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Die Erfindung betrifft eine Wälzlagereinheit zur Lagerung von einer Klappenwelle in einer Gasregelklappenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft des Weiteren die Gasregelklappenanordnung mit der Wälzlagereinheit.
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Drosselklappen und Abgasregelklappen finden bei Verbrennungsmotoren Anwendung, um die Frischluft und Abgasrückführung am Motor zu steuern. Die Gasregelklappeneinrichtungen bestehen dabei meist aus einem Gehäuse, einem Strömungskanal, einer Gasregelklappe, welche auf einer Welle sitzt, zwei Lagern, welche sich links und rechts der Regelklappe auf der Welle befinden, sowie einem Getriebe mit Motor und Steuereinheit.
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Die Gasregelklappen werden meist durch Wälzlager (meist Rollenwälzlager, insbesondere Nadellager) gelagert. Das Lager besteht dafür aus einem Außenring, einem Wälzkörperkäfig, Wälzkörpern und ein oder mehreren Dichtungen, wobei die Wälzkörper in dem Käfig verbaut sind. Die Wälzkörper stützen sich dabei in radialer Richtung außenseitig gegen die Innenseite des Gehäuses ab. Innenseitig stützen sie die Welle auf der die Gasregelklappe montiert ist ab. Das Lager selbst wird in einer Gehäusebohrung senkrecht zur Strömungskanalrichtung im Drosselklappengehäuse montiert.
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Die zur Anwendung kommenden Lager haben hierbei aber nicht nur die reine Funktion der Lagerung der Welle bzw. Achse, sondern haben gleichzeitig eine Dichtungsfunktion gegenüber der im Strömungskanal vorbeiströmenden Fluide, so dass die Lager mit ein oder mehr Dichtungen ausgestattet sind, um einen Ausfall der Lager zu verhindern, aber auch die einseitig hinter dem Lager befindliche Getriebe- und Steuereinheit vor Verschmutzung zu schützen.
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Die Lagerdichtungen werden dabei durch die im Fluid vorhandenen sauren Medien, abrasiven Partikel und den herrschenden Druck belastet. Diese Belastungen haben im Lauf der Entwicklung von Gasregelklappen weiter zu genommen. Eine weitere Steigerung der Belastung ist absehbar.
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Die
DE 10 2006 053 716 A1 zeigt eine Wälzlagereinheit, insbesondere eine Nadellagereinheit, umfassend einen Außenring, einen Wälzkörperkäfig, Wälzkörper und mehrere Dichtungsringe, wobei die Wälzkörper in dem Wälzkörperkäfig aufgenommen sind und sich in radialer Richtung außenseitig gegen die Innenfläche des Außenrings abstützen und innenseitig zur Lagerung einer in axialer Richtung auszurichtenden Welle angeordnet sind, und wobei die Dichtungsringe in dem Außenring aufgenommen und zur Abdichtung gegen in axialer Richtung strömende Fluide ausgebildet sind, wobei die Dichtungsringe angeordnet und/oder ausgebildet sind, so dass die durch die Dichtungsringe erzeugte Gesamtdichtwirkung der Wälzlagereinheit gegenüber in axialer Richtung strömender Fluide richtungsabhängig ist.
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Die
DE 10 2008 029 363 A1 zeigt eine Wellenabdichtung für Klappenwellen für Ventilklappen von Ventilklappenstutzen, die aus einem zwischen der jeweiligen Klappenwelle und dem Ventilklappengehäuse angeordneten Wälzlager und einem zwischen dem Wälzlager und dem inneren Kanal des Ventilklappenstutzens zwischen der jeweiligen Klappenwelle und dem Ventilklappengehäuse angeordneten Dichtelement besteht.
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Die
DE 10 2009 048 290 A1 zeigt ein als Radial-Nadellager ausgebildetes Wälzlager, welches aus einer dünnwandigen äußeren Nadelhülse mit axial beidseitig nach innen gerichteten Radialborden, einer Vielzahl auf der inneren Mantelfläche der Nadelhülse und auf der äußeren Mantelfläche der zu lagernden Welle abrollender Lagernadeln sowie einem die Lagernadeln in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen führenden Nadelkäfig besteht.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wälzlagereinheit zur Lagerung von einer Klappenwelle in einer Gasregelklappenanordnung vorzuschlagen, welche besonders funktionssicher ist. Diese Aufgabe wird durch eine Wälzlagereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Gasregelklappenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Die erfindungsgemäße Wälzlagereinheit ist insbesondere als Nadellagereinheit und/oder als Radialwälzlager- beziehungsweise Radialnadellagereinheit ausgebildet. Die Wälzlagereinheit ist zur Lagerung von einer Klappenwelle in einer Gasregelklappenanordnung geeignet und/oder ausgebildet. Die Gasregelklappenanordnung wird im Zusammenhang mit dem Anspruch 7 weiter erläutert.
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Die Wälzlagereinheit weist eine Außenringanordnung auf, wobei die Außenringanordnung einen Außenring aufweist. Der Außenring ist bevorzugt als dünnwandiger und/oder spanlos geformter Außenring ausgebildet, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass die Außenfläche oder Außenkontur für ein Einschieben oder Einpressen der Wälzlagereinheit in einen Lagersitz und/oder die Innenfläche für ein Abrollen von Wälzkörpern ausgebildet ist bzw. sind. Bevorzugt weist der Außenring an den Stirnflächen der Wälzlagereinheit jeweils radial verlaufende Borde mit einer Durchgangsbohrung auf, die im lichten Durchmesser größer als der freie Wälzlagereinheiteninnendurchmesser - auch Hüllkreis genannt - ausgebildet ist. Optional ist der Außenring einstückig und/oder gehärtet, vorzugsweise einsatzgehärtet oder durchgehärtet, optional mit gehärteten Borden realisiert.
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Die Wälzlagereinheit weist eine Mehrzahl von Wälzkörpern auf, wobei die Wälzkörper sich in radialer Richtung außenseitig gegen die Innenfläche des Außenrings abstützen. Somit bildet der Außenring eine Lauffläche für die Mehrzahl der Wälzkörper. Die Wälzkörper sind insbesondere als Rollen, im Speziellen als Nadeln ausgebildet. Optional sind die Wälzkörper in einem Wälzkörperkäfig angeordnet. Der Wälzkörperkäfig ist bevorzugt als Nadelkranz ausgebildet, der die Wälzkörper, insbesondere die Nadeln, unverlierbar hält. Innenseitig sind die Wälzkörper zur Lagerung der Klappenwelle angeordnet. Die Klappenwelle erstreckt sich in axialer Richtung zu einer Hauptachse.
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Eine Seite der Wälzlagereinheit ist der Klappe auf der Klappenwelle zugewandt und wird als Klappenseite bezeichnet, die andere Seite der Wälzlagereinheit ist dagegen einer Umgebung zugewandt und wird als Umgebungsseite bezeichnet.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Wälzlagereinheit mindestens ein Wellenaufsatzelement zum Aufsetzen auf der Klappenwelle aufweist. Insbesondere wird das Wellenaufsatzelement auf die Klappenwelle aufgeschoben oder aufgesetzt. Besonders bevorzugt ist das Wellenaufsatzelement umlaufend um die Klappenwelle geschlossen ausgebildet. Das Wellenaufsatzelement bildet mit der Außenringanordnung eine Schutzdichtung, insbesondere Vordichtung, oder ist zumindest ein Teil dieser Schutzdichtung. Es ist vorgesehen, dass die Schutzdichtung auf der Seite der Wälzkörper angeordnet ist, welche als Klappenseite bezeichnet wird und/oder der Klappe auf der Klappenwelle zugewandt ist. Optional bildet die Klappenwelle einen Teil der Wälzlagereinheit.
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Es ist dabei eine Überlegung der Erfindung, dass der Trend zur (Abgasturbo-)Aufladung von Verbrennungsmotoren, um die Effizienz der Motoren weiter zu steigern, in den letzten Jahren stark zu genommen hat. Dadurch werden auch die im Strömungskanal der Gasregelklappenanordnung auftretenden Drücke immer höher (bis zu 5 bar). Hinzu kommt, dass die Abgasrückführung ebenfalls vermehrt zur Anwendung kommt, um die strengen Abgasvorschriften einhalten zu können. Beides sorgt dafür, dass die zur Anwendung kommenden Abgasregelklappenlager und Drosselklappenlager stärker belastet werden (höhere Drücke, saure Medien, abrasive Partikel...). Dabei sind insbesondere die im Strömungskanal vorhandenen abrasiven Medien, wie beispielsweise Aluminiumoxid und Kondensat-Rückstände, für einen erhöhten Verschleiß an den Dichtungen der Lager verantwortlich. Durch das Wellenaufsatzelement kann dieser Strömung vorteilhaft entgegengewirkt werden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Wellenaufsatzelement eine Mehrzahl von Lippendichtabschnitten aufweist. Insbesondere sind die Lippendichtabschnitte als Radiallippendichtabschnitte ausgebildet. Es kann vorgesehen sein, dass das Wellenaufsatzelement genau zwei, genau drei oder mehr Lippendichtabschnitte aufweist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen zwei der Lippendichtabschnitte ein Aufnahmebereich zur Aufnahme von Verschmutzungen ausgebildet ist. Der Aufnahmebereich dient insbesondere zur Aufnahme von Partikeln, welche durch die Gasregelklappenanordnung transportiert werden. Es kann vorgesehen sein, dass der Aufnahmebereich durch die in axialer Richtung voneinander beabstandeten Lippendichtabschnitte gebildet ist. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass der Aufnahmebereich zum Beispiel als ein Radialspalt zwischen den Lippendichtabschnitten ausgebildet ist.
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Erfindungsgemäß weist jeder der Lippendichtabschnitte einen Außendurchmesser auf, wobei mindestens ein Lippendichtabschnitt einen kleineren Außendurchmesser aufweist als einer der Lippendichtabschnitte welcher in Bezug auf die Klappenseite vor dem genannten Lippendichtabschnitt angeordnet ist. Für den Fall, dass das Wellenaufsatzelement zwei Lippendichtabschnitte aufweist, ist der Außendurchmesser des äußeren Lippendichtabschnitts größer als der Außendurchmesser des inneren Lippendichtabschnitts ausgebildet. Für den Fall, dass das Wellenaufsatzelement drei Lippendichtabschnitte aufweist, weist der äußerste Lippendichtabschnitt den größten Außendurchmesser, der mittlere Lippendichtabschnitt einen mittleren Außendurchmesser und der innerste Lippendichtabschnitt den kleinsten Außendurchmesser auf. Der Vorteil bei dieser Ausgestaltung ist, dass der Widerstand zum Durchdringen oder Überwinden der durch das Aufsatzelement mit den Lippendichtabschnitten gebildete Schutzdichtung von außen nach innen zu den Wälzkörpern hin stetig kleiner wird. Auf diese Weise werden besonders schwere Partikel bereits vor dem ersten Lippendichtabschnitt im Sinne einer Vordichtung davon abgehalten, in den Wälzlagerraum einzudringen.
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Die Außenringanordnung weist optional einen ersten Dichtungsring auf, gegebenenfalls kann diese weitere Dichtungsringe aufweisen. Der erste Dichtungsring ist bevorzugt in der Außenringanordnung, insbesondere im Außenring, drehfest angeordnet. Der erste Dichtungsring dient zur Abdichtung der Klappenwelle. Der erste Dichtungsring ist besonders bevorzugt als eine Radialdichtung zur Abdichtung gegen in axialer Richtung strömender Fluide ausgebildet sind. Vorzugsweise ist der Dichtungsring als flüssigkeitsdichtender und/oder gasdichtender und/oder berührender Dichtungsring, insbesondere als Lippendichtung ausgeführt. Die Klappenwelle schwenkt relativ zu dem ersten Dichtungsring.
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Die erfinderische Weiterbildung sieht vor, dass vor dem in der Wälzlagereinheit befindlichen, mindestens einen Dichtungsring und den Wälzkörpern die Schutzdichtung als eine Art Vordichtung eingesetzt wird, um insbesondere vor den abrasiven Partikeln, welche in dem Strömungskanal vorhanden sind, zu schützen. Insbesondere kann der vor der Wälzlagereinheit anstehende Druck auf den dahinterliegenden ersten Dichtungsring durch die Schutzdichtung verringert werden. Dabei wird das Wellenaufsatzelement verwendet, welches auf der Klappenwelle angeordnet wird, um auf diese Weise die Wirkung der Schutzdichtung zu verbessern. Insbesondere ergibt sich hierdurch mindestens eine Dichtungsstelle, welche zwischen dem ersten Dichtungsring und der Klappenwelle gebildet wird, und eine weitere Dichtungsstelle, welche zwischen dem Wellenaufsatzelement oder -elementen und der Außenringanordnung gebildet wird, wobei die Dichtungsstellen in radialer Richtung zueinander versetzt angeordnet sind.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das Wellenaufsatzelement für eine Strömungsrichtung, welche von der Klappenseite zu den Wälzkörpern führt, strömungstechnisch vor dem ersten Dichtungsring angeordnet ist. Es ist zudem bevorzugt, dass das Wellenaufsatzelement in Bezug auf die axiale Position vollständig innerhalb der Außenringanordnung, insbesondere vollständig innerhalb von dem Außenring angeordnet ist, oder alternativ zumindest mit der Außenringanordnung, insbesondere mit dem Außenring, überlappt. Durch diesen kompakten Aufbau kann die Wälzlagereinheit mit dem Wellenaufsatzelement von einem Hersteller bereitgestellt werden, welcher damit die Herstellerverantwortung für alle Dichtstellen in der Wälzlagereinheit, insbesondere zwischen dem Wellenaufsatzelement und der Außenringanordnung, übernimmt. Somit bildet das Aufsatzelement insbesondere einen Teil der Wälzlagereinheit und stellt keine zusätzliche Komponente dar. Der Kunde hat durch die zusätzliche lagerintegrierte Schutzdichtung also keinen erhöhten Montageaufwand.
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Bei einer bevorzugten Konkretisierung der Erfindung bildet das Wellenaufsatzelement gegebenenfalls mit der Außenringanordnung und dem ersten Dichtungsring eine Labyrinthdichtung. Die Labyrinthdichtung bildet die Schutzdichtung oder bildet einen Teil der Schutzdichtung. Insbesondere bildet das Wellenaufsatzelement einen ersten Dichtungspartner und der erste Dichtungsring einen zweiten Dichtungspartner der Schutzdichtung. Insbesondere ist ein strömungstechnischer Weg von dem Eingang der Wälzlagereinheit auf der Klappenseite zu der Dichtungsstelle des ersten Dichtungsrings durch das Wellenaufsatzelement verlängert. Insbesondere wird die Labyrinthdichtung dadurch gebildet, dass das Wellenaufsatzelement einen Dichtungsspalt mit einem größeren radialen Durchmesser und der erste Dichtungsring einen Dichtungsspalt mit einem kleineren radialen Durchmesser bildet.
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Es ist außerdem möglich, dass die Dichtwirkung der Schutzdichtung durch eine zusätzliche Befettung der Labyrinthdichtung vergrößert wird. Dadurch können insbesondere Partikel besser gebunden werden und ein erhöhter Verschleiß an der eigentlichen Dichtung des Lagers, also des ersten Dichtungsrings und bei den Wälzkörpern wird verringert.
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Durch die Labyrinthdichtung wird darauf abgezielt, den Weg der Partikel zur eigentlichen Dichtung, also dem ersten Dichtungsring bzw. zum Inneren der Wälzlagereinheit und den Weg durch die Wälzlagereinheit möglichst schwierig zu machen und die Partikel nach Möglichkeit vorher zu binden oder aufzufangen. Hierfür kann ein Zwischenraum in der Außenringanordnung als Fangbehälter vorgesehen sein, um die Partikel zu fangen und dauerhaft zu lagern.
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Bei einer ersten möglichen Ausgestaltung der Erfindung weist die Außenringanordnung ein Gegenelement auf, wobei das Gegenelement vorzugsweise in der Außenringanordnung, insbesondere in dem Außenring, im Speziellen drehfest angeordnet ist. Es ist vorgesehen, dass das Wellenaufsatzelement einen oder den ersten Dichtungspartner und das Gegenelement einen weiteren Dichtungspartner der Schutzdichtung bildet. Insbesondere kann die Schutzdichtung zweifach oder mehrfach ausgebildet sein. Dabei bilden das Wellenaufsatzelement und das Gegenelement einen ersten Teil der Schutzdichtung, insbesondere ausgebildet als eine berührende oder nicht berührenden Radialdichtung und/oder Axialdichtung. Das Wellenaufsatzelement gegebenenfalls mit dem Gegenelement und dem ersten Dichtungsring bilden eine oder die Labyrinthdichtung als weiteren Teil der Schutzdichtung.
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Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung bildet das Wellenaufsatzelement einen oder den ersten Dichtungspartner und der Außenring bildet einen weiteren Dichtungspartner der Schutzdichtung. Insbesondere kann die Schutzdichtung zweifach oder mehrfach ausgebildet sein. Dabei bilden das Wellenaufsatzelement und der Außenring einen ersten Teil der Schutzdichtung, insbesondere ausgebildet als eine berührende oder nicht berührende Radialdichtung und/oder Axialdichtung. Das Wellenaufsatzelement gegebenenfalls mit dem Außenring und dem ersten Dichtungsring bilden eine oder die Labyrinthdichtung als weiteren Teil der Schutzdichtung.
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Es ist besonders bevorzugt, dass das Wellenaufsatzelement als eine berührende oder zumindest teilweise berührende Radialdichtung ausgebildet ist. Insbesondere ist das Wellenaufsatzelement als eine Spaltdichtung oder als eine schleifende Dichtung ausgebildet ist. Hinsichtlich der Materialien kann es sich sowohl um ein Element aus Blech, einer harten Kunststoffkomponente oder auch um ein typisches Elastomer für Dichtringe handeln.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist das Wellenaufsatzelement einen in axialer Richtung verlaufenden Ringspalt auf. Der Ringspalt ist damit koaxial und/oder konzentrisch zu der Hauptachse angeordnet. Der Ringspalt ist vorzugsweise zur Klappenseite geöffnet und verläuft in der axialen Höhe zumindest zu einem ersten der Lippendichtabschnitte. Dadurch wird erreicht, dass zwar die mechanische Überdeckung des ersten Lippendichtabschnitts gegebenenfalls besonders groß ist, jedoch durch den Ringspalt gerade der erste Lippendichtabschnitt in radialer Richtung besonders nachgiebig ist, so dass keine mechanischen Verspannungen in der Wälzlagereinheit entstehen. Über die Größe der Aussparung, insbesondere des Ringspalts kann die Anpresskraft der Lippendichtabschnitte gezielt eingestellt werden. Insbesondere kann der Ringspalt zur Selbstverstärkung der Dichtung führen, indem anstehender Druck den Ringspalt aufweitet und den Anpressdruck erhöht.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung wird durch eine Gasregelklappenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gebildet. Die Gasregelklappenanordnung weist eine Klappe sowie die Klappenwelle auf, wobei die Klappe in einem Strömungskanal auf der Klappenwelle angeordnet ist, so dass durch eine Schwenkung der Klappenwelle über die Klappe der Strömungskanal geschlossen oder geöffnet wird. Insbesondere ist die Gasregelklappenanordnung als eine Drosselklappenanordnung oder als eine Abgasregelklappenanordnung für Verbrennungsmotoren eines Fahrzeugs ausgebildet, um die Frischluft und Abgasrückführung am Motor zu steuern. Es ist vorgesehen, dass die Klappenwelle durch die Wälzlagereinheit gelagert ist, wie diese zuvor beschrieben wurde. Besonders bevorzugt weist die Gasregelklappenanordnung einen Steuerungsbauraum auf, wobei in dem Steuerungsbauraum ein Motor und/oder ein Getriebe zur Schwenkung der Klappenwelle angeordnet ist, wobei die Klappenwelle in den Steuerungsbauraum läuft und wobei die Wälzlagereinheit zwischen der Klappe und dem Steuerungsbauraum angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung schützt die Wälzlagereinheit durch die Schutzdichtung die Wälzköper und die den Motor bzw. das Getriebe vor Verschmutzungen.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie den beigefügten Figuren. Diese zeigen:
- 1 eine Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Gasregelklappenanordnung;
- 2 eine Querschnittsdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wälzlagereinheit zum Einsatz in der Gasregelklappenanordnung in 1;
- 3 eine Querschnittsdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wälzlagereinheit zum Einsatz in der Gasregelklappenanordnung in 1;
- 4 eine Detailvergrößerung des Wellenaufsatzelements in der 2;
- 5 eine dreidimensionale Darstellung des Wellenaufsatzelements in den 3 und 4;
- 6 eine Querschnittsdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wälzlagereinheit zum Einsatz in der Gasregelklappenanordnung in 1 ;
- 7 eine Querschnittsdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wälzlagereinheit zum Einsatz in der Gasregelklappenanordnung in 1 ;
- 8 eine Querschnittsdarstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wälzlagereinheit zum Einsatz in der Gasregelklappenanordnung in 1 ;
- 9 eine Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer nichterfindungsgemäßen Wälzlagereinheit zum Einsatz in der Gasregelklappenanordnung in 1.
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Gleiche oder entsprechende Bezugsziffern bezeichnen jeweils gleiche oder entsprechende Teile oder Größen.
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1 zeigt in einer abgestuften Querschnittsdarstellung eine Gasklappenregelanordnung 1 ausgebildet als eine Abgasregelklappenanordnung, wie sie beispielsweise in Turboladern oder ähnlichem bei aufgeladenen Diesel- und/oder Benzinmotoren Verwendung findet. Mithilfe einer Klappe 2, ausgebildet als eine Drosselklappe, in Form einer kreisrunden oder elliptischen Blechblende wird ein Durchlass durch einen Gaskanal 3 gesteuert. In dem Gaskanal 3, welcher in der 1 senkrecht zur Blattebene ausgerichtet ist, werden die zu drosselnden Abgase geführt, wobei je nach Schwenkstellung der Klappe 2 die Strömung der Abgase mehr oder weniger gedrosselt wird.
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Die Klappe 2 ist mit einer Klappenwelle 4 fest verbunden, wobei die Klappe 2 um eine Mittelachse schwenkbar gelagert ist. Aufgrund dieser Lagerung kann die Klappe 2 um ihre Mittelachse üblicherweise um bis zu 90° geschwenkt werden, um den Durchlass des Abgaskanals weitgehend freizugeben beziehungsweise auf 0° geschwenkt werden, um den Durchlass zu versperren und den Abgasstrom maximal zu drosseln. Die Klappenwelle 4 ist beidseitig mittels Wälzlagereinheiten 5 a, b dreh- bzw. schwenkbar gelagert. Die genaue Ausbildung der Wälzlagereinheit 5a wird anhand der nachfolgenden Figuren erläutert.
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Zur Ansteuerung der Klappe 2 erstreckt sich die Klappenwelle 4 in axialer Richtung in einen Steuerungsbauraum 6, in dem ein Motor 7 zur motorischen Bewegung der Klappe 2 sowie ein Getriebe 8 zur Übertragung der Drehbewegung des Motors 7 auf die Klappenwelle 4 eingebaut sind.
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Abgaskanal 3 und Steuerungsbauraum 6 sind mittels der zwischen diesen Bereich geschalteten Wälzlagereinheit 5a drucktechnisch voneinander isoliert. Der Abgaskanal 3 kann im Betrieb als Hochdruckbereich bezeichnet werden, in dem Absolutdrücke von größer als 2, 3, 4 oder 5 bar auftreten können. Der Steuerungsbauraum 6 dagegen ist ein Neutraldruckbereich, in dem üblicherweise Umgebungsdruck herrscht. Die Druckdifferenz zwischen dem Abgaskanal 3 und Steuerungsbauraum 6 kann im Betrieb somit mehr als 2 bar, insbesondere mehr als 3 bar oder auch mehr als 4 bar oder 5 bar betragen. Aufgrund dieser Druckdifferenz besteht die Gefahr, dass Abgase oder auch Partikel aus dem Abgaskanal 3 über die Wälzlagereinheit 5b in den Steuerungsbauraum 6 eindringen. Diese Blow-By-Gase sind kritisch für den sicheren Betrieb des Getriebes 8 beziehungsweise des Motors 7 sowie für weitere eventuell im Steuerungsbauraum 6 angeordnete Elektro- und/oder Elektronikkomponenten. Zur Vermeidung eines in axialer Richtung, parallel zu der Klappenwelle 4 strömenden Fluids ist in der Gasklappenregelanordnung in 1 als eine erste optionale Maßnahme ein O-Ring 9 vorgesehen, der vor die Wälzlagereinheit 5a geschaltet ist.
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Die nachfolgenden Figuren zeigen jeweils Wälzlagereinheiten 5a oder auch 5b, wie sie vorteilhaft in der Gasklappenregelanordnung 1 in 1 einsetzbar sind. In den Darstellungen bezeichnet der Buchstabe K jeweils die Klappenseite und der Buchstabe U die Umgebungs- oder Steuerungsbauraumseite.
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Die 2 zeigt in einer Querschnittsdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel der Wälzlagereinheit 5a, b. Die Wälzlagereinheit 5a,b weist eine Außenringanordnung 10 mit einem insbesondere einteilig ausgebildeten Außenring 11 auf, wobei in dem Außenring 11 eine Mehrzahl von Wälzkörpern 12 in einem Wälzkörperkäfig sowie ein erster und ein zweiter Dichtungsring 13 a, b angeordnet sind. Der Wälzkörperkäfig ist zur Aufnahme der Wälzkörper 12, die insbesondere als Nadeln ausgebildet sind, realisiert und derart in dem Außenring 11 angeordnet, dass die Wälzkörper 12 radialaußenseitig an der Innenfläche des Außenrings 11 abrollen. Wie aus der 2 zu entnehmen ist, sind die Dichtungsringe 13 a, b beidseitig um den Wälzkörperkäfig verteilt, wobei auf der Klappenseite K der erste Dichtungsring 13 a und auf der Umgebungsseite U der zweite Dichtungsring 13 b angeordnet ist. Die Dichtungsringe 13 a, b sind als Lippendichtungsringe ausgebildet, die die Dichtwirkung durch eine mechanische Berührung der in axialer Richtung zu montierenden Klappenwelle 4 (siehe 1) erzielen. Die Dichtungsringe 13 a, b sind hinsichtlich der Dichtung gegengleich orientiert und zwar derart, dass die Dicht- oder Sperrrichtung (Pfeil) der Dichtungsringe 13 a, b von den Wälzkörpern 12 zu der der Klappenseite K und zur Umgebungsseite U verläuft.
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Auf der Klappenseite K der Außenringanordnung 10, insbesondere in dem Außenring 11 ist ein Wellenaufsatzelement 14 auf die Klappenwelle 4 aufgesetzt. Das Wellenaufsatzelement 14 ist als ein Dichtungsring ausgebildet und umgreift die Klappenwelle 4. Axial betrachtet ist das Wellenaufsatzelement 14 innerhalb von dem Außenring 10 und strömungstechnisch vor dem ersten Dichtungsring 13 a angeordnet.
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Durch das Wellenaufsatzelement 14 wird eine Schutzdichtung in Form einer Vordichtung gebildet, welche die Wälzkörper 12 und damit den Wälzlagerraum vor Gasen und Partikeln in den Gasen schützt, die von der Klappenseite K in die Wälzlagereinheit 5 a eindringen und gegebenenfalls die Wälzlagereinheit 5 a auf der Umgebungsseite U verlassen und den Steuerungsbauraum 6 verunreinigen.
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Das Wellenaufsatzelement 14 bildet eine Schutzdichtung bzw. bildet diese mit und zwar zum einen in Form einer Spaltdichtung und/oder berührenden Dichtung, wobei das Wellenaufsatzelement 14 einen ersten Dichtungspartner und der Außenring 11, insbesondere der Innenumfang des Außenrings 11, einen zweiten Dichtungspartner bildet. Zum anderen wird durch das Wellenaufsatzelement 14 in Zusammenwirken mit dem Außenring 11 und dem ersten Dichtungsring 13 a eine Labyrinthdichtung gebildet, da strömende Fluide zunächst durch den Ringspalt zwischen dem Außenring 11 und der Klappenwelle 4 in die Außenringanordnung 10 eindringen müssen. Danach werden die Fluide radial nach außen geleitet, bis diese am Außendurchmesser des Wellenaufsatzelements 14 in axialer Richtung weiter fließen können. Nach dem Wellenaufsatzelement 14 werden die Fluide radial nach innen geleitet, bis diese am Innendurchmesser des ersten Dichtungsrings 13 a bzw. am Außendurchmesser der Klappenwelle 4 weiter in axialer Richtung in den Wälzkörperraum fließen können. Optional kann die axiale Anlage von dem Wellenaufsatzelement 14 an der Innenseite eines Bords des Außenrings 11 und/oder die axiale Anlage von dem Wellenaufsatzelement 14 an dem ersten Dichtungsring ebenfalls eine axiale Dichtfunktion aufweisen. Durch das Wellenaufsatzelement 14 ist damit der strömungstechnische Weg zwischen dem Eingang in die Außenringanordnung 10 und dem Dichtungsspalt zwischen dem ersten Dichtungsring 13 a und der Klappenwelle 4 verlängert, so dass die Labyrinthdichtung gebildet ist. Optional kann dieser Bereich mit einem Schmierstoff, insbesondere Schmierfett, gefüllt sein, um eine weitere Dichtungswirkung zu erzeugen.
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Das Wellenaufsatzelement 14 ist als ein Elastomerring ausgebildet, welcher abdichtend auf der Klappenwelle 4 aufgesetzt ist. Das Wellenaufsatzelement 14 weist drei Lippendichtabschnitte 15 a, b, c auf, welche in der 4 vergrößert dargestellt sind. Die drei Lippendichtabschnitte 15 a, b, c liegen an dem Innenumfang des Außenrings 11 dichtend an. Zwischen den Lippendichtabschnitten 15 a, b, c sind Aufnahmebereiche 16 a, b ausgebildet als Ringnuten vorgesehen, in denen sich eindringende Partikel ablagern können, so dass diese nicht weiter in Richtung der Umgebungsseite U transportiert werden, sondern gebunden oder aufgefangen sind. Der erste Lippendichtabschnitt 15 a weist einen ersten Außendurchmesser, der zweite Lippendichtabschnitt 15 b weist einen zweiten Außendurchmesser und der dritte Lippendichtabschnitt 15 c weist einen dritten Außendurchmesser auf. Es ist vorgesehen, dass der erste Außendurchmesser größer als der zweite Außendurchmesser und der zweite Außendurchmesser größer als der dritte Außendurchmesser ausgebildet ist. Dadurch wird erreicht, dass die Dichtwirkung durch den ersten Lippendichtabschnitt 15 a, welcher auf der Klappenseite K angeordnet ist, insbesondere gegen Partikel, besonders stark ausgeprägt ist.
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Um jedoch zu verhindern, dass der erste oder der zweite Lippendichtabschnitt 15 a, b zu starr sind, weist das Wellenaufsatzelement 14, insbesondere der Elastomerring, einen Ringspalt 17 auf, wobei der Ringspalt 17 zur Klappenseite K geöffnet ist. Die Orientierung des Ringspalts 17 ist in der 3 zu erkennen, wobei die Wälzlagereinheit 5 a ansonsten so ausgebildet ist wie in der 2, so dass auf die diesbezügliche Beschreibung verwiesen wird. Insbesondere kann der Ringspalt zur Selbstverstärkung der Dichtung führen.
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Insbesondere handelt es sich bei dem Wellenaufsatzelement 14 um eine Mehrlippendichtung, bei welcher durch mehrere hintereinander geschaltete Lippen der Lippendichtabschnitte 15a, b, c am Außendurchmesser der Dichtung, also dem Wellenaufsatzelement 14, ein Labyrinth bzw. Auffangbehälter für die Partikel in Kombination mit dem Außenring 11 der Wälzlagereinheit 5a entstehen (mindestens zwei Lippen). Die Lippen bzw. Lippendichtabschnitte 15a, b, c können sowohl schleifend oder auch mit einem Spalt zum Außenring 11 sein. Außerdem können die hintereinander angeordneten Lippen einen unterschiedlichen Außendurchmesser besitzen und so eine unterschiedliche Überdeckung zum Außenring 11 besitzen oder ganz ohne Kontakt sein. Die Lippen können gegenüber dem Außenring 11 außerdem (unterschiedlich stark) angestellt sein, so können die (unterschiedlich starken) Kontaktkräfte gegenüber dem Außenring 11 erzeugt werden und das Reibmoment, resultierend aus dem Kontakt der Dichtung mit dem Außenring 11, beeinflusst werden.
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Um die Kontaktkräfte am Außenbereich zwischen den Dichtlippenabschnitten 15 a, b, c und dem Außenring 11 zu beeinflussen, kann außerdem im unteren Bereich der Dichtung des Wellenaufsatzelements 14 ausgehend von einer der beiden Planseiten der Dichtung axial eine Aussparung ausgebildet als der Ringspalt 17 eingebracht werden. Die Aussparung ist radial umlaufend. Die hintereinandergeschalteten Dichtlippen können zusätzlich zur Erhöhung der Dichtwirkung (zur Bindung der anströmenden Partikel) und auch zur Verringerung des Reibkontakts zwischen Dichtlippen und Außenring 11 befettet sein.
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Am Innendurchmesser befindet sich der Festsitz der Dichtung und/oder des Wellenaufsatzelements 14 mit entsprechender Überdeckung zur Klappenwelle 4 der Klappe 2, um eine Fixierung und Dichtwirkung zu erzeugen. Die Überdeckung ist dabei in Abhängigkeit der gewünschten Kontaktkraft und zulässigen Dehnung des Materials der Dichtung bzw. des Wellenaufsatzelements 14 zu wählen. Beim Material der Dichtung handelt es sich vorzugsweise um ein Elastomer oder einen Hartkunststoff, wobei es bei Verwendung eines Hartkunststoffes vorstellbar ist, am Innendurchmesser der Dichtung bzw. dem Wellenaufsatzelement 14 eine weiche Elastomerkomponente zur Temperaturkompensation im Festsitz zur Klappenwelle 4 zu verwenden.
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Die 5 zeigt eine dreidimensionale Darstellung des Wellenaufsatzelement 14, wobei nochmals erkennen ist, dass dieses als ein einstückiger Ring, insbesondere als der Elastomerring ausgebildet ist.
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Die 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Wälzlagereinheit 5 a, welches sich insbesondere durch das Wellenaufsatzelement 14 unterscheidet. Bei diesem Ausführungsbeispiel für das Wellenaufsatzteil 14 handelt es sich um ein Dichtungselement bestehend aus einem Ringelement mit Schnappnasen 18 und einer Dichtungskontur 19, die über die Außenringanordnung 10, insbesondere über den Außenring 11 in axialer Richtung hinausragt. Auf der einen Seite besitzt das als Dichtungselement ausgebildete Wellenaufsatzelement 14 die Schnappnasen 18, mit welchen es in den Außenring 11 der Wälzlagereinheit 5a oder 5b eingeschnappt werden kann, so dass diese beiden transportsicher miteinander verbunden sind. Im Einbaufall weist das Wellenaufsatzelement 14 im mittleren Bereich und im inneren Bereich eine Spaltdichtung in Kombination mit der Innenseite des Außenrings 11 der Wälzlagereinheit 5a auf. Im äußeren Bereich ragt das Wellenaufsatzelement 14 über den Außenring 11 hinaus und bildet mit seiner Dichtungskontur 19 eine Spaltdichtung oder auch eine schleifende Dichtung in Kombination mit einem Klappengehäuseabschnitt 20. Dafür ist am Lagersitz in den Klappengehäuseabschnitt 20 eine zusätzliche Stufe 21 eingebracht, welche zusammen mit der Vordichtung der Wälzlagereinheit 5a und/oder mit dem ersten Dichtungsring 13a eine Labyrinthdichtung darstellt.
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Am Innendurchmesser des Wellenaufsatzelements 14 findet sich mit entsprechender Überdeckung zur Klappenwelle 4 ein Festsitz, um eine Fixierung und eine Dichtwirkung zu erzeugen. Die Überdeckung ist dabei in Abhängigkeit der gewünschten Kontaktkraft und zulässigen Dehnung des Materials des Wellenaufsatzelements 14 zu wählen.
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Das Wellenaufsatzelement 14 ist vorzugsweise aus einer harten Kunststoffkomponente. Um die Montage der Wälzlagereinheit 5a auf der Klappenwelle 4 zu vereinfachen und um für eine Temperaturkompensation zu sorgen, ist es vorstellbar, dass das Wellenaufsatzelement 14 im Bereich des Festsitzes zur Klappenwelle 4 aus einem anderen Material vorzugsweise aus einem Elastomer gefertigt ist. Zusätzlich ist es vorstellbar, das Wellenaufsatzelement 14 in dem Bereich, welcher sich im Außenring 11 befindet, zu befetten, um die Dichtwirkung insbesondere hinsichtlich der anströmenden Partikel zu erhöhen.
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Die 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Wälzlagereinheit 5 a, welches sich insbesondere durch das Wellenaufsatzelement 14 von den vorhergehenden Ausführungsbeispielen unterscheidet.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Spaltdichtung als Teil der Schutzdichtung bestehend aus zwei dünnen Blechelementen 22a, b, welche als Winkelringe ausgebildet sind und ineinander verschachtelt in Kombination mit dem Außenring 11 der Wälzlagereinheit 5a oder 5b die Labyrinthdichtung darstellen. Das äußere der beiden Blechelemente 22b als ein Gegenelement ist dabei in Kontakt mit der Innenseite des Außenrings 11 und kann dort beispielsweise mittels eines Presssitzes mit entsprechender Überdeckung befestigt sein. Dies ist auch notwendig, um eine Dichtwirkung zwischen der Innenseite des Außenrings 11 und dem Blechelement 22b zu gewährleisten. Das zweite, innere der beiden Blechelemente 22a bildet das Wellenaufsatzelement 14 und ist in Kontakt mit der Klappenwelle 4 und kann dort ebenfalls über einen Presssitz mit entsprechender Überdeckung befestigt sein. Auch hier gewährleistet der Presssitz eine Dichtwirkung zwischen dem Wellenaufsatzelement 14 und der Klappenwelle 4. Zur Reibungsreduzierung ist es vorstellbar, dass die Blechelemente 22 a, b mit einer reibungsreduzierenden Schicht (bspw. einer Manganphosphatierung oder einer Art Gleitlack) beschichtet sind. Dies verhindert auch eine Beschädigung der Klappenwelle 4 bei der Montage der Wälzlagereinheit 5a oder 5b auf die Klappenwelle 4.
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Eine zusätzliche Befettung der Spaltdichtung und/oder Labyrinthdichtung ist möglich, um die Dichtwirkung der Schutzdichtung zu erhöhen.
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Außerdem ist es möglich am Lagersitz im Klappengehäuseabschnitt 20 eine zusätzliche Stufe 21 einzubringen, in die sich ein Teil des Wellenaufsatzelements 14 erstreckt, um bereits vor der Wälzlagereinheit 5a einen Teil der Labyrinthdichtung zu bilden und die Dichtwirkung zu steigern.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, wie dieses in der 8 gezeigt ist, befinden sich die beiden Blechelemente 22 a, b nur innerhalb der Wälzlagereinheit 5a, insbesondere innerhalb der Außenringanordnung 10, im Speziellen in dem Außenring 11. Außerdem ist es möglich, die Labyrinthdichtung nur durch eines der beiden Blechelemente 22 a, b in Kombination mit dem Außenring 11 darzustellen. Das Wellenaufsatzelement 14 weist bei diesem Ausführungsbeispiel einen rechteckigen Querschnitt auf.
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In der 9 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, welche jedoch nicht erfindungsgemäß ist. Bei dieser Ausführungsform handelt es sich im eine U-förmige Zweilippendichtung 23, welche durch zwei Lippen einen Auffangkorb für anströmende Partikel darstellt. Der Raum zwischen den beiden Dichtlippen kann zur Erhöhung der Filter- und Dichtwirkung zusätzlich mit Fett gefüllt sein. Die beiden Dichtlippen sind dabei so gestaltet, dass sie stets in Kontakt zur Klappenwelle 4 sind und so schon möglichst viel anströmendes Fluid von dem ersten Dichtungsring 13 a und dem Inneren der Wälzlagereinheit 5a oder 5b fernhalten. In Abhängigkeit der Überdeckung der Lippen zur Klappenwelle 4 und des Anstellwinkels zur Klappenwelle 4 können dabei die Kontaktkräfte und die entstehende Reibung, insbesondere aber auch die Dichtwirkung beeinflusst werden. Die beiden Lippen können dabei verschiedene Durchmesser und Anstellwinkel zur Klappenwelle 4 besitzen, um verschieden große Überdeckungen und Kontaktkräfte zu generieren. Die Überdeckung zur Klappenwelle 4 kann dabei auch Null oder weniger sein, so dass eine Spaltdichtung und keine schleifende Dichtung entsteht.
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Am Außendurchmesser befindet sich der Festsitz der Zweilippendichtung 23 mit entsprechender Überdeckung zum Außenring 11 der Wälzlagereinheit 5a oder 5b, um eine Fixierung und Dichtwirkung zu erzeugen. Die Überdeckung ist dabei in Abhängigkeit der gewünschten Kontaktkraft und zulässigen Stauchung des Materials der Dichtung zu wählen. Beim Material der Zweilippendichtung 23 handelt es sich vorzugsweise um ein Elastomer oder einen Hartkunststoff. Wobei es bei Verwendung eines Hartkunststoffes vorstellbar ist, am Außendurchmesser der Zweilippendichtung 23 eine weiche Elastomerkomponente zur Temperaturkompensation im Festsitz zum Außenring 11 zu verwenden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gasklappenregelanordnung
- 2
- Klappe
- 3
- Gaskanal oder Strömungskanal
- 4
- Klappenwelle
- 5a,b
- Wälzlagereinheit
- 6
- Steuerungsbauraum
- 7
- Motor
- 8
- Getriebe
- 9
- O-Ring
- 10
- Außenringanordnung
- 11
- Außenring
- 12
- Wälzkörper
- 13a,b
- erster und zweiter Dichtungsring
- 14
- Wellenaufsatzelement
- 15a, b, c
- Lippendichtabschnitte
- 16a,b
- Aufnahmebereiche
- 17
- Ringspalt
- 18
- Schnappnasen
- 19
- Dichtungskontur
- 21
- Stufe
- 22a,b
- Blechelemente
- K
- Klappenseite
- U
- Umgebungsseite
