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Die Erfindung betrifft eine Lagervorrichtung für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie einen Abgasturbolader gemäß Anspruch 10.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2008 033 814 A1 offenbart eine Lagervorrichtung für einen Abgasturbolader, dessen, zur radialen Lagerung einer Welle des Abgasturboladers ausgebildete Radiallager mit einem Abstandhalter, welcher zwischen den beiden Radiallagern angeordnet ist, verbunden sind. Die gesamte Lagervorrichtung ist einteilig ausgebildet, d. h. die Radiallager und der Abstandhalter sind gemeinsam hergestellt. Das Problem einer derartigen Lagervorrichtung ist neben einer aufwendigen Herstellung der Lagervorrichtung auch in den hohen Materialkosten zu sehen, da die Lagervorrichtung bspw. aus einem Rohling aufwendig herausgearbeitet wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine kostengünstige Lagervorrichtung für einen Abgasturbolader bereitzustellen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, einen kostenreduzierten Abgasturbolader bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Lagervorrichtung für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Lagerabschnitts als vorteilhafte Ausgestaltungen des Abgasturboladers – soweit anwendbar – und umgekehrt anzusehen sind.
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Der erste Aspekt der Erfindung betrifft eine Lagervorrichtung für einen Abgasturbolader mit einem ersten Radiallager und einem zweiten Radiallager, wobei das erste Radiallager und das zweite Radiallager zur radialen Lagerung einer Welle des Abgasturboladers ausgebildet sind und zwischen den beiden Radiallagern ein Abstandhalter angeordnet ist. Erfindungsgemäß sind die beiden Radiallager mit dem Abstandhalter verbunden, wobei zumindest die beiden Radiallager vor einem Fügeverfahren der drei Bauteile separat hergestellt sind. Dadurch ist ein wesentlich verbessertes Handling bzw. verbesserte Handhabung der einzelnen Bauteile gegeben. Es können die einzelnen Bauteile, die beiden Radiallager und der Abstandhalter vorab unabhängig voneinander vorgefertigt werden. Dazu können je nach Herstellungsverfahren, entweder kleinere und kostengünstigere Werkzeuge und/oder Werkzeugformen eingesetzt werden. Ebenso können bspw. bei einer spanenden Bearbeitung kleinere Rohlinge genutzt werden, wodurch sich eine Materialabtragung reduzieren lässt. Das heißt, dass neben den Bearbeitungskosten auch Materialkosten reduziert werden können.
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Auch ist an eine Bearbeitung der Außen- und Innenfläche des Abstandhalters keine so große Anforderung zu stellen, wie an die entsprechenden Flächen der Radiallager, insbesondere deren als Gleitlager ausgebildete Flächen.
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Die einzelnen Bauteile können schließlich zur Herstellung der erfindungsgemäßen Lagervorrichtung auf unterschiedliche Weisen, form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
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Ein weiterer Vorteil ist in einer kostengünstigen Herstellung der Lagervorrichtung aufgrund einer Modulbauweise und deren hohe Variabilität im Einsatz bei Abgasturboladern unterschiedlicher Baugröße zu sehen. So weisen bspw. Abgasturbolader sich unterschiedlich lang erstreckende Wellen gleichen Durchmessers auf. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lagervorrichtung ist die Möglichkeit gegeben eine große Anzahl an Gleichbauteilen kostengünstig herzustellen bzw. einzukaufen und miteinander entsprechend zu kombinieren. Auch Bauteillagerkosten können dadurch wesentlich reduziert werden.
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In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lagervorrichtung sind das erste Radiallager und das zweite Radiallager in Richtung der Drehachse axial unbewegbar mit dem Abstandhalter verbunden. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass eine Lagervorrichtung mit so genannten „semi-floating-Lager” ähnlichen Radiallagern realisiert ist. Das heißt, dass die Radiallager an dem Abstandhalter um die Drehachse rotierbar aufgenommen sind.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lagervorrichtung sind das erste Radiallager und das zweite Radiallager aus einem ersten Material und der Abstandhalter aus einem zweiten Material ausgebildet, wobei das erste Material und das zweite Material unterschiedlich sind. Vorteilhafterweise können so den Anforderungen an die Bauteile gemäß Materialien ausgewählt werden. Die Radiallager sind aufgrund ihrer Funktion eines Gleitlagers aus einem gegenüber dem Abstandhalter hochwertigeren und demgemäß teureren Material, bspw. aus einem Bronze-Sintermaterial, zu fertigen. Der Abstandhalter selbst kann aus einem kostengünstigen Material hergestellt werden, da er ausschließlich die Funktion aufweist, die beiden Radiallager axial abzustützen bzw. zu koppeln. Somit ergibt sich eine weiter kostenreduzierte Lagervorrichtung.
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Eine deutliche Kostenreduzierung ergibt sich, sofern das zweite Material ein Kunststoff ist. Mit anderen Worten ist der Abstandhalter aus einem Kunststoff hergestellt, welcher kostengünstiger ist als Metall, insbesondere kostengünstiger als das Bronze-Sintermaterial. Besonders vorteilhaft und kostengünstig ist der Abstandhalter im Spritzgießverfahren hergestellt. Des Weiteren bietet der aus Kunststoff hergestellte Abstandhalter den Vorteil einer Geräuschreduzierung aufgrund seiner dämpfenden Eigenschaften, wobei insbesondere eine radiale Bewegung der Radiallager relativ zueinander gedämpft wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Lagervorrichtung im kostengünstigen Spritzgießverfahren hergestellt. In die Spritzgießform werden die Radiallager vor dem Befüllen mit der Kunststoffmasse eingelegt, wodurch gleichzeitig mit der Herstellung des Abstandhalters das Fügen des Abstandhalters mit den Radiallagern erfolgt. Dadurch entfällt der Verfahrensschritt des Fügens der Bauteile wodurch eine zusätzlich kostenreduzierte Lagervorrichtung herbeigeführt ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist ein dem Abstandhalter zugewandt ausgebildeter erster Endabschnitt des ersten Radiallagers und/oder ein dem Abstandhalter zugewandt ausgebildeter dritter Endabschnitt des zweiten Radiallagers komplementär zu einem dem ersten Endabschnitt zugewandt ausgebildeten zweiten Endabschnitt des Abstandhalters bzw. zu einem dem dritten Endabschnitt zugewandt ausgebildeten vierten Endabschnitt des Abstandhalters ausgebildet. Grundsätzlich können die einander zugewandt ausgebildeten Endabschnitte jegliche denkbare Geometrieform aufweisen, die geeignet ist, einen ausreichend festen Verbund der drei Bauteile, erstes Radiallager, zweites Radiallager und Abstandhalter, herbeizuführen. Ist bspw. eine stoffschlüssige Verbindung bei einer insgesamt starren Lagervorrichtung ausgeführt, so können die Endabschnitte zueinander gewandt parallele Flächen aufweisen. Unter einer starren Lagervorrichtung ist eine Lagervorrichtung zu verstehen, deren Radiallager unbewegbar an dem Abstandhalter aufgenommen sind.
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Bevorzugt sind zur sicheren Verbindung der drei Bauteile die Endabschnitte der Radiallager eine Radialnut aufweisend, in die die entsprechend angeordneten Endabschnitte des Abstandhalters eingreifend angeordnet sind.
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Besonders bevorzugt sind zur weiteren Sicherung der Verbindung und insbesondere sofern die Radiallager rotierbar am Abstandhalter aufgenommen sind, die Endabschnitte der Radiallager in eine in den entsprechend angeordneten Endabschnitten des Abstandhalters angeordnete weitere Radialnut eingreifend angeordnet.
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Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einem Laufzeug, wobei des Laufzeug ein Verdichterrad, ein Turbinenrad und eine das Verdichterrad mit dem Turbinenrad drehfest verbindende Welle umfasst, wobei das Laufzeug in einem Lagerabschnitt mit Hilfe einer Lagervorrichtung, umfassend ein erstes Radiallager, ein zweites Radiallager und einen zwischen dem ersten Radiallager und dem zweiten Radiallager angeordneten Abstandhalter, drehbar gelagert ist, wobei die Lagervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist. Der Vorteil dieser Erfindung ist neben der Realisierung eines geräuscharmen Abgasturboladers eine Lebensdauerverlängerung des Abgasturboladers aufgrund einer verbesserten Lagervorrichtung des Laufzeugs. Des Weiteren ist eine Reibleistung des Abgasturboladers mit Hilfe der verbesserten Lagervorrichtung aufgrund einer geringeren Masse wesentlich reduziert. Diese verbesserte bzw. reduzierte Reibleistung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers führt beispielsweise zu einer Reduzierung eines Kraftstoffbedarfs einer mit dem Abgasturbolader verbundenen Verbrennungskraftmaschine, da der erfindungsgemäße Abgasturbolader einen geringeren Abgasmassendurchsatz zur Erzielung einer gleichen Leistung eines Abgasturboladers gemäß dem Stand der Technik benötigt.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers sind das erste Radiallager und das zweite Radiallager unbewegbar mit dem Abstandhalter verbunden. Dies führt zu einer kostengünstigen Ausführung des Abgasturboladers.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Gleichen oder funktionsgleichen Elementen sind identische Bezugszeichen zugeordnet. Es zeigen:
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1 in einem Längsschnitt einen Abgasturbolader gemäß dem Stand der Technik,
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2 in einer Vorderansicht eine erfindungsgemäße Lagervorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel,
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3 in einem Längsschnitt entlang der Schnittlinie III-III die erfindungsgemäße Lagervorrichtung gem. 2,
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4 in einem Längsschnitt einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Lagervorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
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5 in einer perspektivischen Darstellung die erfindungsgemäße Lagervorrichtung gemäß 4.
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Ein Laufzeug 1 eines Abgasturboladers 2 gemäß des Standes der Technik ist in einem exemplarischen Ausführungsbeispiel gemäß 1 ausgebildet. Der Abgasturbolader 2 weist einen nicht näher dargestellten durchströmbaren Abgasführungsabschnitt auf, welcher im Betrieb des Abgasturboladers 2 von einem Fluid, in der Regel von Abgas durchströmt wird. Das Abgas ist im Allgemeinen, aber nicht zwangsweise, ein Verbrennungsprodukt einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine.
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Dem Abgasturbolader 2 ist ein nicht näher dargestellter durchströmbarer Luftführungsabschnitt sowie ein zwischen dem Abgasführungsabschnitt und dem Luftführungsabschnitt positionierter Lagerabschnitt 3 zugeordnet, wobei im Lagerabschnitt 3 das Laufzeug 1 drehbar aufgenommen ist. Das Laufzeug 1 umfasst ein Verdichterrad 4 und ein Turbinenrad 5, welche miteinander mit Hilfe einer Welle 6 drehfest verbunden sind. Das Verdichterrad 4 ist in einer nicht näher dargestellten Verdichterradkammer des Luftführungsabschnitts zum Ansaugen von im Allgemeinen Frischluft angeordnet. Des Turbinenrad 5 ist in einer nicht näher dargestellten Radkammer des Abgasführungsabschnitts drehbar aufgenommen.
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Das Turbinenrad 5 wird im Betrieb des Abgasturboladers 2 von dem den Abgasführungsabschnitt durchströmenden Abgas beaufschlagt und angetrieben, wobei es eine Drehbewegung ausführen kann. Diese Drehbewegung ist mit Hilfe der Welle 6 auf das Verdichterrad 4 übertragbar, welches somit simultan zur Drehbewegung des Turbinenrads 5 eine Drehbewegung ausführen kann. Mit Hilfe des Verdichterrades 4 und dessen Drehbewegung wird Frischluft angesaugt, welche im Luftführungsabschnitt verdichtet wird.
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Die Welle 6 des Laufzeugs 1 ist im Lagerabschnitt 3 mit Hilfe einer Lagervorrichtung 7, umfassend ein erstes Radiallager 8 und ein zweites Radiallagers 9 drehbar gelagert. Im Bereich des Verdichterrades 4 ist des Weiteren zur axialen Lagerung ein Axiallager 10 ausgebildet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen das erste Radiallager 8 und das zweite Radiallager 9 die Form eines Schwimmbuchsenlagers auf.
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Das erste Radiallager 8 und das zweite Radiallager 9 sind koaxial mit einer Drehachse 11 des Laufzeugs 1 angeordnet.
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Zwischen dem ersten Radiallager 8 und dem zweiten Radiallager 9 ist ein Abstandhalter 12 angeordnet. Der Abstandhalter 12, auch als Distanzhülse bezeichnet, unterstützt eine axiale Fixierung der beiden Radiallager 8, 9.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Lagervorrichtung 7 in einer Vorderansicht, wobei das Radiallager 8 in einer Vorderansicht auf seine erste Radiallagerfläche 13 gezeigt ist. Die erste Radiallagerfläche 13 ist in einem verbauten Zustand der Lagervorrichtung 7 dem Verdichterrad 4 zugewandt angeordnet. Das erste Radiallager 8 weist ausgehend von der ersten Radiallagerfläche 13 eine erste Fase 14 an einer ersten Außenfläche 15 und eine zweite Fase 16 an einer ersten Innenfläche 17 auf.
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In 3 ist die erfindungsgemäße Lagervorrichtung 7 in einem Längsschnitt entlang der Schnittlinie III-III in Richtung der Drehachse 11 dargestellt. Die beiden Radiallager 8, 9 sind mittels einer Formverbindung mit dem Abstandhalter 12 verbunden, wobei sie in diesem Ausführungsbeispiel sowohl radial als auch axial unbewegbar mit dem Abstandhalter 12 ausgebildet sind. Das erste Radiallager 8 umfasst an seinem dem Abstandhalter 12 zugewandt ausgebildeten ersten Endabschnitt 18 ein erstes Ringelement 19.
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Das erste Ringelement 19 weist einen ringförmigen Haltearm 20 sowie einen ringförmigen Stützarm 21 auf. Ein äußerer Haltearmdurchmesser HD des Haltearms 20 ist kleiner als ein äußerer Stützarmdurchmesser SD. Die beiden Ringelemente, der Haltearm 20 und der Stützarm 21, weisen einen überwiegend identischen Ringinnendurchmesser DI auf. Lediglich in einem einer Lagerfläche 22 des ersten Radiallagers 8 zugewandt ausgebildeten Bereich des Haltearms 20 verkleinert sich dessen Innendurchmesser auf einen Lagerinnendurchmesser DIL des ersten Radiallagers 8. Die Verkleinerung des Ringinnendurchmessers DI in diesem Bereich ist stetig.
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Aufgrund des geringeren äußeren Haftearmdurchmessers HD des Haltearms 20 im Vergleich zum äußeren Stützarmdurchmesser SD sowie der Anordnung des Haltearms 20 in axialer Richtung zwischen dem ersten Radiallager 8 und dem Stützarm 21 ist eine ringfömige Radialnut 23 ausgebildet. In diese Radialnut 23 ist der Abstandhalter 12 eingreifend ausgebildet.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind das erste Ringelement 19 sowie die entsprechende Radialnut 23 vollumfänglich ausgebildet. Ebenso könnten sie auch abschnittsweise ausgebildet sein, unter Bildung von mehreren Ringabschnitten.
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Der Abstandhalter 12 ist an seinem dem ersten Radiallager 8 zugewandt positionierten zweiten Endabschnitt 24 komplementär zum ersten Radiallager 8 ausgestaltet, wobei eine formschlüssige Verbindung hergestellt ist. Zur Bereitstellung der formschlüssigen Verbindung weist der zweite Endabschnitt 24 des Abstandhalters 12 ein zweites Ringelement 25, umfassend einen zweiten Haltearm 26 und einen zweiten Stützarm 27, auf. Das erste Ringelement 19 und das zweite Ringelement 25 berühren einander in radialer und axialer Richtung unter Fixierung des ersten Radiallagers 8 an dem Abstandhalter 12. Sofern das erste Ringelement 19 sowie die Radialnut 23 abschnittsweise ausgebildet sind, ist es möglich das zweite Ringelement 25 ebenfalls abschnittsweise unter Bildung mehrerer Ringabschnitte auszubilden.
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In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel sind das erste Radiallager 8 und der Abstandhalter 12 relativ zueinander bewegbar ausgebildet, wobei der Abstandhalter 12 üblicherweise im Lagerabschnitt 3 fixiert ist und somit das erste Radiallager 8 um die Drehachse 11 rotieren kann. Eine axiale und/oder radiale Verschiebung des ersten Radiallagers 8 ist aufgrund der in 3 dargestellten beispielhaften Gestaltung des Abstandhalters 12 und des ersten Radiallagers 8 unterbunden. Somit ist das erste Radiallager 8 in Form eines „semi-floating-Lagers” ausgebildet.
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Der Lagerinnendurchmesser DIL ist kleiner als der Ringinnendurchmesser DI, welcher einem Innendurchmesser AD des Abstandhalters 12 entspricht. Dies hat den Vorteil, dass die Welle 6 zuverlässig an den vorgesehenen Lagerstellen in Form des ersten Radiallagers 8 und des zweiten Radiallagers 9 gelagert ist, allerdings aufgrund eines zwischen der Welle 6 und dem Abstandhalter 12 ausgebildeten radialen Spaltes bzw. Abstandes sowie zwischen der Welle 6 und dem ersten Ringelement 19 unberührbar vorliegt. Dadurch können zusätzliche Reibverluste vermieden werden.
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Das zweite Radiallager 9 ist an seinem dem Abstandhalter 12 zugewandt ausgebildeten dritten Endabschnitt 28 dem ersten Radiallager 8 und der Abstandhalter 12 in seinem dem zweiten Radiallager 9 zugewandt positionierten vierten Endabschnitt 29 dem zweiten Endabschnitt 24 entsprechend ausgebildet, wie in 3 dargestellt.
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Es ist selbstredend, dass sämtliche Formen einer formschlüssigen Verbindung zwischen dem ersten Radiallager 8 bzw. zweiten Radiallager 9 und dem Abstandhalter 12 möglich sind.
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Die beiden Radiallager 8, 9 sind aus einem üblichen Lagermaterial, im Allgemeinem einem Metall hergestellt. Der Abstandhalter 12 ist aus einem Kunststoff gefertigt. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Lagervorrichtung im Spritzformguss bzw. in einem Spritzgießverfahren hergestellt, wobei die beiden Radiallager 8, 9 vor dem Spritzgießen in entsprechende Gießformen eingelegt werden.
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Die Verbindung der beiden Radiallager 8, 9 mit dem Abstandhalter 12 könnte auch kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig herbeigeführt sein.
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Die 4 und 5 zeigen in einem zweiten Ausführungsbeispiel die erfindungsgemäße Lagervorrichtung 7. Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel weist die Radialnut 23 eine geringere Tiefe auf. In 5 ist eine im Abstandhalter 12 ausgebildete Aufnahmeöffnung 30 zur Aufnahme eines Fixierelementes zur Fixierung der Lagervorrichtung 7 im Lagerabschnitt 3 erkennbar. Die Radiallager 8, 9 weisen an ihren Innenflächen 17 sich axial erstreckende Längsnuten 31 auf. Der Abstandhalter 12 ist in seiner axialen Mitte eine Umfangsnut 32 aufweisend ausgebildet, wodurch ein Anlaufen der Lagervorrichtung 7 verhindert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008033814 A1 [0002]
