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Die Erfindung betrifft ein Folienlager mit einem Rotor, der unter Ausbildung eines Fluidfilms zwischen dem Rotor und mindestens einer Lagerfolie in einer Lagerkartusche um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines vorab beschriebenen Folienlagers.
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Stand der Technik
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Aus dem amerikanischen Patent
US 5,427,455 und der verwandten deutschen Übersetzung
DE 695 22 683 T2 der europäischen Patentschrift
EP 0 756 672 B1 ist ein Radiallager mit hydrodynamischem Fluidfilm und nachgiebigen Folien bekannt, welches enthält: ein Gehäuse einer Einsatzbuchse, das eine Öffnung begrenzt, ein Federfolienglied, das im Innern der Öffnung des Gehäuses der Einsatzbuchse angeordnet ist, ein Fluidfolienglied, das im Innern des Federfolienglieds angeordnet ist, wobei das Federfolienglied und das Fluidfolienglied an die Form der Öffnung angepasst sind, ein Rotor, der im Innern des Fluidfolienglieds des Federfolienglieds und der Öffnung des Gehäuses der Einsatzbuchse so positioniert ist, dass er rotieren kann, wobei die Rotation des Rotors Kräfte in dem Fluidfilm erzeugt, welche die Position des Rotors im Innern der Öffnung tragen und kontrollieren, wobei die Öffnung, die durch das Gehäuse der Einsatzbuchse definiert wird, eine nicht kreisförmige, innere Kontur besitzt, um alternierend konvergierende und divergierende Fluidkeilkanäle zwischen dem Fluidfolienglied und dem Rotor zu bilden, wobei die Öffnung der Einsatzbuchse Konturen aufweist, um eine Vielzahl von konvergierenden Rampen und divergierenden Verzahnungen aufzuweisen, welche das Federfolienglied und das Fluidfolienglied dazu zwingen, gleiche alternierend konvergierende und divergierende Fluidkeilkanäle zwischen dem Fluidfolienglied und dem Rotor zu bilden, wobei die Öffnung des Gehäuses der Einsatzbuchse enge Folienbefestigungsschlitze besitzt, wo geformte Biegungen in dem Federfolienglied und dem Fluidfolienglied es den Foliengliedern erlauben, in die Folienbefestigungsschlitze hinein gepasst zu werden und gegen Rotation und Extraktion befestigt zu sein. Aus dem amerikanischen Patent
US 5,915,841 und der deutschen Übersetzung
DE 698 32 579 T2 der europäischen Patentschrift
EP 0 927 831 B1 ist ein nachgiebiges Folien-Fluidfilm-Radiallager bekannt, umfassend: eine Hülse, die eine innere Bohrung aufweist, die mehrere axial verlaufende Halter, die den gleichen Abstand aufweisen und in die innere Bohrung hervorstehen, und mehrere Ausbuchtungen zwischen benachbarten Haltern umfasst; mehrere nachgiebige Folien, die jeweils in der inneren Bohrung der Hülse zwischen jeweils benachbarten Haltern angeordnet sind, und mehrere Folienstützfedern, die jeweils unter einer jeweiligen nachgiebigen Folie zwischen den benachbarten Haltern angeordnet sind, wobei die Halter im Allgemeinen T-Förmig sind, die innere Bohrung zylindrisch ist und die einzelnen Folienstützfedern unter den einzelnen nachgiebigen Folien einen zusammenlaufenden Keil zwischen den benachbarten, im Allgemeinen T-förmigen Haltern bilden.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Folienlager mit einem Rotor, der unter Ausbildung eines Fluidfilms zwischen dem Rotor und mindestens einer Lagerfolie in einer Lagerkartusche um eine Drehachse drehbar gelagert ist, insbesondere im Hinblick auf seine Herstellbarkeit, zu verbessern.
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Die Aufgabe ist bei einem Folienlager mit einem Rotor, der unter Ausbildung eines Fluidfilms zwischen dem Rotor und mindestens einer Lagerfolie in einer Lagerkartusche um eine Drehachse drehbar gelagert ist, dadurch gelöst, dass mindestens eine zusätzliche Stützfolie in der Lagerkartusche angeordnet ist, die zur Darstellung mindestens einer Vertiefung und/oder mindestens einer Erhöhung in der Lagerkartusche dient. Das Folienlager ist als Radiallager ausgeführt und wird auch als aerodynamisches Gleitlager bezeichnet. Zur Schmierung des aerodynamischen Gleitlagers wird ein gasförmiges Fluid, insbesondere Luft, verwendet. Daher wir das Folienlager oder aerodynamische Gleitlager auch als Luftlager bezeichnet. Die Lagerkartusche wird auch als Lagerhülse bezeichnet und hat im Wesentlichen die Gestalt eines geraden, hohlen Kreiszylinders oder Ringkörpers. Daher kann die Lagerkartusche oder Lagerhülse auch als Lagerring bezeichnet werden. Der im Rahmen des vorliegenden Anmeldungstextes verwendete Begriff radial bezieht sich auf eine Drehachse des Rotors des Folienlagers. Radial bedeutet quer zur Drehachse des Rotors. Analog bedeutet axial in Richtung oder parallel zur Drehachse des Rotors. Das Folienlager umfasst mindestens zwei Lagerfolien, von denen eine als Oberfolie und eine als Unterfolie bezeichnet wird. Die Oberfolie wird auch als Deckfolie oder Top-Foil bezeichnet. Die Unterfolie ist zwischen der Oberfolie und der Lagerkartusche oder Lagerhülse angeordnet. Innerhalb der Oberfolie ist der mit dem Folienlager zu lagernde Rotor angeordnet, zum Beispiel eine Welle oder einen Wellenabschnitt. Die Unterfolie wird auch als Beam- oder Bump-Folie oder als Federfolie bezeichnet. Die Unterfolie ist vorteilhaft mit einer Federvorrichtung kombiniert. Die Federvorrichtung ist vorteilhaft in die Unterfolie integriert, zum Beispiel in Form einer Vielzahl von Federlaschen. Herkömmliche Folienlager sind zum Beispiel als sogenannte Dreikeil- oder Mehrkeillager ausgeführt. In diesen Mehrkeillagern weist die Lagerkartusche eine unrunde Geometrie auf, um mehrere sich in Umfangsrichtung verengende Spalte oder Keile darzustellen. Die Realisierung der unrunden Geometrie in der Lagerkartusche ist fertigungstechnisch aufwendig. Die zusätzliche Stützfolie wird zusätzlich zu der mindestens einen Lagerfolie, vorzugsweise zu der Oberfolie und der Unterfolie, in die Lagerkartusche eingelegt. Mit der zusätzlichen Stützfolie kann auf einfache Art und Weise eine unrunde Innengeometrie in der Lagerkartusche erzeugt werden, ohne dass die Lagerkartusche selbst aufwendig bearbeitet werden muss. Die Lagerkartusche selbst kann eine runde Innenkontur aufweisen. Zur Darstellung der runden Innenkontur der Lagerkartusche oder Lagerhülse können relativ einfache Fertigungsverfahren verwendet werden. Mit der zusätzlichen Stützfolie können auf einfache Art und Weise nahezu beliebige Geometrien, gegebenenfalls auch mit Hinterschnitten, in der vorzugsweise runden Innenkontur der Lagerkartusche oder Lagerhülse realisiert werden. Mit der zusätzlichen Stützfolie werden vorzugsweise mindestens drei Lagerabschnitte in der Lagerkartusche dargestellt, die sich, bezogen auf eine Drehrichtung des Rotors, in Umfangsrichtung vorteilhaft verengen, wobei besonders vorteilhaft zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarten Lagerabschnitten ein radial nach innen vorspringender Übergang ausgebildet ist. Die mindestens eine Vertiefung dient zur Darstellung eines Lagerabschnitts oder Lagerspalts. Die mindestens eine Erhöhung dient vorteilhaft zur Darstellung des radial nach innen vorspringenden Übergangs. Die radial nach innen vorspringenden Übergänge sind, im Querschnitt betrachtet, zum Beispiel als schräge oder gekrümmte Verbindungslinien ausgeführt, die eine engste Stelle eines der Lagerabschnitte mit einer weitesten Stelle eines nachfolgenden Lagerabschnitts verbinden. An der engsten Stelle des Lagerabschnitts ist der radiale Abstand von der Drehachse des Rotors zur Innenkontur am geringsten. An der weitesten Stelle des nachfolgenden Lagerabschnitts ist der radiale Abstand von der Drehachse des Rotors zur Innenkontur am größten.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Folienlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vertiefung und/oder die mindestens eine Erhöhung so gestaltet sind/ist, dass sich ein Lagerspalt mit einer Spalthöhe ergibt, die in Umfangsrichtung variiert. Mit der zusätzlichen Stützfolie können besonders vorteilhaft unterschiedliche Lagerspaltgeometrien dargestellt werden. Die gewünschte Lagerspaltgeometrie kann direkt mit der zusätzlichen Stützfolie dargestellt werden. Es ist aber auch möglich, eine Lagerspaltgeometrie indirekt mit der zusätzlichen Stützfolie darzustellen. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel auf einer der Lagerkartusche zugewandten Seite der zusätzlichen Stützfolie eine Stützstruktur ausgebildet sein, mit welcher sich die zusätzliche Stützfolie innen an der Lagerkartusche abstützt. Alternativ oder zusätzlich kann eine geeignete Spaltgeometrie zur Darstellung mindestens eines Lagerspalts auf einer der Lagerkartusche abgewandten Seite, die dem Rotor zugewandt ist, realisiert sein.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Folienlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Stützfolie mindestens ein Durchgangsloch umfasst. Das Durchgangsloch ist fertigungstechnisch einfach darstellbar und ermöglicht auf einfache Art und Weise die Darstellung einer Vertiefung in der zusätzlichen Stützfolie. Die Verwendung des Durchgangslochs zur Darstellung einer Vertiefung in der zusätzlichen Stützfolie wird vereinfacht, wenn die zusätzliche Stützfolie unterschiedlich dicke Bereiche oder Abschnitte aufweist.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Folienlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Stützfolie mindestens eine Vertiefung und/oder Erhöhung aufweist. Die Vertiefung und/oder Erhöhung kann auf einer der Lagerkartusche zugewandten Seite und/oder auf einer der Lagerkartusche abgewandten Seite der zusätzlichen Stützfolie vorgesehen sein. So sind, insbesondere in Kombination mit unterschiedlich dicken Abschnitten und/oder Löchern in der zusätzlichen Stützfolie vielfältige unrunde Geometrien in der runden Innenkontur der Lagerkartusche realisierbar.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Folienlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vertiefung und/oder Erhöhung in axialer Richtung mindestens eine Unterbrechung aufweist. Die Unterbrechung ist mit Hilfe der zusätzlichen Stützfolie fertigungstechnisch einfach realisierbar. So können auf einfache Art und Weise auch Spaltformen erzeugt werden, die in axialer Richtung nicht durchgehend, sondern zum Beispiel versetzt, angeordnet sind.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Folienlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerkartusche eine im Querschnitt runde Innenkontur oder Innengeometrie aufweist, in welche die mindestens eine zusätzliche Stützfolie eingelegt ist. Die Lagerkartusche kann besonders vorteilhaft sowohl eine runde Innengeometrie als auch eine runde Außengeometrie oder Außenkontur aufweisen. Die im Querschnitt runde Innengeometrie oder Innenkontur ist fertigungstechnisch einfach und kostengünstig realisierbar.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Folienlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass Endabschnitte der zusätzlichen Stützfolie in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind, um eine Verdrehsicherung für die zusätzliche Stützfolie in der Lagerkartusche und/oder für die mindestens eine Lagerfolie darzustellen. Die Verdrehsicherung kann so oder so ähnlich ausgeführt sein wie bei herkömmlichen Lagerfolien. So kann die Verdrehsicherung zum Beispiel eine T-Gestalt, eine Nut oder eine Punktschweißung umfassen.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen einer zusätzlichen Stützfolie für ein vorab beschriebenes Folienlager. Die zusätzliche Stützfolie ist zum Beispiel aus einem Blechmaterial, insbesondere einem Stahlblechmaterial oder einem Aluminiumblechmaterial, gebildet. Die zusätzliche Stützfolie kann zum Beispiel durch ein Umformverfahren, wie Stanzen oder Prägen, hergestellt werden. Die zusätzliche Stützfolie kann aber auch zum Beispiel durch Ätzen aus einem geeigneten Material hergestellt werden. Ein spanendes Verfahren, wie Fräsen/Schleifen etc., ist ebenfalls umfasst.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Herstellen eines vorab beschriebenen Folienlagers. Die zusätzliche Stützfolie kann auf einfache Art und Weise einfach in eine Lagerkartusche, insbesondere in eine herkömmliche Lagerkartusche, eingelegt werden. Bei Bedarf kann die zusätzliche Stützfolie vorher rund gebogen werden. Mit der vorab beschriebenen Verdrehsicherung können vorteilhaft zumindest eine Lagerfolie als auch die mindestens eine zusätzliche Stützfolie in der Lagerkartusche gegen ein unerwünschtes Mitdrehen gesichert werden.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine zusätzliche Stützfolie und/oder eine Lagerkartusche für ein vorab beschriebenes Folienlager. Die zusätzliche Stützfolie und die Lagerkartusche sind separat handelbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 ein Folienlager mit einem Rotor, mindestens einer Lagerfolie und mit mindestens einer zusätzlichen Stützfolie in einer Lagerkartusche, im Querschnitt;
- 2 eine perspektivische Darstellung der Lagerkartusche des Folienlagers aus 1 mit der zusätzlichen Stützfolie;
- 3 eine perspektivische Darstellung der Lagerkartusche aus 2 alleine;
- 4 eine zusätzliche Stützfolie mit Durchgangslöchern im Schnitt;
- 5 die Darstellung eines Schnitts entlang der Linie V-V in 4;
- 6 eine Variante der zusätzlichen Stützfolie aus den 4 und 5 im eingebauten Zustand im Querschnitt;
- 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer zusätzlichen Stützfolie in der Draufsicht;
- 8 die zusätzliche Stützfolie aus 7 im Längsschnitt; und
- 9 den gleichen Schnitt wie in 8 gemäß einer Variante der in den
- 7 und 8 dargestellten zusätzlichen Stützfolie.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein Folienlager 1 mit einem Rotor 2 im Querschnitt dargestellt. Der Rotor 2 ist mit Hilfe von zwei Lagerfolien 3, 4 um eine Drehachse 5 drehbar in einer Lagerkartusche 6 gelagert. Die Lagerkartusche 6, die auch als Lagerhülse bezeichnet wird, hat im Wesentlichen die Gestalt eines geraden, hohlen Kreiszylinders mit einer kreisrunden Innenkontur 7 und einer ebenfalls kreisrunden Außenkontur 8. Mit der kreisrunden Außenkontur 8 ist die Lagerkartusche 6 in ein Gehäuse 19 eingepresst, das die Lagerkartusche 6 umgibt.
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Durch einen Pfeil 9 ist in 1 eine Drehrichtung des Rotors 2 im Betrieb des Folienlagers 1 angeordnet. Die in 1 nur durch einen Kreis angedeuteten Lagerfolien 3, 4 werden auch als Oberfolie und Unterfolie bezeichnet. Die Oberfolie, die auch als Top-Folie bezeichnet wird, begrenzt in der Lagerkartusche 6 des Folienlagers 1 einen Innenraum, der zur drehbaren Lagerung des zum Beispiel als Welle oder Wellenabschnitt ausgeführten Rotors 2 dient. Der Rotor 2 gehört zum Beispiel zu einer Strömungsmaschine.
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Die Strömungsmaschine ist zum Beispiel Teil einer Luftversorgungseinheit in einem Brennstoffzellensystem. In dem Brennstoffzellensystem ist die Strömungsmaschine zum Beispiel als Verdichter ausgeführt. Der Verdichter umfasst ein Verdichterrad, das vorteilhaft Bestandteil des Rotors 2 ist.
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Der Rotor 2 hat eine runde Rotoraußenkontur. Zur Darstellung einer unrunden Innenkontur innerhalb der runden Innenkontur 7 der Lagerkartusche 6 ist eine zusätzliche Stützfolie 10 in die Lagerkartusche 6 eingelegt. Die zusätzliche Stützfolie 10 ist radial zwischen den Lagerfolien 3, 4, insbesondere zwischen der auch als Federfolie bezeichneten Unterfolie, und der runden Innenkontur 7 der Lagerkartusche 6 angeordnet.
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Die zusätzliche Stützfolie 10 liegt mit ihrer der Lagerkartusche 6 zugewandten Fläche an der runden Innenkontur 7 der Lagerkartusche 6 an. Radial innen dient die zusätzliche Stützfolie 10 zur Darstellung einer unrunden Innenkontur mit Vertiefungen 11, 12, 13 und Erhöhungen 14, 15, 16. Die Vertiefungen 11 bis 13 stellen Lagerspalte dar, die sich in Umfangsrichtung, insbesondere in Drehrichtung 9 des Rotors 2, verengen. Die Erhöhungen 14 bis 16 stellen Übergänge zwischen jeweils zwei der Vertiefungen 11 bis 13 dar.
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Im montierten Zustand des Folienlagers 1 hat die Oberfolie oder Top-Folie direkten Kontakt zum Rotor 2. Im Betrieb des Folienlagers 1 wird die Oberfolie durch einen Gasfilm von dem Rotor 2 getrennt. Zwischen der Unterfolie oder Federfolie und der innen runden Lagerkartusche 6 ist die zusätzliche Stützfolie 10 mit ihrer unrunden Innengeometrie angeordnet. Durch die unrunde Innengeometrie der zusätzlichen Stützfolie 10 ergeben sich die Übergänge 14 bis 16 von einem sich verengenden Lagerspalt 11 bis 13 zum nächsten.
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Mit der zusätzlichen Stützfolie 10 kann vorteilhaft die gleiche oder eine ähnliche unrunde Innenkontur in der Lagerkartusche 6 wie bei herkömmlichen Lagerkartuschen erzeugt werden, ohne dass die Lagerkartusche 6 aufwendig bearbeitet werden muss. Die Lagerkartusche 6 kann mit der runden Innenkontur 7 fertigungstechnisch kostengünstig hergestellt werden. Die zusätzliche Stützfolie 10 wird dann einfach in die Lagerkartusche 6 eingelegt und mit Hilfe einer geeigneten Verdrehsicherung 17 in der Lagerkartusche 6 gegen Verdrehen gesichert.
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Zur Darstellung der Verdrehsicherung 17 sind Endabschnitte 18, 19 der zusätzlichen Stützfolie 10 geringfügig voneinander beabstandet. Daraus ergibt sich ein axialer Spalt, in den zumindest ein in 2 nicht dargestellter Vorsprung der Lagerkartusche 6 eingreift. Der axiale Spalt dient besonders vorteilhaft auch zur Darstellung einer Verdrehsicherung für die Lagerfolien 3, 4.
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In den 2 und 3 ist die Montage des Folienlagers 1 veranschaulicht. In 3 sieht man, dass die Lagerkartusche 6 die Gestalt eines hohlen, geraden Kreiszylinders hat, in den, wie man 2 sieht, die zusätzliche Stützfolie 10 eingelegt wird. Die Verdrehsicherung 17 kann so oder so ähnlich wie herkömmliche Verdrehsicherungen für Lagerfolien ausgeführt sein. Die Verdrehsicherung 17 dient vorteilhaft dazu, alle Folien, also die Lagerfolien 3, 4 und die zusätzliche Stützfolie 10 in Umfangsrichtung festzuhalten, damit sie sich nicht mitdrehen können.
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In den 4 bis 9 ist gezeigt, dass die zusätzliche Stützfolie 10 auf unterschiedliche Arten hergestellt und ausgeführt werden kann. In den 4 bis 6 ist eine zusätzliche Stützfolie 20; 20' dargestellt, die durch Ätzen hergestellt werden kann. In den 7 bis 9 sind zusätzliche Stützfolien 30; 40 dargestellt, die durch Umformverfahren, wie Stanzen oder Prägen, hergestellt werden. Die zusätzlichen Stützfolien können auch durch Fräsen, Schleifen oder Erodieren hergestellt werden.
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Die in den 4 und 5 dargestellte zusätzliche Stützfolie 20 umfasst Vertiefungen 21 bis 23 und Erhöhungen 24 bis 26. Die Vertiefungen 21 bis 23 sind als Durchgangslöcher 51 bis 53, zum Beispiel durch Stanzen, in einem Blechmaterial ausgeführt.
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In 6 ist eine Variante 20' der Stützfolie 20 aus den 4, 5 im montierten Zustand in einer nur durch einen Kreis angedeuteten runden Innenkontur 7 einer in 6 nicht weiter dargestellten Lagerkartusche 6 angeordnet. Die zusätzliche Stützfolie 20' stützt sich mit ihren Erhöhungen 26, 27 an der runden Innenkontur 7 der Lagerkartusche 6 ab. Die sich verengenden Spalte bilden sich immer von der Vertiefung zur nächsten Erhöhung aus, also zum Beispiel von 23 nach 27.
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Die in den 7 und 8 dargestellte Stützfolie 30 umfasst drei Erhöhungen 31, 32, 33, die jeweils am Ende von Vertiefungen 34, 35, 36 angeordnet sind. Die zusätzliche Stützfolie 30 wird vor dem Einlegen in die Lagerkartusche gegebenenfalls rund gebogen.
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Die in 9 dargestellte zusätzliche Stützfolie 40 ist mit einer ebenen Unterseite 48 ausgestattet. Mit der ebenen Unterseite 48 wird die zusätzliche Stützfolie 40 in die Lagerkartusche eingelegt. Auf ihrer Oberseite 49 weist die zusätzliche Stützfolie 40 Erhöhungen 41 bis 43 und Vertiefungen 44 bis 46 auf, die zur Darstellung einer unrunden Innenkontur in der Lagerkartusche dienen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5427455 [0002]
- DE 69522683 T2 [0002]
- EP 0756672 B1 [0002]
- US 5915841 [0002]
- DE 69832579 T2 [0002]
- EP 0927831 B1 [0002]
