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Stand der Technik
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Drosselvorrichtungen können eine Drosselklappe und einen entsprechenden Mechanismus zum Einstellen eines Öffnungswinkels der Drosselklappe aufweisen. Bei Anordnung einer Drosselvorrichtung z.B. in einem Ansaugkanal kann die durch den Ansaugkanal fließende Fluidmenge geregelt werden.
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Insbesondere in der Fahrzeugindustrie können Drosselvorrichtungen in einem zu einem Verbrennungsmotor führenden Luftkanal angeordnet werden. Durch Ändern des Öffnungswinkels der Drosselklappe kann der Strömungsquerschnitt und damit die dem Verbrennungsmotor zugeführte Luftmenge geregelt werden.
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Der Öffnungswinkel der Drosselklappe kann z.B. mit Hilfe eines Elektromotors über ein Getriebe und eine Drosselwelle verstellt werden. Die Drosselwelle kann hierbei an einem Gehäuse der Drosselvorrichtung gelagert sein. Entsprechende Wellen sind z.B. aus
DE 199 09 922 und
DE 297 09 248 bekannt. Ferner sind Drosselvorrichtungen z.B. aus
DE 101 38 931 und aus
DE 10 2010 028 982 bekannt.
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Durch einen Spalt zwischen der Drosselwelle und dem Gehäuse können Fluide, wie z.B. kondensiertes Wasser oder Kraftstoff in das Gehäuse eintreten und das Getriebe und die dazugehörige Elektronik beschädigen. Dichtungen im Lager der Drosselwelle können die Fluide nicht optimal abhalten. Ferner können im Fluidkanal relativ hohe Drücke und Unterdrücke auftreten, die eine Belastung für die Lagerung und das Getriebe der Drosselvorrichtung darstellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es kann daher ein Bedarf an einer verbesserten Drosselvorrichtung, einem Kraftfahrzeug mit einer entsprechenden Drosselvorrichtung und einem Herstellungsverfahren für eine entsprechende Drosselvorrichtung bestehen, die es ermöglichen bei mechanisch stabiler Ausgestaltung der Drosselvorrichtung einen Schutz vor Krafteinwirkungen und vor ins Gehäuse eindringenden Fluiden zu gewährleisten.
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Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Im Folgenden werden Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile einer Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Detail diskutiert.
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Gemäß ersten Aspekt der Erfindung wird eine Drosselvorrichtung zur Regelung eines Fluidstroms vorgestellt. Die Drosselvorrichtung weist eine Drosselwelle, ein Gehäuse und einen Fluidkanal auf. Ferner weist die Drosselvorrichtung ein Wellenlager zum Lagern der Drosselwelle am Gehäuse auf. Zwischen dem Fluidkanal und dem Wellenlager ist eine elastische Dichtung in die Drosselwelle oder ins Gehäuse integriert. Die elastische Dichtung ist dabei ausgeführt, das Wellenlager fluiddicht gegen den Fluidkanal abzudichten.
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Anders ausgedrückt basiert die Idee der vorliegenden Erfindung darauf, eine Abdichtung gegenüber fluiden Medien außerhalb des Wellenlagers und insbesondere vor dem Wellenlager in Bezug auf den Fluidkanal vorzusehen. Auf diese Weise kann das Wellenlager vor Druckpulsen, das heißt vor hohen Drücken und vor Unterdrücken, geschützt werden. Somit wird das Wellenlager und das hinter dem Wellenlager im Gehäuse angeordnete Getriebe vor unerwünschten Krafteinflüssen und vor eintretenden Medien, wie zum Beispiel vor Gasen und insbesondere vor Flüssigkeiten, geschützt. Da die elastische Dichtung außerhalb des Wellenlagers liegt und diesem in Bezug auf den Fluidkanal vorgelagert ist, verringert sich ein Totvolumen zwischen der Drosselwelle und dem Gehäuse, in dem sich zum Beispiel Flüssigkeit ansammeln könnte.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung kann darin gesehen werden, dass durch die Entkoppelung der Dichtung vom Wellenlager eine einfachere Bauweise der Drosselvorrichtung bereitgestellt werden kann. Des Weiteren kann durch das Vorsehen der elastischen Dichtung zwischen Fluidkanal und Wellenlager auf zusätzliche Dichtungen im Wellenlager verzichtet werden. Somit kann eine Verkürzung des Wellenlagers, insbesondere der Nadellänge eines Nadellagers umgangen werden. Damit kann auch eine Verringerung der mechanischen Festigkeit des Wellenlagers umgangen werden.
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Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, dass durch die Anordnung der Dichtung vor dem Wellenlager bzw. zwischen Wellenlager und Fluidkanal bereits vor dem Wellenlager eine ausreichende Abdichtung gewährleistet wird, so dass im Wellenlager günstigere und weniger widerstandsfähige Materialien verwendet werden können.
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Die Drosselvorrichtung kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Fluidkanal dabei an bzw. in einem Ansaugrohr angeordnet sein, welches einen Verbrennungsmotor mit Luft versorgt. Der Verbrennungsmotor kann dabei ein Benzin- oder ein Dieselmotor sein. Ferner kann ein Turbolader am Verbrennungsmotor vorgesehen sein.
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Der Fluidkanal kann dabei der Teil der Drosselvorrichtung sein, der direkt in einem Ansaugrohr positioniert wird, und in dem die Drosselklappe angeordnet ist. Insbesondere kann der Fluidkanal 7 die Stelle der Drosselvorrichtung darstellen, an der unerwünschte Substanzen, wie z.B. kondensierter Kraftstoff, aus dem Ansaugrohr in die Drosselvorrichtung eindringen können.
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Durch Ändern eines Öffnungswinkels der Drosselklappe im Fluidkanal kann ein Strömungsquerschnitt im Ansaugkanal variiert werden. Auf diese Weise kann die dem Verbrennungsmotor zugeführte Luftmenge eingestellt werden. Hierzu kann die Drosselvorrichtung beispielsweise durch eine elektrisch angesteuerte Regelvorrichtung geregelt werden. Dabei können in einem Gehäuse ein Elektromotor und ein Getriebe vorgesehen sein, welche durch eine Drosselwelle mit der Drosselklappe verbunden sind. Die Drosselwelle ist dabei an einem Wellenlager am Gehäuse gelagert. Im Ansaugrohr, und damit auch im darin angeordneten Fluidkanal, kann sich beispielsweise Kondensat in Form von Wasser oder Kraftstoff bilden. Das Kondensat könnte aus dem Fluidkanal durch einen Spalt zwischen der Drosselwelle und dem Gehäuse bis zum Wellenlager und sogar bis zum Getriebe vordringen. Ferner können im Fluidkanal insbesondere, wenn ein Turbolader vorgesehen ist, relativ große Drücke im Bereich von bis zu 3,5 bar, und bei einem Ottomotor Unterdrücke von bis zu 0,6 bar entstehen. Diese führen zu einer Belastung des Wellenlagers.
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Die erfindungsgemäße Drosselvorrichtung weist eine elastische Dichtung auf, die in die Drosselwelle integriert ist und eine radiale Druckkraft gegenüber dem Gehäuse ausübt. Alternativ kann die elastische Dichtung in das Gehäuse integriert sein und eine radiale Druckkraft auf die Welle ausüben. Insbesondere kann die elastische Dichtung als druckunterstützte Dichtung ausgeführt sein. Auf diese Weise wird der Zwischenraum zwischen Drosselwelle und Gehäuse bereits vor dem Wellenlager radial fluiddicht abgedichtet. Ferner können durch das Material der elastischen Dichtung Druckpulse aus dem Fluidkanal abgefangen bzw. aufgenommen und abgefedert werden.
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Die elastische Dichtung ist dabei vorzugsweise in die Drosselwelle integriert. Das heißt, die Drosselwelle nimmt die elastische Dichtung zumindest teilweise auf. Beispielsweise kann eine Nut in der Drosselwelle vorgesehen sein, in der die elastische Dichtung angeordnet ist. Alternativ kann die elastische Dichtung in das eine Nut im Gehäuse integriert sein.
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Die elastische Dichtung kann dabei zum Beispiel ein elastisches Material aufweisen und so dimensioniert sein, dass sie den Zwischenraum zwischen der Drosselwelle und dem Gehäuse ausfüllt. Dabei kann die elastische Dichtung beispielsweise eine geschlossene umlaufende Dichtung mit C-förmigem Querschnitt sein. Das Material der elastischen Dichtung kann dabei so gewählt sein, dass es resistent gegenüber Korrosion und gegenüber aggressiven Medien wie beispielsweise Kraftstoff ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die elastische Dichtung als druckunterstützte Dichtung ausgeführt. Dabei weist die Drosselwelle zwischen dem Fluidkanal und dem Wellenlager eine umlaufende Nut auf. Die elastische Dichtung ist dabei in der umlaufenden Nut angeordnet. Die druckunterstützte Dichtung kann ausgeführt sein, eine auf sie in einer ersten Richtung einwirkende Kraft in eine in einer zweiten Richtung wirkende Kraft umzuwandeln bzw. umzuleiten. Dabei kann die zweite Richtung in etwa senkrecht zur ersten Richtung sein. Wirkt beispielsweise eine Kraft parallel zur Drosselwelle auf die druckunterstützte Dichtung, so wird die Dichtung in radialer Richtung bezogen auf die Drosselwelle an das Gehäuse gedrückt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die elastische Dichtung als geschlossener Dichtring ausgeführt. Beispielsweise kann die Dichtung als druckunterstützter O-Ring ausgeführt sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die elastische Dichtung ein Elastomer auf. Dabei weist die elastische Dichtung eine hohe Beständigkeit gegenüber Kraftstoff auf. Insbesondere kann die elastische Dichtung besonders beständig gegenüber Benzin und/oder Diesel sein. Das in der elastischen Dichtung enthaltene Elastomer kann beispielsweise ein Polymer sein, das nach Entlastung nahezu seine Ausgangsform annimmt. Eine hohe Beständigkeit gegenüber Kraftstoff kann dabei bedeuten, dass die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der elastischen Dichtung durch Kontakt mit Kraftstoff nicht verändert werden und dass die Lebensdauer der elastischen Dichtung nicht durch Kontakt mit Kraftstoff verkürzt wird. Insbesondere kann die elastische Dichtung ein Peroxyd-vernetztes Material aufweisen. Ferner kann die elastische Dichtung Antioxydationsmittel, Fluorsilikone, Polyurethane und/oder Fluorelastomere mit einem Fluorgehalt von über 60 % aufweisen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Drosselvorrichtung einen Schutzring auf, der zwischen der elastischen Dichtung und dem Wellenlager angeordnet ist. Der Schutzring ist dabei formschlüssig mit der Drosselwelle verbunden. Der Schutzring kann umlaufend und geschlossen ausgeführt sein. Dabei kann der Schutzring drosselwellenfest ausgeführt sein und druck- oder federbelastet gegen eine Lagerschulter gedrückt werden. Ein Außendurchmesser des Schutzrings kann dabei größer als ein Außendurchmesser der Drosselwelle und/oder größer als ein Außendurchmesser der elastischen Dichtung sein.
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Dank der formschlüssigen Verbindung des Schutzrings mit der Drosselwelle kann der Schutzring umlaufend ausgeführt sein. Im Gegensatz hierzu sind bekannte Schutzringe nicht formschlüssig mit der Drosselwelle verbunden und müssen daher mit einer Öffnung beispielsweise C-förmig ausgeführt sein und können somit keine optimale Dichtigkeit garantieren.
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Der Schutzring kann zusätzlich zur elastischen Dichtung eine radiale und axiale Abdichtung des Wellenlagers und des dahinterliegenden Getriebes gewährleisten. Ferner kann der Schutzring zusätzlich zur elastischen Dichtung auch unerwünschte Krafteinflüsse wie Druckpulsationen abfangen. Eine Erzeugung einer axialen Druckkraft auf den Schutzring kann dabei die vorgeschaltete in der Drosselwelle integrierte elastische Dichtung übernehmen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Schutzring auf die Drosselwelle aufgespritzt. Dabei ist der Schutzring derart an der Drosselwelle angeordnet, dass der Schutzring gegen eine Schulter des Wellenlagers gedrückt wird. Der Schutzring kann dabei beispielsweise in eine zweite Nut aufgespritzt sein. Ferner kann der Schutzring beispielsweise durch eine Feder oder durch die elastische Dichtung auf die Schulter des Wellenlagers gedrückt werden. Auf diese Weise wird zusätzlich eine Dichtigkeit in axialer Richtung der Drosselwelle gewährleistet.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Schutzring ein Thermoplast auf. Dabei weist der Schutzring eine hohe Beständigkeit gegenüber Kraftstoff wie zum Beispiel Diesel oder Benzin auf. Das Thermoplast kann beispielsweise ein Polyamid, ein Polycarbonat, ein Polymethylmetachrylat oder ein Polyvinylchlorid bzw. eine Mischung dieser Materialien sein. Besonders vorteilhaft kann das Material des Schutzrings derart gewählt werden, dass eine optimale Gleitfähigkeit des Schutzrings mit der Schulter des Wellenlagers gewährleistet ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Wellenlager als Wälzlager, insbesondere als Nadellager, ausgeführt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug vorgestellt. Das Kraftfahrzeug weist einen Verbrennungsmotor, ein Ansaugrohr und eine oben beschriebene Drosselvorrichtung auf. Das Ansaugrohr ist dabei zum Bereitstellen einer Luftmenge an den Verbrennungsmotor ausgeführt. Die Drosselvorrichtung, und insbesondere der Fluidkanal der Drosselvorrichtung, ist im Ansaugrohr angeordnet und ist ausgeführt, die dem Verbrennungsmotor bereitgestellte Luftmenge zu regeln.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer oben beschriebenen Drosselvorrichtung vorgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Vorsehen einer Nut an einer Drosselwelle zwischen einem Fluidkanal und einem Wellenlager und Anordnen einer elastischen Dichtung in der Nut derart, dass das Wellenlager fluiddicht gegen den Fluidkanal abgedichtet ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
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1 zeigt schematisch einen Querschnitt einer Drosselvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
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2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt von 1 an der Stelle der elastischen Dichtung
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Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
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In 1 ist ein Querschnitt durch eine Drosselvorrichtung 1 eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Die Drosselvorrichtung 1 ist dabei beispielsweise in einem Ansaugrohr 35 des Kraftfahrzeugs angeordnet. Die Drosselvorrichtung 1 weist eine Drosselklappe 23 auf, die mittels Befestigungselementen 25 wie beispielsweise Schrauben an einer Drosselwelle 3 befestigt ist. Ein in 1 nicht dargestellter Elektromotor kann über ein ebenfalls nicht gezeigtes Getriebe die Drosselklappe 23 über die Drosselwelle 3 verstellen. Durch die Änderung des Öffnungswinkels der Drosselklappe 23 im Ansaugrohr 35 bzw. im Fluidkanal 7 wird der Strömungsquerschnitt des Fluidkanals 7 geändert. Somit kann mit Hilfe der Drosselvorrichtung 1 die einem Verbrennungsmotor zugeführte Luftmenge geregelt werden.
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Der Fluidkanal 7 ist dabei der in dem Ansaugrohr 35 angeordnete Teil der Drosselvorrichtung 1. Dabei kann der Fluidkanal 7 zum Beispiel ein O-förmiges Gehäuse für die Drosselklappe 23 aufweisen. Die Drosselklappe 23 ist dabei im bzw. am Fluidkanal 7 angeordnet. Der Fluidkanal 7 stellt dabei die Stelle der Drosselvorrichtung 1 dar, an der unerwünschte Substanzen, wie z.B. kondensierter Kraftstoff, aus dem Ansaugrohr 35 in die Drosselvorrichtung 1 eindringen können.
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Der Elektromotor und das entsprechende Getriebe befinden sich in einem Gehäuse 5. An dem Gehäuse 5 ist ferner ein Wellenlager 9 zum Lagern der Drosselwelle 3 vorgesehen. Die Drosselwelle 3 verläuft dabei durch einen im Gehäuse ausgeführten Kanal bis in den Fluidkanal 7. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Wellenlager 9 als Nadellager ausgeführt. Der Kanal weist eine Ausnehmung mit einer Schulter 19 zum Fluidkanal 7 hin auf. Ferner ist auf einer Seite des Wellenlagers 9 eine erste Lagerdichtung 31 und auf der gegenüberliegenden Seite des Wellenlagers 9 eine zweite Lagerdichtung 33 vorgesehen. Bei herkömmlichen Drosselvorrichtungen können, trotz der ersten Lagerdichtung 31 und der zweiten Lagerdichtung 33 Fluide wie zum Beispiel kondensiertes Wasser oder Kraftstoff durch einen Zwischenraum 29 zwischen dem Gehäuse 5 und der Drosselwelle 3 zum Wellenlager 9 und gegebenenfalls sogar in einen Getrieberaum 21, in dem ein Getriebe und ein Elektromotor angeordnet sein können, vordringen.
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Um das Wellenlager 9 und den dahinter befindlichen Getrieberaum 21 einerseits vor unerwünschten Krafteinflüssen wie Druckpulsen und andererseits vor Fluiden zu schützen, ist zwischen dem Fluidkanal 7 und dem Wellenlager 9 eine elastische druckunterstützte Dichtung 11 in die Drosselwelle 3 integriert. Die elastische Dichtung 11 weist einen C-förmigen Querschnitt auf und ist in einer ersten ringförmigen umlaufenden Nut 13 der Drosselwelle 3 angeordnet. Die elastische Dichtung 11 ist dem Wellenlager 9 in Bezug auf den Fluidkanal 7 vorgeschaltet und vom Nadellager entkoppelt. Dies verringert ein Totvolumen, in dem sich Flüssigkeit ansammeln kann und ermöglicht eine vereinfachte Bauweise des Wellenlagers 9 mit einer angemessenen mechanischen Stabilität.
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Ferner ist ein geschlossener Schutzring 15 zwischen der elastischen Dichtung 11 und dem Wellenlager 9 vorgesehen. Der Schutzring 15 kann in einer zweiten Nut 17 der Drosselwelle 3 formschlüssig auf die Drosselwelle 3 aufgespritzt sein. Dabei ragt der Schutzring 15 über die Abmessungen der Drosselwelle 3 hinaus und schirmt das Wellenlager 9 zusätzlich vor Krafteinwirkungen wie Druckpulsationen und eindringenden Fluiden ab. Die elastische Dichtung 11 kann dabei druckunterstützt sein und auf sie wirkende Kräfte derart übertragen, dass der Schutzring 15 gegen die Schulter 19 des Wellenlagers 9 gedrückt wird. Des Weiteren kann der Schutzring 15 mit Hilfe einer Feder 27 gegen die Schulter 19 des Wellenlagers 9 gedrückt werden. Die Erzeugung der axialen Druckkraft kann ferner die vorgeschaltete in der Drosselwelle 3 integrierte elastische Dichtung 11 übernehmen.
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In 2 ist ein vergrößerter Ausschnitt von 1 gezeigt, in dem Druckkräfte auf die elastische Dichtung 11 durch Pfeile dargestellt sind.
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Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie „aufweisend“ oder ähnliche nicht ausschließen sollen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Außerdem können in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Es wird ferner angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19909922 [0003]
- DE 29709248 [0003]
- DE 10138931 [0003]
- DE 102010028982 [0003]
