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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei der Abgasturbolader eine Stellvorrichtung zur Anpassung seines Betriebsverhaltens an das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine, die über einen Betätigungsaktuator betätigt wird, aufweist.
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Zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und des Schadstoff-Ausstoßes bei gleichbleibender oder sogar gesteigerter Leistung der Brennkraftmaschine, insbesondere eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug, werden vermehrt kleinvolumige Motorkonzepte, sogenannte Downsizing-Konzepte, zugrunde gelegt, die zur Leistungssteigerung mit Abgasturboladern ausgestattet sind.
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Das Wirkprinzip eines Abgasturboladers besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen um den Druck im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu bewirken und somit mehr Treibstoff, Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung der Brennkraftmaschine zu erhöhen.
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Dazu weist der Abgasturbolader eine im Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordnete Abgasturbine, einen im Ansaugtrakt angeordneten Frischluftverdichter und ein dazwischen angeordnetes Läuferlager auf. Die Abgasturbine weist ein Turbinengehäuse und ein darin angeordnetes, durch den Abgasmassenstrom angetriebenes Turbinenlaufrad auf. Der Frischluftverdichter weist ein Verdichtergehäuse und ein darin angeordnetes, einen Ladedruck aufbauendes Verdichterlaufrad auf. Das Turbinenlaufrad und das Verdichterlaufrad sind auf den sich gegenüberliegenden Enden einer gemeinsamen Welle, der sogenannten Läuferwelle, drehfest angeordnet und bilden so den sogenannten Turboladerläufer. Die Läuferwelle erstreckt sich axial zwischen Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad durch das zwischen Abgasturbine und Frischluftverdichter angeordnete Läuferlager und ist in diesem, in Bezug auf die Läuferwellenachse, radial und axial drehgelagert. Gemäß diesem Aufbau treibt das vom Abgasmassenstrom angetriebene Turbinenlaufrad über die Läuferwelle das Verdichterlaufrad an, wodurch der Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors, bezogen auf den Frischluftmassenstrom hinter dem Frischluftverdichter, erhöht und dadurch eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff bewirkt wird.
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Turbinen und Verdichter sind Strömungsmaschinen und haben aufgrund der physikalischen Gesetzmäßigkeiten einen jeweils von Baugröße und Bauart abhängigen optimalen Betriebsbereich der durch den Massedurchsatz, das Druckverhältnis und die Drehzahl des jeweiligen Laufrades gekennzeichnet ist.
Im Gegensatz dazu ist der Betrieb einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug von dynamischen Änderungen der Last und des Betriebsbereiches gekennzeichnet.
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Um nun den Betriebsbereich des Abgasturboladers an sich ändernde Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine anpassen zu können und so ein gewünschtes Ansprechverhalten möglichst ohne spürbare Verzögerungen (Turboloch) zu gewährleisten, werden Abgasturbolader mit zusätzlichen Stellvorrichtungen, wie zum Beispiel einer sogenannten Variablen Turbinengeometrie (VTG) oder einer Wastegate-Einrichtung (WG) auf der Abgas- oder Turbinenseite und einer Schubumluft- oder Abblas-Einrichtung auf der Zuluft- oder Verdichterseite ausgestattet. Diese dienen dazu das träge Verhalten und somit das verzögerte Ansprechverhalten des Turboladers zu minimieren und schädliche Betriebszustände zu vermeiden.
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Je nach Drehzahl und Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors wird in Abhängigkeit von den Lastanforderungen das Wastegate-Ventil bzw. die Variable Turbinengeometrie so eingestellt, dass die Drehzahl von Turbinen- und Verdichterlaufrad sowie das Druckverhältnis, insbesondere an der Abgasturbine, innerhalb des gewünschten Arbeitsbereichs des Abgasturboladers 1 gehalten werden kann.
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Andererseits besteht in Betriebsphasen, in denen die Leistung der Brennkraftmaschine schnell heruntergefahren wird, ebenfalls durch die Trägheit des Turboladers bedingt, ein Überangebot an Verdichterleistung, was zum sogenannten Verdichterpumpen führen kann. Dieser Zustand bedeutet eine erhöhte mechanische Belastung für die Bauteile des Turboladers und des Verdichters insbesondere, und kann gar zur Schädigung der entsprechenden Bauteile führen. Dies gilt es im Betrieb zu vermeiden.
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Um nun solche Betriebszustände zu vermeiden, wird zum einen über eine Wastegate-Einrichtung Abgas an der Turbine des Abgasturboladers vorbei in den Abgasabführkanal geleitet und bereits verdichtetes Frischgas wird nach dem Verdichter abgeblasen oder über eine weitere Bypass-Ventil-Einrichtung entspannt und in den Ansaugbereich vor dem Verdichter zurückgeführt.
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Da die entsprechenden Einstellungen der oben genannten Stellvorrichtungen wiederum Betriebspunktabhängig gesteuert oder geregelt werden müssen, werden entsprechende Betätigungsaktuatoren zur betriebspunktabhängigen Einstellung der vorgenannten Stelleinrichtungen eingesetzt. Hierzu werden bevorzugt pneumatische oder elektromechanische Aktuatoren eingesetzt die lineare oder rotatorische, mechanische Stellgrößen vorgeben. Diese müssen nun wiederum auf die Stelleinrichtungen übertragen werden. Dazu werden in bekannter Weise Übertragungselemente, die unmittelbar oder mittelbar mit dem jeweiligen Betätigungsaktuator einerseits und mit der jeweiligen Stellvorrichtung andererseits gekoppelt sind, zur Übertragung einer Stellgröße des Betätigungsaktuators auf die Stellvorrichtung, eingesetzt. An diese Übertragungselemente werden hohe Anforderungen in Bezug auf Funktionssicherheit, einfache Montage und Ausgleich von Lagetoleranzen der zu verbindenden Komponenten gestellt.
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Da Abgasturbolader andererseits, zwischenzeitlich in hohen Stückzahlen Anwendung finden, sind diese verstärkt den Anforderungen der Großserienproduktion nach einem möglichst einfachen Aufbau aufwandsarmer Herstellung und Montage sowie insgesamt niedrigen Kosten unterworfen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader anzugeben, die sich durch hohe Betriebssicherheit bei gleichzeitig vereinfachtem Aufbau und reduzierten Kosten auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder, sofern es sich nicht um sich gegenseitig ausschließende Alternativen handelt, in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß wird ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine vorgestellt, der eine Stellvorrichtung, zur Anpassung seines Betriebsverhaltens an das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine, einen Betätigungsaktuator, zur Betätigung der Stellvorrichtung, und ein Übertragungselement, das unmittelbar oder mittelbar an einer ersten Koppelstelle mit dem Betätigungsaktuator einerseits und an einer zweiten Koppelstelle mit der Stellvorrichtung andererseits gekoppelt ist, zur Übertragung einer Stellgröße des Betätigungsaktuators auf die Stellvorrichtung, aufweist.
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Dieser Abgasturbolader ist dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement einen mehrteiligen Aufbau aufweist, bestehend aus zumindest zwei gleichgeformten, bandförmigen Schalenelementen, die sich jeweils von der ersten Koppelstelle bis zur zweiten Koppelstelle entlang einer Längsachse erstrecken und die sich gegenüberliegend entlang dieser Längsachse aneinandergefügt sind. Die beiden Schalenelemente bilden dabei in den der ersten Koppelstelle zugewandten Endbereichen zusammen ein erstes Koppelelement, zur Kopplung mit dem Betätigungsaktuator, und bilden in den der zweiten Koppelstelle zugewandten Endbereichen zusammen ein zweites Koppelelement, zur Kopplung mit der Stellvorrichtung (50).
Bei einer solchen Ausführung des Abgasturboladers sind durch den Einsatz des beschriebenen Übertragungselements und dessen einfachen Aufbaus, sowie der unkomplizierten Herstellung und Montage, Kostenvorteile zu erzielen.
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In unterschiedlicher Ausführung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers, sind die beiden Schalenelemente mit unterschiedlichen Verbindungstechniken zu einer Einheit verbunden. Hierzu können in einer Ausführung Halteklammern eingesetzt werden, die beispielsweise in dem sich stabförmig zwischen den Koppelelementen erstreckenden Bereich über beide Schalenelemente gesteckt und eingerastet werden.
Die beiden Schalenelemente können in alternativer Ausführung jedoch auch mittels einer Schraubverbindung verbunden sein. In anderer Ausführung wird die Verbindung zwischen den beiden Schalenelementen mittels einer Formschlussverbindung realisiert. Hierzu zählen beispielsweise an den Schalenelementen ausgeformte Rastelemente oder Verriegelungselemente.
In anderen Ausführungen können die Schalenelemente jedoch auch alternativ mittels einer Schweißverbindung oder mittels einer Lötverbindung oder mittels einer Nietverbindung mit einander verbunden sein.
Alle genannten Verbindungstechniken gewährleisten eine sichere Verbindung der beiden Schalenelemente zu einem Übertragungselement.
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In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers sind die beiden Schalenelemente jeweils, als einstückige Blech-Formteile ausgebildet, die in einem Stanz-Biege-Prozess oder in einem Tiefziehprozess, aus einem Metallblech oder einem Metallblechband hergestellt sind. Derartige Schalenelemente können kostengünstig in großen Serien hergestellt werden und tragen so zur Reduzierung der Kosten des Abgasturboladers bei.
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Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest ein Koppelelement ausgebildet ist als Element einer Kugelgelenkverbindung. Dabei bildet jedes der beiden Schalenelemente einen Teil einer Kugelaufnahme. Das komplementäre Element der Kugelgelenkverbindung, die Gelenkkugel, ist dabei am Stellhebel der Stellvorrichtung oder/und an der Abtriebskurbel des Betätigungsaktuators angeordnet. Beispielsweise umgreift jeweils ein Schalenelement die jeweilige Gelenkkugel in Richtung der Längsachse des Übertragungselements zur Hälfte, wodurch der Umfang der Gelenkkugel komplett umfasst ist. Selbstverständlich können auch beide Koppelelemente des jeweiligen Übertragungselements als Element einer Kugelgelenkverbindung ausgebildet sein.
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Eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest ein Koppelelement ausgebildet ist als Element einer Zapfengelenkverbindung. Dabei bildet jedes der beiden Schalenelemente einen Teil einer Zapfenaufnahme. Das komplementäre Element der Zapfengelenkverbindung, der Gelenkzapfen, ist dabei am Stellhebel der Stellvorrichtung oder/und an der Abtriebskurbel des Betätigungsaktuators angeordnet. Beispielsweise umgreift jeweils ein Schalenelement den jeweiligen Umfang des Gelenkzapfens in Richtung der Längsachse des Übertragungselements zur Hälfte, wodurch der Umfang des Gelenkzapfens komplett umfasst ist. Selbstverständlich können auch beide Koppelelemente des jeweiligen Übertragungselements als Element einer Zapfengelenkverbindung ausgebildet sein.
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Selbstverständlich kann ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader auch ein Übertragungselement aufweisen, bei dem das erste Koppelelement als Element einer Kugelgelenkverbindung ausgebildet ist und gleichzeitig das zweite Koppelelement als Element einer Zapfengelenkverbindung ausgebildet ist oder auch umgekehrt.
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Die Merkmale und Merkmalskombinationen der vorstehend in der Beschreibung genannten Ausführungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind, soweit diese nicht alternativ anwendbar sind oder sich gar gegenseitig ausschließen, einzeln, zum Teil oder insgesamt, auch in gegenseitiger Kombination oder gegenseitiger Ergänzung, in Fortbildung des erfindungsgemäßen Gegenstands anzuwenden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Entsprechende Ausführungen erfindungsgemäßer Abgasturbolader werden mit Hilfe der Figuren näher erläutert, dabei zeigt:
- 1, eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit einer Stellvorrichtung, einem Betätigungsaktuator und einem Übertragungselement;
- 2, eine dreidimensionale Darstellung eines Übertragungselements einer Ausführung des Abgasturboladers; und
- 3 eine jeweilige vergrößerte Darstellung einer Zapfengelenkverbindung sowie einer Kugelgelenkverbindung.
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Funktions- und Benennungsgleiche Teile sind in den Figuren durchgehend mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Anhand der 1 ist der prinzipielle Aufbau einer Ausführung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1, mit einer Abgasturbine 20, einem als Radialverdichter 30 ausgeführten Frischluftverdichter und einer dazwischen angeordneten Läuferlagereinheit 40 gezeigt.
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Das Turbinengehäuse 21 weist einen Krümmer-Anschlussstutzen 24 zum Anschluss an den Abgaskrümmer einer Brennkraftmaschine und einen Auspuff-Anschlussstutzen zum Anschluss an das Auspuffrohr auf. An der Abgasturbine weiterhin zu erkennen ist ein Stellhebel 51, mit einer zweiten Koppelstelle 52, einer im Gehäuseinneren angeordneten Stellvorrichtung 50, hier ein Wastegate-Ventil.
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Weiterhin zeigt 1 den als Radialverdichter 30 ausgeführten Frischluftverdichter. Das Verdichtergehäuse 31 weist einen Saugrohranschlussstutzen 34 zum Anschluss an das Saugrohr der Brennkraftmaschine und einen Ansaugstutzenanschluss 37 zum Anschluss an den Ansaugstutzen der Brennkraftmaschine auf, über den Frischluft von außen, z. B. über eine Filtereinheit, angesaugt wird.
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Am Verdichtergehäuse 31 angeordnet, ist ein Betätigungsaktuator 60, zur Betätigung der Stellvorrichtung 50, der in dieser Ausführung als elektromechanischer Stellantrieb mit einer Abtriebskurbel 61, mit einer ersten Koppelstelle, ausgeführt ist. Zur Übertragung der vom Betätigungsaktuator 60 vorgegebenen Stellgröße auf die Stellvorrichtung 50 ist ein Übertragungselement 70 vorgesehen, das hier über die erste Koppelstelle der Abtriebskurbel 61 mit dem Betätigungsaktuator 60 einerseits und über die zweite Koppelstelle des Stellhebels 51 mit der Stellvorrichtung 50 andererseits gekoppelt ist.
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Das Übertragungselement 70 weist einen mehrteiligen Aufbau auf, hier bestehend aus zwei gleichgeformten, bandförmigen Schalenelementen 73, 74, die sich jeweils von der ersten Koppelstelle 62 bis zur zweiten Koppelstelle 52 entlang einer Längsachse 75 erstrecken und die sich gegenüberliegend, entlang dieser Längsachse 75 aneinandergefügt sind. Dabei bilden die beiden Schalenelemente 73,74 in ihren der ersten Koppelstelle 62 zugewandten Endbereichen zusammen ein erstes Koppelelement 71, zur Kopplung mit dem Betätigungsaktuator 60, und bilden in ihren der zweiten Koppelstelle 52 zugewandten Endbereichen, zusammen ein zweites Koppelelement 72, zur Kopplung mit der Stellvorrichtung 50.
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In 1 angedeutet ist auch, dass das erste Koppelelement 71 als Element einer Kugelgelenkverbindung ausgebildet ist, wobei hier das Koppelelement 71 die Kugelaufnahme darstellt und die Gelenkkugel an der Abtriebskurbel 61 des Betätigungsaktuators 60 angeordnet ist. Das zweite Koppelelement 72 ist dagegen als Element einer Zapfengelenkverbindung ausgeführt, wobei das Koppelelement 72 die Zapfenaufnahme darstellt und die Gelenkkugel an dem Stellhebel 51 der Stellvorrichtung 50 angeordnet ist. Weiterhin zu erkennen ist hier auch eine Halteklammer 76 in der Mitte des Übertragungselements, mit der die beiden Schalenelemente 73, 74 verbunden sind.
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In 2 ist nun das in 1 bereits dargestellte Übertragungselement 70 isoliert und vergrößert dargestellt, wodurch die Einzelheiten besser erkennbar sind. Das Übertragungselement 70 ist aus zwei gleichgeformten, bandförmigen Schalenelementen 73, 74 zusammengesetzt, die sich jeweils entlang einer Längsachse 75 erstrecken und die sich gegenüberliegend, entlang dieser Längsachse 75 aneinandergefügt sind. Die beiden Schalenelemente 73, 74 weisen eine identische Geometrie auf und sind beispielsweise als einstückige Blech-Formteile ausgebildet. Solche Blechformteile lassen sich kostengünstig in großen Stückzahlen beispielsweise in einem Stanz-Biege-Verfahren oder einem Tiefziehverfahren aus einem Metallblech oder einem Metallblechband herstellen, wobei sich besonders vorteilhaft erweist, dass nur ein Werkzeug für beide Schalenelemente erforderlich ist.
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Die beiden Schalenelemente 73,74 bilden in ihren der ersten Koppelstelle 62 zugewandten Endbereichen, zusammen ein erstes Koppelelement 71, das als Element einer Kugelgelenkverbindung 79 ausgebildet ist, wobei jedes der beiden Schalenelemente 73, 74 einen Teil einer Kugelaufnahme 79b bildet, die den Umfang der Gelenkkugel 79a, in Richtung der Längsachse 75 jeweils hälftig umfasst. Die Gelenkkugel 79a ist dabei an der Antriebskurbel 61 des Betätigungsaktuators 60 angeordnet.
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In ihren der zweiten Koppelstelle 52 zugewandten Endbereichen bilden die beiden Schalenelemente 73, 74 zusammen ein zweites Koppelelement 72, das als Element einer Zapfengelenkverbindung 78 ausgebildet ist, wobei jedes der beiden Schalenelemente 73, 74 einen Teil einer Zapfenaufnahme 78b bildet, die den Umfang des Gelenkzapfens 78a, in Richtung der Längsachse 75 jeweils hälftig umfasst. Der Gelenkzapfen 78a ist dabei an dem Stellhebel 51 der Stellvorrichtung 50 angeordnet.
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In dieser Ausführung werden die beiden Schalenelemente 73, 74, in dem stabförmig ausgebildeten Bereich des Übertragungselements 70 zwischen den Koppelelementen 71, 72, mittels zweier Halteklammern 76 zu einer Einheit verbunden.
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In anderer, nicht dargestellter Ausführung des Abgasturboladers können selbstverständlich auch andere Kombinationen unterschiedlicher oder gleicher Koppelelemente vorgesehen sein.
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3 schließlich zeigt je eine Ausführung einer Kugelgelenkverbindung 79 (Darstellung auf der rechten Seite der 3) und einer Zapfengelenkverbindung 78 (Darstellung auf der linken Seite der 3).
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Die Zapfengelenkverbindung 78 besteht aus dem Gelenkzapfen 78a und der dazu komplementär ausgebildeten Zapfenaufnahme 78b, die gebildet wird von den beiden Schalenelementen 73, 74 des Übertragungselements 70, die zusammen den Umfang des Gelenkzapfens zumindest teilweise umfassen. Auf diese Weise bilden die Schalenelemente 73, 74 eine Zapfenaufnahme 78b in Form eines Hohlzylinders, in den der Gelenkzapfen 78a eingefügt ist.
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Die Kugelgelenkverbindung 79 besteht aus der Gelenkkugel 79a und der dazu komplementär ausgebildeten Kugelaufnahme 79b, die gebildet wird von den beiden Schalenelementen 73, 74 des Übertragungselements 70, die zusammen den Umfang der Gelenkkugel 79b zumindest teilweise umfassen. Auf diese Weise bilden die Schalenelemente 73, 74 zusammen eine Kugelaufnahme 79b in Form eines Hohlkugelabschnitts, in den die Gelenkkugel 79a eingefügt ist.
