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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Lagereinrichtung zur Lagerung einer Welle in einem Gehäuse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine gattungsgemäße Lagereinrichtung ist aus der nachveröffentlichten
DE 10 2016 214 505 A1 der Anmelderin bekannt. Die bekannte Lagerreinrichtung zeichnet sich durch eine zwischen einer Lagerhülse und einer Aufnahme in einem Gehäuse positionierte Ausgleichshülse aus, wobei die Ausgleichshülse als ein von der Lagerhülse und dem Gehäuse separates Bauteil ausgebildet ist. Dadurch, dass die Ausgleichshülse einerseits in thermisch leitenden Kontakt mit der Lagerhülse und dem Gehäuse angeordnet ist und andererseits sich durch eine im Längsschnitt wellenartige Form auszeichnet, kann eine derartige Ausgleichshülse thermische Dehnungen zwischen den Bauteilen, d.h. zwischen der Lagerhülse und der Aufnahme im Gehäuse ausgleichen. Dies ist insbesondere für den Fall relevant, bei denen die Lagerhülse beispielsweise als aerodynamische Lagerhülse bei hochdrehenden Wellen von mehr als 100.000 Umdrehungen pro Minute verwendet wird. In diesem Fall kommt es zu einer nennenswerten Reibleistung in den Lagereinrichtungen bzw. zwischen der Welle und den Lagerhülsen. Dies kann zu einer ungleichförmigen Ausdehnung der Bauteile und zu einer Verringerung des Lagerspalts zwischen der Welle und dem Lagerring führen, sodass es im ungünstigsten Fall zu einem Klemmen der Welle in dem Lagerring kommt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Lagereinrichtung zur Lagerung einer Welle in einem Gehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass sie unterschiedliche Ausdehnungen der Bauteile ausgleichen kann und somit es insbesondere ermöglicht, stets einen genügend großen bzw. definierten Lagerspalt zwischen der zu lagernden Welle und der Lagerhülse auszubilden. Darüber hinaus ermöglicht es die erfindungsgemäße Lagereinrichtung, diese mit einer gegenüber dem eingangs erwähnten Stand der Technik reduzierten Anzahl von Bauteilen auszubilden.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass das Ausgleichselement monolithisch mit der Lagerhülse oder dem Gehäuse ausgebildet bzw. mit dieser/diesem verbunden ist. D. h., mit anderen Worten, dass das Ausgleichselement mit der Lagerhülse oder dem Gehäuse einteilig bzw. einstückig ausgebildet ist. Eine derartige Ausbildung der Lagereinrichtung hat darüber hinaus den Vorteil, dass die Montage der Lagereinrichtung insofern erleichtert wird, als dass im Gegensatz zum eingangs genannten Stand der Technik es nicht erforderlich ist, wenigstens zwei Bauteile (Lagerhülse und Ausgleichshülse) zwischen der Welle und dem Gehäuse anzuordnen und deren exakte Position zueinander bei der Montage sicherzustellen. Weiterhin wird durch die monolithische Ausbildung bei erhöhter Festigkeit ein besonders guter Wärmeübergang ermöglicht, so dass der Wärmeübergang von der Lagerhülse in das Ausgleichselement und/oder von dem Ausgleichselement in das Gehäuse optimiert werden kann. Weiterhin wird es für den Fall, dass das Ausgleichselement monolithisch mit der Lagerhülse ausgebildet ist ermöglicht, an der Verbindungsstelle zwischen dem Ausgleichselement und dem Gehäuse einen thermischen Widerstand, d.h. einen verringerten Wärmeübergang zu erzielen, damit sich die drehende Welle und die die drehende Welle aufnehmende Lagerhülse sich in etwa gleich stark erwärmen bzw. ausdehnen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lagereinrichtung zur Lagerung einer Welle in einem Gehäuse sind in den Unteransprüchen angeführt.
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Um es insbesondere zu ermöglichen, dass die Lagerhülse und das Ausgleichselement bzw. das Ausgleichselement und das Gehäuse in einem gemeinsamen Fertigungsschritt und somit gleichzeitig erzeugt werden können, ist es darüber hinaus vorgesehen, dass das Material der Lagerhülse und des Ausgleichselements oder des Ausgleichselements und des Gehäuses identisch ist. Eine derartige Wahl der Materialien ermöglicht es beispielsweise, die Lagerhülse zusammen mit dem Ausgleichselement durch einen Gießprozess auszubilden, ebenso wie bei einer monolithischen Gestaltung von Ausgleichselement und Gehäuse.
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Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Ausgleichselement aus Metall besteht. Dadurch kann die Lagereinrichtung im Betrieb auch relativ hohe Temperaturen aufweisen und es wird ein guter Wärmeübergang zwischen den Bauteilen erzielt.
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In konstruktiv bevorzugter Ausgestaltung, die neben der Möglichkeit eines Ausgleichs von unterschiedlichen Ausdehnungen der Bauteile in radialer Richtung auch einen Ausgleich in axialer Richtung, d. h. in Richtung der zu lagernden Welle, ermöglicht, ist es vorgesehen, dass das Ausgleichselement wenigstens zwei identische ausgebildete Ausgleichsstrukturen aufweist, die symmetrisch zu einer senkrecht zu einer Längsachse des Ausgleichselements angeordneten Ebene, vorzugsweise in axialen Endbereichen der Lagerhülse, angeordnet sind.
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In konstruktiv bevorzugter Ausgestaltung einer derartigen Ausgleichsstruktur weist diese wenigstens einen parallel oder in einem schrägen Winkel zur zweiten Längsachse angeordneten Ausgleichsabschnitt auf.
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Darüber hinaus hat eine Ausbildung des Ausgleichselements mit zwei in axialer Richtung voneinander beabstandeten Ausgleichsstrukturen auch den Vorteil, dass zwischen den wenigstens zwei Ausgleichstrukturen zwischen der Lagerhülse und dem Gehäuse ein Hohlraum ausbildbar ist. Ein derartiger Hohlraum kann in Weiterbildung des Vorschlags in einer ersten Ausgestaltung über wenigstens eine Bohrung im Gehäuse mit einer externen Einrichtung Verbindung haben. Eine derartige externe Einrichtung kann beispielsweise in einer Einrichtung zur Zuführung von Kühlmedium zu dem Bereich der Lagerhülse bestehen, so dass es möglich ist, die Lagerhülse besonders einfach und effektiv zu kühlen. Es kann jedoch gegebenenfalls auch wünschenswert sein, die Lagerhülse zu erwärmen, um beim Anlaufen der Welle einen vergrößerten Lagerspalt zwischen der Welle und der Lagerhülse auszubilden.
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Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass der Hohlraum über wenigstens eine Bohrung in der Lagerhülse Verbindung mit der Innenbohrung der Lagerhülse hat. In diesem Fall ist es möglich, über den Hohlraum bzw. das Gehäuse Schmiermedium, beispielsweise Druckluft, dem Bereich der Innenbohrung bzw. des Lagerspalts zwischen der sich drehenden Welle und der Lagerhülse zuzuführen.
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Wie oben erläutert, kann es gegebenenfalls sinnvoll sein, zwischen dem Ausgleichselement und einer entsprechenden Aufnahme in dem Gehäuse einen thermischen Widerstand zu erzeugen, d. h. den Wärmeübergang von dem Ausgleichselement in das Gehäuse zu beschränken oder verringern. In diesem Fall kann dies in vorteilhafter Art und Weise mit konstruktiv einfachen Mitteln dadurch erreicht werden, dass das Ausgleichselement dazu ausgebildet ist, lediglich bereichsweise an einer Aufnahmeöffnung des Gehäuses zur Aufnahme des Ausgleichselements anzuliegen.
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Eine besonders einfache Montage der Lagereinrichtung wird erzielt, wenn zwischen der Lagerhülse und dem Ausgleichselement oder zwischen dem Ausgleichselement und dem Gehäuse eine Pressverbindung ausbildbar ist. Dadurch werden keine zusätzlichen bzw. separaten Befestigungselemente benötigt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
- 1 einen Längsschnitt im Bereich einer ersten Lagereinrichtung zur Lagerung einer Welle in einem Gehäuse,
- 2 eine gegenüber der 1 abgewandelte zweite Lagereinrichtung in einem Teillängsschnitt, bei der eine Kühlung der Lagerhülse realisierbar ist
- 3 eine gegenüber der 2 abgewandelte dritte Lagereinrichtung im Längsschnitt, bei der eine Versorgung des Lagerspalts zwischen der Lagerhülse und der Welle ausbildbar ist,
- 4 eine gegenüber der 3 abgewandelte vierte Lagereinrichtung im Teillängsschnitt, bei der mehrere Bohrungen in der Lagerhülse für das Schmiermedium ausgebildet sind,
- 5 und 6 jeweils im Teillängsschnitt unterschiedlich ausgestaltete weitere Lagereinrichtungen und
- 7 einen perspektivischen Schnitt durch eine Lagereinrichtung, bei der das Ausgleichselement monolithisch an dem Gehäuse angeformt ist.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist eine Lagereinrichtung 10 zur Lagerung einer um eine Drehachse 2 drehbaren Welle 1 dargestellt. Die Lagereinrichtung 10 findet bevorzugt, jedoch nicht einschränkend, Verwendung bei mit relativ hoher Umdrehungszahl gedrehten Wellen 1, wobei die Drehzahl beispielsweise mehr als 100.000 Umdrehungen pro Minute betragen kann. Darüber hinaus wird erwähnt, dass die Welle 1 üblicherweise in wenigstens zwei Lagereinrichtungen 10 gelagert ist, die in einem axialen Abstand, bezogen auf die Längserstreckung der Welle 1, angeordnet sind, wobei es ebenfalls bevorzugt vorgesehen ist, dass die beiden Lagereinrichtungen 10 identisch ausgebildet sein können.
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Die Lagereinrichtung 10 weist eine vorzugsweise aus Metall bestehende Lagerhülse 12 auf, die eine Innenbohrung 14 zur Aufnahme der Welle 1 hat. Die Innenbohrung 14 ist konzentrisch um eine Längsachse 16 der Lagerhülse 12 angeordnet, die im Einbauzustand der Welle 1 identisch ist mit der Drehachse 2 der Welle 1. Die Lagerhülse 12 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel über nahezu ihre gesamte axiale Erstreckung eine gleichmäßige Dicke d auf. Lediglich an den axialen Endbereichen sind an der Außenseite der Lagerhülse 12 jeweils in einem schrägen Winkel angeordnete Fasen 17, 18 ausgebildet. Zwischen der Innenbohrung 14 der Lagerhülse 12 und dem Außenumfang der Welle 1 ist ein radial umlaufender Lagerspalt 20 ausgebildet, dessen Spaltweite beispielsweise weniger als 20µm betragen kann.
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An einer radial umlaufenden Außenfläche 22 der Lagerhülse 12 ist ein ebenfalls aus Metall bestehendes Ausgleichselement 25 monolithisch angeformt. Beispielsweise ist das Ausgleichselement 25 zusammen mit der Lagerhülse 12 in einem Gussverfahren hergestellt, wobei die Innenbohrung 14 durch eine nachträgliche Materialbearbeitung, insbesondere Schleifen oder ähnliches, mit der gewünschten Rauhigkeit bzw. Genauigkeit ausgebildet wurde. Das Ausgleichselement 25 ist in einer radialen Richtung in Bezug zur Längsachse 16 elastisch deformierbar ausgebildet.
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Das Ausgleichselement 25 weist hierzu zwei identisch ausgebildete, in einem axialen Abstand zueinander angeordnete Ausgleichsstrukturen 26, 28 auf, die beispielhaft und nicht einschränkend nahe vor den beiden Fasen 17, 18, d. h. ebenfalls nahe an den axialen Endbereichen der Lagerhülse 12, angeordnet sind. Die Ausgleichsstrukturen 26, 28 sind im Querschnitt in etwa S-förmig ausgebildet, wobei ein mittlerer Abschnitt 29 der Ausgleichsstrukturen 26, 28 zumindest nahezu parallel zur Längsachse 16 angeordnet ist. Weiterhin sind die Ausgleichsstrukturen 26, 28 vorzugsweise radial umlaufend ausgebildet, d. h. ohne Unterbrechung in Umfangsrichtung.
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Ergänzend wird erwähnt, dass es je nach Anwendungsfall, insbesondere für den Fall, dass keine externe Kühlung oder Schmierung der Lagerhülse 12 erforderlich ist, vorgesehen sein kann, die Ausgleichsstrukturen 26, 28 in Umfangsrichtung gesehen auch unterbrochen auszubilden.
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Ein der Lagerhülse 12 abgewandter Endabschnitt 31 der Ausgleichstrukturen 26, 28 bzw. des Ausgleichselement 25 ist ebenfalls zumindest im wesentlichen parallel zur Längsachse 16 in der Lagerhülse 12 angeordnet.
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Die aus der Lagerhülse 12 und dem Ausgleichselement 25 ausgebildete Baueinheit 30 ist in einer im Ausführungsbeispiel einen runden Querschnitt aufweisenden Aufnahme 33 eines Gehäuses 35 angeordnet. Vorzugsweise ist hierzu zwischen dem Endabschnitt 31 der jeweiligen Ausgleichsstruktur 26, 28 und der Aufnahme 33 eine Presspassung ausgebildet. Auch das Gehäuse 35 besteht vorzugsweise aus Metall, wobei die Anlage des Ausgleichselements 25 bzw. des Endabschnitts 31 an der Aufnahme 33 entweder über die gesamte (axiale) Erstreckung des Endabschnitts 31 erfolgen kann oder aber lediglich bereichsweise bzw. punkt- oder linienförmig.
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Zwischen der Außenfläche 22 der Lagerhülse 12, den beiden Ausgleichsstrukturen 26, 28 des Ausgleichselements 25 und der Aufnahme 33 ist ein radial umlaufender Hohlraum 36 ausgebildet, der einerseits über eine in dem Gehäuse 35 ausgebildete Einlassbohrung 38 mit einer externen Einrichtung 40 Verbindung hat, und andererseits über eine Auslassbohrung 42 beispielsweise zur Umgebung druckentlastbar ist. Die Einrichtung 40 dient beispielsweise dazu, Kühlmedium, wie Kühlluft oder eine Kühlflüssigkeit in den Bereich des Hohlraums 36 zu fördern, um die Lagerhülse 12 zu kühlen bzw. eine Wärmeabfuhr von der Lagerhülse 12 an die Umgebung zu erhöhen, ohne dass sich dadurch beispielsweise das Gehäuse 35 stark erwärmt.
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Bei der Drehung der Welle 1 um ihre Drehachse 2, insbesondere bei relativ hohen Drehzahlen, wird durch die Lagerung der Welle 1 in der Lagerhülse 12 Reibungswärme erzeugt, die sich auf die Lagerhülse 12 überträgt. Dabei dehnt sich sowohl die Welle 1 als auch die Lagerhülse 12 aus. Um auch bei hohen Drehzahlen bzw. großer Reibwärme sicherzustellen, dass stets ein genügend großer Lagerspalt 20 zwischen der Welle 1 und der Innenbohrung 14 der Lagerhülse 12 ausgebildet ist, ermöglicht es das Ausgleichselement 25, dass sich die Lagerhülse 12 an ihrem Außendurchmesser bzw. im Bereich der Außenfläche 22 radial ausdehnen kann, ohne dass sie dadurch unmittelbar von der Aufnahme 33 im Gehäuse 35 gehindert wird. Es findet lediglich eine Deformation des Augleichselements 25 bzw. der Ausgleichsstrukturen 26, 28 statt, bei der beispielsweise der mittlere Abschnitt 29 der Ausgleichsstrukturen 26, 28 eine geänderte Winkellage einnimmt, um eine radiale Deformation der Ausgleichsstrukturen 26, 28 zu ermöglichen. Weiterhin findet durch die definierte Anlage der Endabschnitte 31 in der Aufnahme 33 des Gehäuses 35 eine begrenzte bzw. definierte Erwärmung des Gehäuses 35 statt.
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Die in der 2 dargestellte Lagereinrichtung 10a unterscheidet sich von der Lagereinrichtung 10 dadurch, dass im Strömungsweg der Einlassbohrung 38 ein Ventil 44 angeordnet ist, dessen Öffnungsquerschnitt beispielsweise in Abhängigkeit einer von einem Temperatursensor 46 erfassten Temperatur der Lagerhülse 12 veränderbar ist. Hierzu liefert der Temperatursensor 46 ein entsprechendes Eingangssignal an eine Regeleinheit 48, welche wiederum das Ventil 44 entsprechend ansteuert.
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Die in der 3 dargestellte Lagereinrichtung 10b dient der Zuführung von der Lagerung der Welle 1 in der Innenbohrung 14 dienendem Schmiermedium, beispielsweise einem flüssigen Schmiermedium, oder aber bevorzugt einem gasförmigem Schmiermedium in Form von Druckluft. Hierzu ist die Lagereinrichtung 10b in Abänderung zur Lagereinrichtung 10a im Bereich der Lagerhülse 12 mit wenigstens einer zusätzlichen Bohrung 50 ausgestattet, die beispielhaft in einem in Bezug auf die axiale Erstreckung der Lagerhülse 12 mittleren Bereich der Lagerhülse 12 angeordnet ist, und die den Hohlraum 36 mit dem Lagerspalt 20 verbindet. Zwei oder mehr Zuführbohrungen 52 in dem Gehäuse 35 sind mit einer externen Einrichtung 54 gekoppelt, die entsprechendes Schmiermedium bereitstellt bzw. in die Zuführbohrungen 52 einspeist. Das über die Bohrungen 50 dem Lagerspalt 20 zugeführte Schmiermedium wird entsprechend der Pfeile 56 in die axialen Endbereiche des Lagerspalts 20 verdrängt und kann dort aus der Lagerhülse 12 entweichen.
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Die in der 4 dargestellte Lagereinrichtung 10c unterscheidet sich von der Lagereinrichtung 10b durch die Ausbildung von zwei, in Bezug zur Längsachse 16 der Lagerhülse 12 voneinander beabstandete Bohrungen 58, die in axialer Überdeckung mit den Ausgleichsstrukturen 26, 28 unterhalb des mittleren Abschnitts 29 ausgebildet sind.
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Die in der 5 dargestellte Lagereinrichtung 10d zeichnet sich dadurch aus, dass die Ausgleichsstrukturen 62, die ebenso wie die beiden Ausgleichsstrukturen 26, 28 der Lagereinrichtung 10c symmetrisch zu einer senkrecht zur Längsachse 16 verlaufenden Ebene 66 angeordnet sind, jeweils einen in einem schrägen Winkel α verlaufenden mittleren Abschnitt 68 aufweisen, der über einen Bogenabschnitt 70 in einen etwa parallel zur Längsachse 16 verlaufenden Anlageabschnitt 72 übergeht. Charakteristisch für den Anlageabschnitt 72 ist, dass dessen der Aufnahme 33 in dem Gehäuse 35 zugewandte Seite ballig ausgebildet ist, d.h., dass lediglich ein bereichsweiser Kontakt zur Aufnahme 33 ausgebildet ist.
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Die in der 6 dargestellte Lagereinrichtung 10e unterscheidet sich von der Lagereinrichtung 10d dadurch, dass die Ausgleichsstrukturen 74, 76 jeweils einen von der Lagerhülse 12 senkrecht abragenden ersten Abschnitt 78 aufweisen, der über eine parallel zur Längsachse 16 angeordneten mittleren Abschnitt 80 in Anlagekontakt mit der Aufnahme 33 des Gehäuses 35 ist. Hierzu weist der mittlere Abschnitt 80 einen ebenfalls in etwa ballig ausgebildeten Kontaktbereich 82 auf.
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Die in der 7 ohne eine Welle 1 dargestellte Lagereinrichtung 10f unterscheidet sich von der Lagereinrichtungen 10, 10a bis 10e grundsätzlich dadurch, dass bei der Lagereinrichtung 10f das Ausgleichselement 25f monolithisch an dem Gehäuse 35f angeformt ist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass der der Lagerhülse 12f zugewandte bzw. in Kontakt mit der Lagerhülse 12f stehende Bereich des Gehäuses 35f bzw. des Ausgleichselements 25f in bereichsweisen Kontakt mit der Außenfläche 22f der Lagerhülse 12f steht. Auch bei der Lagereinrichtung 10f können entsprechende Vorkehrungen zur Kühlung bzw. Schmierung entsprechend der Lagereinrichtungen 10, 10a bis 10c vorgesehen sein.
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Die soweit beschriebenen Lagereinrichtungen 10, 10a bis 10f können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht in der Verwendung eines Ausgleichselements 25, 25f, das entweder monolithisch an der Lagerhülse 12, oder aber an dem Gehäuse 35f angeordnet bzw. mit dieser/diesem verbunden ist. So kann es beispielsweise auch vorgesehen sein, dass entsprechende Ausgleichselemente 25, 25f nicht nur an der Lagerhülse 12, 12f bzw. dem Gehäuse 35, 35f vorgesehen sind, sondern sowohl an einer Lagerhülse, als auch an dem Gehäuse.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016214505 A1 [0002]
