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Die Erfindung bezieht sich auf eine Lagerung eines Klappenventils bestehend aus einer Ventilwelle mit einer Ventilwellenachse für eine Ventilklappe sowie aus einem endseitig an der Ventilwelle angeformten oder befestigten Lagerkörper und aus einer Ventilgehäusewand, die ein Wellenlager in Form einer Vertiefung oder Ausnehmung aufweist, wobei der Lagerkörper zumindest mittelbar in der Vertiefung drehbar um die Ventilwellenachse geführt und in axialer Richtung A zur Ventilwellenachse zumindest mittelbar gegen das Wellenlager anlegbar ist. Ergänzend zum axialen Anschlag gegen die Ventilgehäusewand wird durch die Vertiefung auch ein Formschluss in radialer Richtung zur Ventilwellenachse gewährleistet. Die Ventilwelle kann auch integraler Bestandteil der Ventilklappe sein.
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Innerhalb einer Abgasanlage ist eine Abgasklappe notwendig, um ein angemessenes akustisches Verhalten und ausreichend Abgasgegendruck zu gewährleisten. Über die Abgasklappe wird der Gasvolumenstrom reguliert. Hierzu ist die Abgasklappe mit einer angetriebenen Welle gekoppelt, so dass mit Öffnen bzw. Schließen der Abgasrohrquerschnitt verändert wird. Der Antrieb der Welle erfolgt mittel- oder unmittelbar über einen Aktuator.
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Die Beweglichkeit der Welle wird durch Lager innerhalb des Ventilgehäuses gewährleistet. Als Lager kommen meist beidseitig Wellenlager in Betracht. Alternativ wird auf der einen Seite ein Wellenlager vorgesehen und gegenüberliegend ein Stiftlager in einer Vertiefung. In der Regel ist der Lageraußenring bzw. das Stiftlager aus anderen Materialien als die Lagerwelle bzw. die Vertiefung im Ventilgehäuse. Dabei werden Materialpaarungen in Betracht gezogen, bei denen Verschleiß und Reibung minimiert sind. Für die Materialpaarung kommen Keramik und Metalllegierungen in Form von Sintermetall oder Guss in Betracht.
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Jedes Lager muss eine exakte Positionierung und Beweglichkeit gewährleisten. Zwischen den Lagerteilen ist eine Vorspannung vorgesehen, um eine entsprechende Lagerkraft zu erhalten und um Relativbewegungen innerhalb des Lagers zu vermeiden.
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Das Keramik-Stiftlager ist direkt verbunden mit der Ventilwelle. Aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Keramik und der Metalllegierung müssen entsprechende Toleranzen Anwendung finden.
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Die Schwierigkeiten bei einem solchen Lagerkonzept liegen in der Ausbildung dieser Verbindung zwischen dem keramischen und dem metallischen Lagerteil. Aufgrund von Relativbewegungen durch Vibration, Pulsation oder eine sonstige Erregung können unerwünschte Geräusche entstehen.
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Eine weitere Anforderung neben der Verschleißfestigkeit und der guten Gleiteigenschaften ist die Temperaturbeständigkeit. Für eine Anwendung am Ende der Abgasanlage ist zudem eine gute Korrosionsbeständigkeit notwendig.
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Eine Schwierigkeit beim Einsatz von Keramik-Metall-Paarungen in Bereichen mit Temperaturschwankungen sind die sehr unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten beider Materialien. Dies kann zu Brüchen der Keramik oder Lösungserscheinungen zwischen der Keramik und dem Metall führen.
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Es ist bereits eine Lagerung einer Klappenventilwelle aus der
WO 2010/108620 A1 bekannt. Die Lagerung weist einen Lagerkörper mit einer Ausnehmung auf, in der ein mit der Klappe verbundenes Kugelsegment drehbar gelagert ist. Der Lagerkörper ist gegenüber dem Gehäuse über eine Federanordnung axial abgestützt bzw. vorgespannt.
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Aus der
DE 10 2009 052 423 A1 ist ebenfalls eine Lagerung einer Klappenventilwelle bekannt. Hierbei weist die Klappenventilwelle endseitig einen Lagerstift auf, der innerhalb einer Vertiefung des Ventilgehäuses drehbar gelagert ist.
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Aus der
US 4,079,747 A ist auch eine Lagerung einer Klappenventilwelle bekannt. Hierbei weist die aus Feuerfestmaterial gebildete Klappe endseitig einen eingegossenen keramischen Lagerstift auf, der innerhalb einer zylindrischen Vertiefung des Ventilgehäuses drehbar gelagert ist. Der Lagerstift ist zylindrisch und endseitig flach. Toleranzen zwischen Lagerstift und Vertiefung in radialer Richtung können nicht ausgeglichen werden. Das Ventilgehäuse sowie die Vertiefung sind mit Keramik ausgekleidet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lagerung einer Klappenventilwelle derart auszubilden und anzuordnen, dass ein verbessertes akustisches Verhalten und eine verbesserte Standzeit gewährleistet werden.
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Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass der Lagerkörper eine Ausnehmung aufweist, in der ein Lagerstück eingesetzt ist, wobei das Lagerstück gegen das Wellenlager anliegt, so dass der Lagerkörper mittelbar über das Lagerstück gegen das Wellenlager anlegbar ist und drehbar um die Ventilwellenachse geführt ist. Somit ist die Ventilwelle mittelbar über den Lagerkörper und das Lagerstück gegen das gehäuseseitige Wellenlager anlegbar und führbar.
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Hierdurch wird erreicht, dass einerseits der Lagerkörper aus ähnlichem Material wie die Ventilwelle, beispielsweise aus Metall gebildet werden kann, so dass der Lagerkörper auf einfache Art, wie durch Schweißen dauerfest mit der Ventilwelle verbunden werden kann. Letzteres beispielsweise durch Löten oder Schweißen. Dies gewährleistet ein optimales akustisches Verhalten dieser Verbindung. Andererseits kann ein Lagerstück Anwendung finden, das aus einem anderen Material gebildet ist, als der Lagerkörper. Das Lagerstück kann auch unabhängig vom Lagerkörper ausgetauscht werden, sodann Verschleißerscheinungen dies notwendig machen.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Klappenventil aufweisend ein Ventilgehäuse zum Anschließen an eine Abgasanlage und einer Ventilklappe mit einer Lagerung wie beschrieben.
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Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn der Lagerkörper und das Lagerstück aus unterschiedlichen Metallen oder unterschiedlichen Materialien gebildet sind oder wenn der Lagerkörper aus Metall gebildet ist und das Lagerstück aus einem keramischen Werkstoff gebildet ist. Der Lagerkörper kann somit auf einfache Weise fest mit der Ventilwelle verbunden werden.
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Der Lagerkörper kann auch aus Edelstahl, Sintermetall oder Guss gebildet sein. Die verwendeten Materialien müssen insgesamt temperaturbeständig und korrosionsbeständig sein.
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Das Lagerstück kann aus einem anderen Metall als der Lagerkörper, insbesondere aus verschleißfestem Metall oder aus Keramik gebildet sein.
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Darüber hinaus kann für das Lagerstück ein anderes Material gewählt werden, so dass optimale Gleitlagereigenschaften, insbesondere eine geringe Reibung, mithin ein geringer Verschleiß zu verzeichnen sind.
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Die Ventilgehäusewand bzw. das Wellenlager ist bei Anwendungen rund um das Kraftfahrzeug in der Regel auch aus Metall gebildet. Die Metall-Keramik-Paarung zwischen Lagerstück und Wellenlager gewährleistet ein sehr gutes Reibungs- und Verschleißverhalten.
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Zudem weist das keramische Lagerstück einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der metallische Lagerkörper auf. Demnach wird sich mit Erwärmung ein vergrößertes Spiel bzw. im Fall einer Vorspannung eine verminderte Vorspannkraft zwischen dem Lagerkörper und dem Lagerstück einstellen. Dieser Effekt wirkt sich wie unten beschrieben positiv auf die Dosierung von Schmiermittel aus.
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Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn das Lagerstück innerhalb der Ausnehmung des Lagerkörpers in axialer Richtung A zur Ventilwellenachse bewegbar gelagert ist, wobei innerhalb der Ausnehmung ein Vorspannelement vorgesehen ist, über das das Lagerstück relativ zum Lagerkörper in axialer Richtung A zur Ventilwellenachse vorspannbar ist. Das Vorspannelement gewährleistet eine relativ konstante axiale Halte- bzw. Lagerkraft. Durch die Vorspannung bzw. die axiale Halte- bzw. Lagerkraft kann das akustische Verhalten verbessert werden, weil Vibrationsgeräusche verhindert werden. Eine Vorspannung der Ventilwelle selbst gegenüber dem Ventilgehäuse ist somit nicht notwendig. Das Vorspannelement ist vorzugsweise als Feder ausgebildet, die aus einer Stahl- oder Nickel-Legierung besteht.
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Vorteilhaft kann es auch sein, wenn das Lagerstück innerhalb der Ausnehmung des Lagerkörpers in axialer Richtung A zur Ventilwellenachse fixiert ist. Mangels axialer Relativbewegung zwischen dem Lagerstück und dem Lagerkörper ist eine Vorspannung der Ventilwelle gegenüber dem Ventilgehäuse mittels eines weiteren Vorspannelements außerhalb der Ausnehmung vorteilhaft.
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Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das Lagerstück und der Lagerkörper einen in axialer Richtung A zur Ventilwellenachse wirkenden Formschluss aufweisen, wobei der Formschluss
- a) als einseitiger Anschlag ausgebildet ist, gegen den das Lagerstück unter Vorspannung anlegbar ist oder
- b) das Lagerstück in axialer Richtung zur Ventilwellenachse in beide Richtungen fixiert. Der Formschluss verhindert ein Herausfallen des Lagerstücks. Letzeres auch im Fall mit axialer Bewegungsfreiheit und unter axialer Vorspannung durch das Vorspannelement.
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Von Bedeutung kann für die vorliegende Erfindung sein, wenn der Formschluss als Schulter ausgebildet ist, bspw. in Form eines Bördelrandes, der nach dem Einsetzen des Lagerstücks in die Ausnehmung angeformt wird. Die Schulter bildet somit eine Hinterschneidung in Bezug auf den Öffnungsquerschnitt der Ausnehmung, so dass der einseitige Anschlag gewährleistet und ein Herausfallen des Lagerstücks verhindert wird.
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Es kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das Lagerstück zumindest bei Betriebstemperatur relativ zum Lagerkörper in Umfangsrichtung zur Ventilwellenachse bewegbar ist oder in radialer Richtung ein geringfügiges Spiel aufweist. Zwischen dem Lagerstück und dem Lagerkörper besteht in Umfangsrichtung zumindest bei Betriebstemperatur kein Kraftschluss. Ein Formschluss besteht nur in axialer Richtung A sowie in radialer Richtung und optional in Umfangsrichtung zur Ventilwellenachse. Das gesamte Spiel gewährleistet den Austritt von Schmierstoff.
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Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn innerhalb der Ausnehmung zwischen dem Lagerstück und dem Lagerkörper ein Hohlraum vorgesehen ist, in dem Schmierstoff bevorratbar bzw. bevorratet ist. Durch den gesonderten Schmierstoff wird das Reibungs- und Verschleißverhalten deutlich verbessert. Durch den bestehenden Spalt zwischen Lagerstück und Lagerkörper und durch die Relativbewegung zwischen Lagerstück und Lagerkörper wird Schmiermittel aus dem Hohlraum und zwischen das Lagerstück und das Wellenlager bzw. die Vertiefung gefördert. Dadurch, dass sich mit Erwärmung das Spiel, mithin der Spalt zwischen dem Lagerkörper und dem Lagerstück vergrößert, kann zumindest im warmen Zustand bzw. bei Betriebstemperatur vermehrt Schmiermittel austreten.
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Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn die Ausnehmung einen eingebördelten Rand aufweist, der die Hinterschneidung und den Formschluss mit dem Lagerstück in axialer Richtung A bildet, wobei das Lagerstück einen Bereich B1 mit Durchmesser d1 aufweist und einen Bereich B2 mit Durchmesser d2 aufweist, mit d1 > d2, wobei der Bereich B1 zwecks Bildung des Formschlusses innerhalb der Ausnehmung gegen den eingebördelten Rand anliegt. Die beiden unterschiedlichen Durchmesser d1, d2 begründen eine Schulter, die gegen den Rand anlegbar ist.
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Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn das Lagerstück kugelförmig ausgebildet ist oder das Lagerstück stiftförmig ausgebildet ist und eine innerhalb der Ausnehmung angeordnete Schulter aufweist, die gegen den Rand anliegt. Auch andere Formen wie kegelstumpfförmig sind möglich. Es bedarf lediglich einer Verdickung, die innerhalb der Ausnehmung platziert ist und den Formschluss mit dem Rand begründen kann.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigen:
- 1 eine Prinzipskizze eines Klappenventils integriert in eine Abgasanlage;
- 2 - 6 eine Prinzipskizze der Detailansicht zur Lagerung der Ventilwelle.
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Nach 1 ist ein Klappenventil 6 dargestellt, welches innerhalb einer Abgasanlage 8 bestehend aus zwei Abgasrohren integriert ist. Das Klappenventil 6 weist ein Ventilgehäuse 6.4 auf, innerhalb dessen eine Ventilklappe 6.1 mit einer Ventilwellenachse 1.2 angeordnet ist. Die Ventilklappe 6.1 ist mit Bezug zu der Ventilwellenachse 1.2 über ein oberes Ring- bzw. Wellenlager 6.2 sowie einer unteren Lagerung 1 innerhalb des Gehäuses 6.4 gelagert. Die Ventilklappe 6.1 wird über einen Antrieb 6.3 angetrieben. Die Lagerung 1 wird gebildet durch einen Lagerkörper 2, der mit der Ventilwelle 1.1 bzw. der Ventilklappe 6.1 verbunden ist sowie einem darin angeordneten Lagerstück 4. Das Lagerstück 4 ist innerhalb einer Vertiefung 3.1 der Ventilgehäusewand 3 platziert.
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In der 2 wird dieser Sachverhalt wie folgt detailliert dargestellt.
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Der Lagerkörper 2 ist unmittelbar mit der Ventilwelle 1.1 bzw. im Fall einer innerhalb der Ventilklappe 6.1 integral enthaltenen Ventilwelle 1.1 mit der Ventilklappe 6.1 verbunden. Sowohl für die Welle 1.1 bzw. die Klappe 6.1 wie auch für den Lagerkörper 2 kommt Material mit vergleichbaren bzw. ähnlichem Wärmeausdehnungskoeffizient, insbesondere Metall in Betracht, sodass zum Verbinden ein Verschweißen oder ein Verlöten der beiden Bauteile möglich ist. Am unteren Ende weist der Lagerkörper 2 eine Ausnehmung 2.1 auf. Innerhalb dieser Ausnehmung 2.1 ist das Lagerstück 4 angeordnet. Bei dem Lagerstück 4 handelt es sich nach 2 um eine Kugel, vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff, die innerhalb der Ausnehmung 2.1 gelagert ist. Damit das Lagerstück 4 nicht herausfällt, weist die Ausnehmung 2.1 eine Hinterschneidung 2.2 auf, sodass der Durchmesser d2 des Lagerstücks 4 größer ist als der Öffnungsdurchmesser d1 der Ausnehmung 2.1. Die Hinterschneidung 2.2 kann umseitig vorgesehen sein, oder auch nur über einen Teilumfang.
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Die Ventilgehäusewand 3 weist im Bereich dieser Lagerung 1 eine als Wellenlager ausgebildete Vertiefung 3.1 auf, innerhalb derer der Lagerkörper 2 über das Lagerstück 4 zur Anlage kommt. Die Anlage erfolgt insbesondere in axialer Richtung A. Darüber hinaus wird das Lagerstück 4 aufgrund der muldenförmigen Ausprägung der Vertiefung 3.1 in radialer Richtung zumindest geführt. Damit ist eine exakte Relativbewegung zwischen dem Lagerkörper 2 und der Ventilgehäusewand 3 in Umfangsrichtung U (siehe 3) gewährleistet.
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Nach Ausführungsbeispiel 3 handelt es sich im Gegensatz zu Ausführungsbeispiel 2 um ein einseitig zylindrisch ausgebildetes Lagerstück 4, welches innerhalb einer entsprechenden Ausnehmung 2.1 innerhalb des Lagerkörpers 2 platziert ist. Das Lagerstück 4 ist an seiner Oberseite flach und liegt an eine entsprechend flache Innenwand 2.5 innerhalb der Ausnehmung 2.1 gegen den Lagerkörper 2 an. Alternativ (gestrichelt gezeichnet) kann das Lagerstück 4* an seiner Oberseite auch kugelförmig ausgebildet sein. Damit einher gehen eine einfachere Montage sowie eine optimale Druckverteilung im Lagerstück 4* bei axialer Vorspannung bzw. Pressung des Lagerstücks 4*._Die Unterseite des Lagerstücks 4 ist Kugelförmig ausgebildet und kommt wie auch nach Ausführungsbeispiel 2 innerhalb der Vertiefung 3.1 in axialer Richtung Azur Anlage.
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Nach Ausführungsbeispiel 4 ist das Lagerstück 4 wie auch nach 2 als Kugel ausgebildet. Die Ausnehmung 2.1 ist erweitert. Sie erstreckt sich wesentlich tiefer in den Lagerkörper 2, sodass zwischen dem Lagerstück 4 und der Innenwand 2.5 des Lagerkörpers 2 ein als Feder ausgebildetes Vorspannelement 5 vorgesehen ist. Über das Vorspannelement 5 bzw. die Feder wird das Lagerstück 4 gegen die Hinterschneidung 2.2 bzw. den so gebildeten Rand 2.4 vorgespannt. Diese Vorspannung wirkt in axialer Richtung A. Sofern das Lagerstück 4 aufgrund der relativen Lage zwischen der Ventilwelle 1.1 und der Ventilgehäusewand 3 nicht gegen den Rand 2.4 der Hinterschneidung 2.2 anliegt, erfolgt in diesem Fall eine Vorspannung der Ventilwelle 1.1 gegenüber der Ventilgehäusewand 3.
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Im Ausführungsbeispiel 5 ist ebenfalls eine Feder 5 vorgesehen. In diesem Fall ist das Lagerstück 4 ebenfalls zylinder- bzw. kolbenförmig ausgebildet. Zwecks Anlage gegen den Rand 2.4 der Hinterschneidung 2.2 weist das Lagerstück 4 eine Schulter 4.1 mit einem Durchmesser d2 auf, der größer ausgebildet ist als ein Öffnungsquerschnitt d1 der Ausnehmung 2.1. Mithin weist das Lagerstück 4 einen Bereich B1 auf, dessen Durchmesser d1 größer ist als ein Durchmesser d2 eines Bereichs B2. Entsprechendes gilt für die Lagerstücke 4 nach Ausführungsbeispiel 2 bis 4 und 6.
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Wie nach 6 zu sehen, ist das Lagerstück 4 wiederum kugelförmig. Der Bereich B1 des Lagerstücks 4 weist einen größeren Durchmesser auf als der Bereich B2, sodass das Lagerstück 4 im Bereich B1 gegen den Rand 2.4 der Hinterschneidung 2.2 anliegt.
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In den Ausführungsbeispielen 4, 5 und 6 ist oberhalb des Lagerstücks 4 ein Hohlraum 2.3 in Form einer in axialer Richtung A erweiterten Ausnehmung 2.1 vorgesehen, in der nach Ausführungsbeispiel 4 und 5 die Feder 5 vorgesehen ist. In allen drei Ausführungsbeispielen kann innerhalb dieses Hohlraums 2.3 wie in 6 dargestellt ein Schmierstoff 7 vorgehalten werden. Der Schmierstoff 7 wird aufgrund der Relativbewegung zwischen dem Lagerstück 4 und dem Lagerkörper 2 und aufgrund des zwischen dem Lagerstück 4 und dem Lagerkörper 2 bestehenden Spaltes nach und nach aus der Ausnehmung 2.1 bzw. dem Hohlraum 2.3 heraustransportiert und gelangt letztlich in das Wellenlager 3.1, mithin in die Vertiefung an die Kontaktstelle zwischen dem Lagerstück 4 und der Ventilgehäusewand 3.
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Nach den Ausführungsbeispielen 4 und 5 wird der Spalt zwischen dem Lagerstück 4 und dem Rand 2.4 des Lagerkörpers 2 insbesondere dann größer, wenn das Lagerstück 4 entgegen der Federkraft nach innen vorgespannt wird und in diesem Fall die Anlage gegen den Rand 2.4 der Hinterschneidung 2.2 verliert. Nach den Ausführungsbeispielen 2, 3 und 6 ist festzustellen, dass der zwischen dem Lagerstück 4 und dem Lagerkörper 2 bestehende Spalt im kalten Zustand am kleinsten ist. Mit zunehmender Erwärmung, insbesondere bei Betriebstemperatur, wird der Spalt deutlich größer werden. Dies deshalb, weil der Wärmeausdehnungskoeffizient eines keramischen Bauteils, wie hier dem Lagerstück 4, in der Regel kleiner ist als der eines metallischen Bauteils, wie hier für den Lagerkörper 2, vorgesehen. Insbesondere bei Betriebstemperatur ist demnach ein ausreichender Austritt an Schmierstoff 7 aus der Hinterschneidung 2.2 gewährleistet.
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Durch den teilkugelförmigen Kontakt zwischen dem Lagerstück 4, 4* und dem Lagerkörper 2 wird ein radialer Toleranzausgleich gewährleistet, d.h. Toleranzen in radialer Richtung können durch eine axiale Zustellung bzw. Vorspannung ausgeglichen werden, so dass Klappergeräusche vermieden werden. Der teilkugelförmige Kontakt besteht gemäß Ausführungsbeispiel 2, 3, 6 auf der Oberseite des Lagerstücks 4, 4* und gemäß Ausführungsbeispiel 4 auf der Unterseite des Lagerstücks 4, wo es gegen die teilkugelförmige Hinterschneidung 2.4 anliegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lagerung
- 1.1
- Ventilwelle
- 1.2
- Ventilwellenachse
- 2
- Lagerkörper
- 2.1
- Ausnehmung
- 2.2
- Hinterschneidung
- 2.3
- Hohlraum
- 2.4
- Rand
- 2.5
- Innenwand
- 3
- Ventilgehäusewand
- 3.1
- Vertiefung, Wellenlager
- 4
- Lagerstück
- 4*
- Lagerstück, alternative Form
- 4.1
- Schulter
- 5
- Vorspannelement, Feder
- 6
- Klappenventil
- 6.1
- Ventilklappe
- 6.2
- Ringlager, Wellenlager
- 6.3
- Antrieb
- 6.4
- Ventilgehäuse
- 7
- Schmierstoff
- 8
- Abgasanlage
- A
- axiale Richtung
- B1
- Bereich
- B2
- Bereich
- d1
- Durchmesser, Breite
- d2
- Durchmesser, Breite
- U
- Umfangsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/108620 A1 [0009]
- DE 102009052423 A1 [0010]
- US 4079747 A [0011]
