nur an der Stelle auf, an der die Gemischbildung
eingeleitet wird. An den Locheintrittskanten der Einspritzöffnungen
entstehende Turbulenzen sind nicht verlorene Energie, sondern kommen
der Gemischbildung zugute. Die gleichmäßige Zuströmung
des Kraftstoffes zu den Eintritten der Einspritzöffnungen
sorgt darüber hinaus dafür, dass sich die Strahlkeulen symmetrisch
zur Lochachse einer jeden Einspritzöffnung ausbilden und
nicht durch Einlaufeffekte, die sich bei asymmetrischer Zuströmung
von Kraftstoff ergeben, seitlich abgelenkt werden.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher
erläutert. Diese zeigt in
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1 eine
bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Kraftstoffeinspritzdüse in Schnittansicht und
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2 eine
Düsennadelspitze einer Düsennadel für
die Kraftstoffeinspritzdüse gemäß 1 im Querschnitt.
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Die
in 1 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse
umfasst einen Düsenkörper 10 und eine Düsennadel 12.
Der Düsenkörper 10 ist an einem kopfseitigen
Ende mit einem Sackloch 14 ausgebildet. Die Düsennadel 12 umfasst
eine Düsennadelspitze 16, die in das Sackloch 14 greift.
Sackloch 14 und Düsennadelspitze 16 sind
derart angeordnet und ausgebildet, dass die Düsennadel 12 in
dem Sachloch 14 in radialer Richtung geführt und
in axialer Richtung relativ zum Düsenkörper 10 bewegbar ist.
Weiterhin ist die Düsennadel 12 in dem Düsenkörper 10 bei 18 in
radialer Richtung geführt. Lediglich zum Zweck der besseren Übersichtlichkeit
ist bei der radialen Führung 18 ein Spalt zwischen
der Düsennadel 12 und dem Düsenkörper 10 eingezeichnet.
Tatsächlich ist hier eine fluiddichte radialen Führung 18 ausgebildet.
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Die
Düsennadel 12 umfasst eine Dichtfläche 20,
welche im Schließzustand der Düsennadel 12 an einer
Innenwandung 22 des Düsenkörpers 10 anschlägt,
um die Kraftstoffeinspritzdüse zu schließen. Zwischen
der Düsennadel 12 und dem Düsenkörper 10 ist
stromauf der Dichtfläche 20 ein Druckraum 24 ausgebildet,
welcher über eine Hochdruckleitung 26 mit unter
Druck gesetztem Kraftstoff versorgt wird.
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Ein
Raum im Sackloch 14 ist über einen in der Düsennadelspitze 16 und
der Düsennadel 12 ausgebildeten Kanal 28 mit
dem Druckraum 24 verbunden. Dadurch liegt auch im Sackloch 14 ein
Kraftstoffdruck an.
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Der
Düsenkörper 10 ist in demjenigen Bereich
der Innenwandung 22 des Düsenkörper 10,
an den die Dichtfläche 20 der Düsennadel 12 anschlägt, mit
Einspritzöffnungen 30 ausgebildet. Dadurch werden
die Einspritzöffnungen 30 von der Düsennadel 12 in
Schließstellung verschlossen, d. h. die kraftstoffeinspritzdüsenseitigen
Eintrittsöffnungen der Einspritzöffnungen 30 befindenden
sich im Bereich der Dichtfläche 20.
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Zum Öffnen
der Kraftstoffeinspritzdüse wird die Düsennadel 12 in
axialer Richtung derart relativ zum Düsengehäuse 10 bewegt,
dass die Dichtfläche 20 von der Innenwandung 22 des
Düsenkörpers 10 abhebt und einen Strömungskanal
in Form eines Ringkanals zwischen Düsennadel 12 und
Düsenkörper 10 von dem Druckraum 24 zu
den Einspritzöffnungen 30 frei gibt. Beim Schließen
der Kraftstoffeinspritzdüse wird durch eine entgegengesetzte
axiale Bewegung der Düsennadel 12 die Dichtfläche 20 wieder
an die Innenwandung 22 des Düsenkörpers 10 angedrückt,
so dass der Ringkanals zwischen Düsennadel 12 und
Düsenkörper 10 wieder dichtend verschlossen
wird.
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2 zeigt
die Düsennadelspitze 16 im Querschnitt. Die Düsennadelspitze 16 weist
in ihrer Umfangsfläche Rillen 32 auf, die das
Sackloch 14 mit dem Bereich der Dichtfläche 20 verbinden.
Auf diese Weise kann bei Öffnen der Düsennadel 20 der
unter Druck stehende Kraftstoff aus dem Druckraum 24 auch über
den Kanal 28, das Sackloch 14 und die Rillen 32 zu
den Einspritzöffnung 30 strömen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse
liegt eine doppelte Düsenadelführung vor, wobei
die Lagerstellen in Strömungsrichtung gesehen stromauf
und stromab der Einspritzöffnungen 30 angeordnet
sind. Die obere bzw. stromaufseitige Führung 18 ist
die übliche Düsennadelführung mit Nenndurchmesser
der Düsennadel 12 und die untere bzw. stromabseitige
Führung ist die als Zapfen ausgeführte Düsennadelspitze 16 in
dem Sackloch 14. Dies erzielt eine doppelte Düsennadelführung
ohne zusätzlichen Strömungswiderstand.
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Die
Ausführung der Düsennadelkontur ist derart, dass
die Düsennadel 12 die Einspritzöffnungen 30 bei
geschlossener Düsennadel 12 unmittelbar verschließt
(sitzlochgebohrte Düse). Das Volumen unterhalb der Düsennadelspitze 16 (Sackloch 14)
ist durch einen oder mehrere Verbindungskanäle 28 mit dem übrigen
Druckraum 24 verbunden. Die durch eine oder mehrere Querbohrungen
des Kanals 28 hergestellte Verbindung zum Druckraum 24 liegt oberhalb
bzw. stromauf der Dichtfläche 20 bzw. des Dichtbereiches,
welcher die Dichtfläche 20 und die Innenwandung 22 umfasst,
an der die Dichtfläche 20 anstößt.
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Die
als Lagerzapfen ausgebildete Düsennadelspitze 16 weist
Entlastungskanäle 32 (Rillen) auf, die parallel
oder schräg zu einer Düsenlängsachse verlaufen.
Diese Rillen 32 verbinden das Sackloch 14 mit
dem Dichtsitzbereich 20, 22.
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Durch
die äußere Nadelführung bei 18 und im
Bereich des Sackloches 14 steigt die Führungsgenauigkeit
der Düsennadel 12. Damit werden bei Teilhub die
Querschnitte der Einspritzöffnungen 30 gleichmäßig
freigegeben. Die gleichmäßig wirksamen Querschnitte
der Einspritzöffnungen 30 haben die folgenden
Auswirkungen: Ein gleichmäßiges Spritzbild, was
zu weniger Ruß und geringeren HC-Emission führt.
Der maximal notwendige Nadelhub kann begrenzt werden, wodurch eine
bessere Reproduzierbarkeit der Einspritzmenge erzielt wird. Die
Teilhubfähigkeit von beispielsweise Piezoaktuatoren kann
zur Einspritzverlaufsformung und Kleinmengendosierung herangezogen
werden. Im Vergleich zur herkömmlichen Mengendosierung
durch extrem kurze Schaltzeiten ergibt sich eine Verringerung der
Anforderungen an die Stellgeschwindigkeit des Aktuators.
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Die
Kombination der äußeren (unteren bzw. stromabseitigen)
Nadelführung im Bereich des Sackloches 16 mit
der hohlgebohrten Düsennadel 12 (Kanal 28)
verhindert eine Dichtsitzdrosselung bei Teilhub oberhalb bzw. stromauf
der Einspritzöffnungen 30. Ein Dissipieren von
Einspritzdruck im Bereich des Dichtsitzes 20, 22 und
damit stromauf der Einspritzöffnungen 30 sowie
eine dadurch resultierende Erhöhung der Tropfengröße
des eingespritzten Kraftstoffes ist dadurch wirksam vermieden. Der
Führungszapfen bzw. die Düsennadelspitze 16 wird
bedingt durch den auch innen im Kanal 28 anliegenden Kraftstoffdruck
weniger zusammengedrückt als ein Zapfen aus Vollmaterial.
Dies erzielt eine geringere Spielvergrößerung
durch den Kraftstoffdruck mit einer daraus resultierenden exakteren
Nadelführung und besserer Strahlgleichmäßigkeit.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Kraftstoffeinspritzdüsen
nach dem Stand der Technik in Form von Sitz- bzw. Sacklochdüsen
sind hohe Strahlgüte und verhindern von Nachtropfen (bei
dem Kraftstoff durch die Kompressibilität nach dem Einspritzende
unter geringem Druck aus dem Sackloch heraus quillt und folglich
nicht gut zerstäubt wird) nicht mehr sich gegenseitig ausschließende
Ziele sondern können gleichzeitig optiomiert realisiert
werden.
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Durch
die Rillen 32 in der Düsennadelspitze 16 ergibt
sich ein fülligerer Einspritzratenverlauf über den
Ventilhub und eine geringere Drosselung des zuströmenden
Kraftstoffes im Teilhub vor der Eintrittskante der Einspritzöffnungen 30.
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Über
den Kanal 28 steht der Kraftstoffdruck bei geschlossener
Düsennadel 12 nicht nur im Druckraum 24 um
die Düsennadel 12 herum an, sondern auch im Sackloch 14 unter
der Düsennadelspitze 16 Hierdurch ist die auf
die Düsennadel 12 wirkende Öffnungskraft
vergrößert, denn die unter Kraftstoffdruck stehende
Fläche umfasst somit die ganze Düsenfläche
mit Ausnahme der konischen Sitzfläche (Dichtfläche 20).
Dies erlaubt ein beschleunigtes Nadelöffnen und ggf. einen
"rechteckigeren" Einspritzverlauf. Gleichzeitig wirkt die Druckkraft
unter der Düsennadelspitze 16 bremsend beim Schließen
und schont den Nadelsitz 20, 22, wodurch sich
eine geringere Gefahr von Dauerbrüchen ergibt bzw. höhere
Einspritzdrücke zulässig sind.
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Die
Dichtfläche 20 ist auf Höhe der Einspritzöffnungen 30 angeordnet.
Dies verhindert eine Dauereinspritzung mit einer sehr geringer Einspritzrate. Der
Kraftstoff kann bei einer Lage der Dichtfläche 20 oberhalb
bzw. stromauf der Einspritzöffnungen 30 um die
Düsennadelspitze 16 bzw. den in dem Sackloch 14 geführten,
unteren Führungszapfen 16 der Düsennadel 12 aufgrund
der notwendigen Spielpassung herumkriechen. Dieser geringe Volumenstrom würde
zu einem "Dauertropfen" führen, das aus Emissionsgründen
nicht tragbar ist. Außerdem würde hierdurch die
Kraftstoffeinspritzdüse verkoken.
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Die
aus 2 ersichtlichen Rillen 32 an der Düsennadelspitze
bzw. dem Führungszapfen 16 sind in Längs-
bzw. Diagonalrichtung angeordnet und verbinden das Sacklochvolumen 16 mit
dem Dichtsitzbereich 20, 22. Über die
Rillen 32 tritt der Kraftstoff beim Nadelhub in das Sackloch 14 ein.
Aufgrund der engen Führung der Düsennadelspitze 16 (Führungszapfen)
in dem Sackloch 14 ist der Ringspalt im Sackloch 14 zu
klein, um ein ungestörtes Nachströmen zu ermöglichen.
Dies ist besonders wichtig beim Nadelschließen. Das Ölpolster
im Sackloch 16 würde ohne Abflussrillen 32 das
Nadelschließen unzulässig verzögern und
zu Russemissionen führen.
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Durch
die Kombination von hohlgebohrter Düsennadel 12,
d. h. die Ausbildung des Kanals 28, mit den Rillen 32 zur
Entlastung ergibt sich der Vorteil, das beim Öffnen der
Düsennadel 12 der Kraftstoff sowohl von oben als
auch von unten zu den Einspritzöffnungen 30 fließen
kann. Durch diese beidseitige Zuströmung wird die Drosselstelle
für die Kraftstoffströmung auch bei sehr geringen
Nadelhüben sofort zu den Eintritten der Einspritzöffnungen 30 verlegt.
Damit kann ein Druckabfall nur an der Stelle auftreten, an der die
Gemischbildung eingeleitet wird. An der Locheintrittskante der Einspritzöffnungen 30 entstehende
Turbulenz sind nicht verlorene Energie, sondern kommen der Gemischbildung
zu gute. Die gleichmäßige Zuströmung
sorgt darüber hinaus dafür, dass sich die Strahlkeulen
symmetrisch zur Lochachse der Einspritzöffnungen 30 ausbilden
und nicht durch Einlaufeffekte (asymmetrische Zuströmung)
seitlich abgelenkt werden. Das Schließen der Düsennadel
insbesonder bei kleinem Teilhub wird beschleunigt, da der im Sitzspalt über
den Einspritzöffnungen 30 befindliche Kraftstoff
nach oben und unten hin verdrängt wird. Es kommt nicht
zur Ausbildung eines den Schließvorgang behindernden Ölpolsters.
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Im
Vergleich zu herkömmlichen Sitz-Sacklochdüsen
entfällt der Druckverlust durch den Engpass, den die untere
(doppelte) Düsennadelführung im Bereich des Sackloches 14 bildet,
da sich diese bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse
in einem Bereich außerhalb des Hauptdurchflusses für Kraftstoff
befindet.
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Bei
herkömmlichen Sitz-Sacklochdüsen tritt eine Desaxierung
der Düsennadel, im Bereich der Einspritzöffnungen
auf, die sich aus zwei Anteilen zusammensetzt:
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Seitliche Verschiebung der Düsennadel durch das Spiel in
den Führungen (Parallelverschiebung).
- 2. Seitliches Ausschwenken durch Schiefstellen der Düsennadel,
bedingt durch eine Anlage in den Führungen auf gegenüberliegenden
Seiten und die Position der Lagerung im Bezug zu den Einspritzöffnungen.
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Die
1. Ursache der Desaxierung ist bei der erfindungsgemäßen
Kraftstoffeinspritzdüse dadurch gemildert, dass die untere
Führung (Führungszapfen 16 in Sackloch 14)
einen kleinen Durchmesser (< 1,5 mm)
aufweist. Denn um ein Klemmen der Düsennadel 12 zu
vermeiden, ist ein relatives jedoch kein absolutes Nadelspiel erforderlich.
Hieraus folgt im Vergleich zur herkömmlichen doppelten
Nadelführung mit einem größeren Durchmesser
(ca. 4 mm) eine deutliche Spielverringerung.
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Die
2. Ursache der Desaxierung wird dadurch vermindert, dass die Einspritzöffnungen 30 zwischen
den Führungen für die Düsennadel 12 liegen.
Somit kann die maximale Desaxierung nicht größer
als das Spiel der Führungen werden. Aufgrund der Konstruktion
liegen die Einspritzöffnungen 30 sehr viel näher
an der unteren Führung (Führungszapfen 16 in
Sackloch 14). Folglich bestimmt dieser zum überwiegendem
Teil die Größe der Verlagerung. Da das Spiel der
unteren Führung (Führungszapfen 16 in
Sackloch 14) eingeschränkt wird, vermindert sich
die gesamt Desaxierung weiter. Bei der konventionellen doppelten
Führung mit "fliegender Lagerung" hingegen tritt eine Hebelwirkung
auf, die eine Desaxierung zulässt, die größer
als das größte auftretende Führungsspiel
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DT 1947673 [0002]
- - DE 19946906 A1 [0003]