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Die Erfindung betrifft einen hebelartigen Nockenfolger, mit zwei durch einen Querbalken verbundenen Seitenwänden, an welchen ein, eine Anlaufrolle für einen periodischen Huberzeuger tragender Bolzen aufgenommen ist, wobei der Nockenfolger eine Lagerstelle zu dessen schwenkbeweglicher Abstützung gegenüber einem Umgebungsbauteil und an einer Unterseite des Querbalkens eine Kontaktfläche für ein Folgeglied ausweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung eines derartigen hebelartigen Nockenfolgers.
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Ein hebelartiger Nockenfolger ist hierbei insbesondere ein Schlepphebel, ein Kipphebel oder ein Schwinghebel, jeweils mit Rolle für einen Nockenanlauf. Der Nockenfolger ist insbesondere für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine vorgesehen und dient hierbei dem zumindest mittelbaren Einwirken auf wenigstens ein Gaswechselventil. Alternativ kann der Nockenfolger auch in Kraftstoffhochdruckpumpen verwendet werden, wobei er in diesem Fall einen Pumpenkolben aktuiert. Ein Folgeglied ist hierbei beispielsweise ein Gaswechselventil, insbesondere in einem Ventiltrieb, ein Pumpenkolben, insbesondere in einer Einspritzpumpe, oder dergleichen.
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Die
DE 10 2016 216 486 A1 beschreibt einen Nockenfolger beziehungsweise nockenbeaufschlagbaren Hebel. Der Hebel ist hier als 2-K-MIM-Bauteil ausgebildet.
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Insbesondere im Zuge einer Leistungsverdichtung bei Verbrennungsmotoren treten zunehmend Probleme bei hebelartigen Nockenfolgern in Form von Schlepphebeln auf, insbesondere bei wälzgelagerten Rollenschlepphebeln. Hierbei entsteht am Bolzen zunehmend Verschleiß, der schlussendlich zu einem Motorschaden führen kann.
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In solchen höchstbeanspruchten Anwendungen stellen die Bolzen, die einen Innenring mit einer Laufbahn für eine Wälzlagerung der Schlepphebel bilden, das kritische Element dar. Es ist bekannt, die Bolzen solcher Schlepphebel aus 100Cr6 in verschiedenen Wärmebehandlungszuständen einzusetzen. Neben klassisch martensitisch durchgehärteten Bolzen werden hier auch induktiv randschichtgehärtete Bolzen eingesetzt. Mit diesen Bolzen werden martensitisch gehärtete Wälzkörper, insbesondere in Form von Nadeln, aus 100Cr6 verbaut. Im Einsatz, speziell bei Dieselaggregaten, kommt es hierbei zum Verschleiß des Bolzens, was die Funktionalität negativ beeinträchtigt und im schlimmsten Fall zu einem Versagen des Schlepphebels führt.
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Die chemische Veränderung der Schmierstoffe im Zusammenspiel mit Rückständen aus der Treibstoffverbrennung führen neben der mechanischen Belastung zum Verschleiß der Bolzenoberfläche.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Verschleiß im Bereich des Bolzens zu verringern und damit die Lebensdauer eines hebelartigen Nockenfolgers zu erhöhen.
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Die Aufgabe wird durch einen hebelartigen Nockenfolger mit zwei durch einen Querbalken verbundenen Seitenwänden, an welchen ein, eine Anlaufrolle für einen periodischen Huberzeuger tragender Bolzen aufgenommen ist, wobei der Nockenfolger eine Lagerstelle zu dessen schwenkbeweglicher Abstützung gegenüber einem Umgebungsbauteil und an einer Unterseite des Querbalkens eine Kontaktfläche für ein Folgeglied aufweist, gelöst, indem entweder
a) der Bolzen oder b) eine einen Hilfsbolzen umgebende Hülse gebildet ist aus einem, in einem Druckelektroschlacke-Umschmelzverfahren (DESU) hergestellten Stahl der Zusammensetzung:
- 0,3 bis 0,36 Gew.-% Kohlenstoff
- 0,35 bis 0,44 Gew.-% Stickstoff
- 0,3 bis 0,8 Gew.-% Silizium
- 0,3 bis 0,6 Gew.-% Mangan
- 15,0 bis 16,0 Gew.-% Chrom
- 0,95 bis 1,1 Gew.-% Molybdän
- 0,03 bis 0,06 Gew.-% Vanadium
- 0,1 bis 0,3 Gew. % Nickel
- 0 bis 0,15 Gew. % Kupfer
- 0 bis 0,015 Gew. % Aluminium
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
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Durch den Einsatz einer solchen Stahl-Zusammensetzung wird der Verschleiß im Bereich des Bolzens signifikant gesenkt und die Lebensdauer eines erfindungsgemäßen hebelartigen Nockenfolgers signifikant verlängert, insbesondere mindestens verdoppelt. Insbesondere hat sich hier die Verwendung einer Stahl-Zusammensetzung vom Typ Cronidur 30 bewährt.
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Das Druckelektroschlacke-Umschmelzen (abgekürzt: DESU) ist ein Verfahren zur Herstellung hochstickstoffhaltiger Spezialstähle. Dabei wird ein Stahlblock nach dem Elektroschlacke-Umschmelzverfahren (abgekürzt: ESU) in einem geschlossenen System unter Druck umgeschmolzen und gleichzeitig mit Stickstoff angereichert. Bei dem genannten ESU-Verfahren wird ein gegossener und zum Teil schon umgeformter Stahlblock wieder aufgeschmolzen. Der Stahlblock wird mit einer Hochspannungsquelle verbunden und dient als selbstverzehrende Elektrode, ähnlich einem Lichtbogenschweißen. Trifft der Stahlblock auf ein anderes Metall, in diesem Fall Späne oder eine Startscheibe, entzündet sich ein Lichtbogen mit einer Temperatur von ca. 4000°C. Der Stahlblock tropft ab, die Tropfen fallen durch eine flüssige Schlacke und aus den erstarrten Tropfen entsteht ein neuer Stahlblock. In der Schlacke werden Verunreinigungen der Elektrode zurückgehalten, so dass der neue Stahlblock einen um ein bis drei Klassen besseren Reinheitsgrad besitzt und zudem fast seigerungsfrei ist. Dementsprechend gut und isotrop sind die Eigenschaften des gebildeten ESU-Stahlmaterials.
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Insbesondere weist in Fall a) der Bolzen und in Fall b) die Hülse eine Laufbahn auf, die in Kontakt zu einer Anzahl an Wälzkörpern angeordnet ist, wobei in Fall a) der Bolzen und in Fall b) die Hülse zumindest im Bereich der Laufbahn eine Härte von mindestens 680 HV aufweist.
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Die Stahl-Zusammensetzung wird in einer ersten Ausführungsform vorzugsweise mittels einer Vakuumhärtung mit zwei Vorwärmstufen bei 600 +-20K und 800 °C +-20K bis auf eine Austenitisierungstemperatur von 1030°C ±30K erwärmt. Nach ausreichender Durchwärmung wird das Werkstück, hier der Bolzen gemäß Fall a) oder die Hülse gemäß Fall b), mittels Stickstoffabschreckung mit einem Mindestdruck von 4 bar bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Danach folgt eine Tiefkühlung bei mindestens -80 °C für eine Stunde und ein Anlassen bei 150°C für 2 Stunden. Typischerweise weist die Stahl-Zusammensetzung nach dieser martensitischen Härtung eine Härte von mindestens 680 HV auf, verbunden mit einer für diese Festigkeit sehr hohen Duktilität von mindestens 3% Bruchdehnung.
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In dieser ersten Ausführungsform sind gemäß Fall a) die Bolzenenden des Bolzens zwischen den Seitenwänden verstemmbar. Der Bolzen gemäß Fall a) kann alternativ aber auch über eine Sicherungsring-Nut-Verbindung zwischen den Seitenwänden fixiert werden.
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Bevorzugt ist in Fall b) der Hilfsbolzen aus 100Cr6 gebildet, welchen die Hülse umgibt. Die Hülse ist entweder lose auf dem Hilfsbolzen angeordnet, so dass diese sich drehen kann. Alternativ ist die Hülse fest mit dem Hilfsbolzen verbunden, beispielsweise durch aufschrumpfen, so dass keine Bewegung der Hülse relativ zum Hilfsbolzen möglich ist.
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Alternativ wird der Bolzen gemäß Fall a) oder die Hülse gemäß Fall b) in einer zweiten Ausführungsform lokal im Bereich der späteren Laufbahn für die Wälzkörper induktiv gehärtet. Hierbei wird die Stahl-Zusammensetzung initial vergütet. Dies erfolgt bei Austenitisierungstemperaturen von 970 bis 1000 °C, gefolgt von einer Gasabschreckung und einer Anlassbehandlung bei 600 °C. Die induktive Härtung erfordert eine Erhitzung des Laufbahnbereichs auf Temperaturen von 1050 °C bis 1120 °C, gefolgt von einer Brauseabschreckung. Danach folgt eine Tiefkühlung bei mindestens -80 °C für eine Stunde und sowie ein Anlassen bei 150 °C für 2 Stunden. Typischerweise weist der der Bolzen oder die Hülse nach dieser martensitischen Härtung an der Oberfläche eine Härte von mindestens 680 HV auf.
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Die Wälzkörper sind bevorzugt aus 100Cr6 gebildet. Insbesondere sind die Wälzkörper gehärtet und angelassen und weisen eine Oberflächenhärte von größer als 760 HV auf. Alternativ sind die Wälzkörper karbonitriert, gehärtet, tiefgekühlt und angelassen und weisen eine Oberflächenhärte von größer als 860 HV auf.
Durch den Einsatz derartiger Wälzkörper in Kombination beziehungsweise in direktem Wälzkontakt mit einem Bolzen gemäß Fall a) oder einer Hülse gemäß Fall b) wird die Lebensdauer des hebelartigen Nockenfolgers noch einmal signifikant gesteigert.
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Es hat sich bewährt, wenn die Anlaufrolle aus 100Cr6 gebildet ist und zumindest an ihrer Oberfläche eine Härte von größer als 680 HV aufweist. Dazu wird das Material der Anlaufrolle vorzugsweise gehärtet und angelassen.
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Die Seitenwände des hebelartigen Nockenfolgers, insbesondere das damit gebildete Schlepphebelgehäuse, ist bevorzugt aus 16MnCr5 oder vergleichbaren kaltumformbaren Stahlgüten gebildet, und insbesondere einsatzgehärtet und angelassen oder alternativ durch Karbonitrieren randschichtgehärtet, tiefgekühlt und angelassen. Die beim Härten gebildete Randschicht weist bevorzugt eine Randschichtdicke größer 0,2 mm mit einer Oberflächenhärte von insbesondere größer 680 HV auf.
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Der hebelartige Nockenfolger ist hierbei insbesondere ein Schlepphebel, ein Kipphebel oder ein Schwinghebel, jeweils mit einer Anlaufrolle für einen Nockenanlauf. Ein Folgeglied ist hierbei insbesondere ein Gaswechselventil, insbesondere in einem Ventiltrieb, ein Pumpenkolben, insbesondere in einer Einspritzpumpe, oder dergleichen.
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Die Verwendung eines erfindungsgemäßen hebelartigen Nockenfolgers in einem Ventiltrieb oder einem Pumpentrieb, jeweils einer Brennkraftmaschine, oder einem Verdichter hat sich bewährt.
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Die 1 bis 10 zeigen beispielhaft verschiedene Ausführungsformen hebelartiger Nockenfolger gemäß der Erfindung. So zeigt
- 1 einen hebelartigen Nockenfolger in Form eines Schlepphebels in dreidimensionaler Ansicht mit einem Bolzen gemäß Fall a) und gemäß der zweiten Ausführungsform,
- 2 den Schlepphebel gemäß 1 in einer Seitenansicht,
- 3 den Schlepphebel gemäß 2 im Längsschnitt parallel zur Längsachse des Bolzens,
- 4 den Schlepphebel gemäß 2 im Längsschnitt senkrecht zur Längsachse des Bolzens,
- 5 einen weiteren hebelartigen Nockenfolger in Form eines Schlepphebels mit einem Bolzen gemäß Fall a) und gemäß der ersten Ausführungsform in der Seitenansicht,
- 6 den Schlepphebel gemäß 5 im Längsschnitt parallel zur Längsachse des Bolzens,
- 7 den Bolzen gemäß den 5 und 6 in vergrößerter Darstellung,
- 8 den Schlepphebel gemäß 5 im Längsschnitt senkrecht zur Längsachse des Bolzens,
- 9 einen weiteren hebelartigen Nockenfolger in Form eines Schlepphebels mit einer Hülse gemäß Fall b) im Längsschnitt senkrecht zur Längsachse des Hilfsbolzens, und
- 10 ein Schliffbild des Gefüges der pulvermetallurgisch hergestellten Stahl-Zusammensetzung für den Bolzen gemäß Fall a) oder die Hülse gemäß Fall b).
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1 zeigt einen hebelartigen Nockenfolger 1 in Form eines Schlepphebels in dreidimensionaler Ansicht mit einem Bolzen 5 gemäß Fall a) und gemäß der zweiten Ausführungsform (induktiv randschichtgehärtet). Der Nockenfolger 1 umfasst zwei, durch einen Querbalken 2 verbundene Seitenwände 3a, 3b, an welchen der, eine Anlaufrolle 4 für einen periodischen Huberzeuger tragende Bolzen 5 aufgenommen ist. Der Nockenfolger 1 weist weiterhin eine Lagerstelle 6 zu dessen schwenkbeweglicher Abstützung gegenüber einem Umgebungsbauteil und an einer Unterseite 2a des Querbalkens 2 eine Kontaktfläche 20 für ein Folgeglied, beispielsweise ein hier nicht dargestelltes Gaswechselventil, auf. Gemäß der zweiten Ausführungsform wird der Bolzen 5 gemäß Fall a) oder die Hülse 5a gemäß Fall b) lokal im Bereich der späteren Laufbahn 7 für die Wälzkörper 8 (vergleiche 3) induktiv gehärtet. Hierbei wird die Stahl-Zusammensetzung, hier insbesondere aus Cronidur 30, initial vergütet. Dies erfolgt bei Austenitisierungstemperaturen von 970 bis 1000 °C, gefolgt von einer Gasabschreckung und einer Anlassbehandlung bei 600 °C. Die induktive Härtung erfordert eine Erhitzung des Bereichs der Laufbahn 7 auf Temperaturen von 1050 °C bis 1120 °C, gefolgt von einer Brauseabschreckung. Danach folgt eine Tiefkühlung bei mindestens -80 °C für eine Stunde und sowie ein Anlassen bei 150 °C für 2 Stunden.
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Typischerweise weist der Bolzen 5 nach dieser martensitischen Härtung an der Oberfläche eine Härte von mindestens 680 HV auf.
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2 zeigt den Schlepphebel gemäß 1 in einer Seitenansicht. Gleiche Bezugszeichen wie in 1 kennzeichnen gleiche Elemente. Die Bolzenenden des Bolzens 5 gemäß Fall a) weisen in der zweiten Ausführungsform aufgrund der unzureichenden bis gänzlich fehlenden Austenitisierung eine Härte kleiner 600 HV auf, was eine Verstemmung 14 der Bolzenenden zwischen den Seitenwänden 3a, 3b ermöglicht (vergleiche 3).
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3 zeigt den Nockenfolger 1 gemäß 2 im Längsschnitt parallel zur Längsachse 15 des Bolzens 5 gemäß Fall a). Gleiche Bezugszeichen wie in 1 oder 2 kennzeichnen gleiche Elemente. Es ist die Lauffläche 7 des Bolzens 5 gemäß Fall a) erkennbar, auf der die Wälzkörper 8 abwälzen. Die Anlaufrolle 4 umgibt die Wälzkörper 8 auf ihrer dem Bolzen 5 abgewandten Seite.
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4 zeigt den Nockenfolger 1 gemäß 2 im Längsschnitt senkrecht zur Längsachse 15 des Bolzens 5 gemäß Fall a). Gleiche Bezugszeichen wie in den 1 bis 3 kennzeichnen gleiche Elemente. In dieser Ansicht ist das Wälzlager 13, umfassen den Bolzen 5, die Wälzkörper 8 und die Anlaufrolle 4 gut erkennbar.
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5 zeigt einen weiteren hebelartigen Nockenfolger 1' in Form eines Schlepphebels mit einem Bolzen 5 gemäß Fall a) und gemäß der ersten Ausführungsform (Sicherungsring-Nut-Verbindung 10) in der Seitenansicht. Der weitere Nockenfolger 1' umfasst zwei, durch einen Querbalken 2 (vergleiche 6) verbundene Seitenwände 3a, 3b, an welchen der, eine Anlaufrolle 4 für einen periodischen Huberzeuger tragende Bolzen 5 aufgenommen ist. Der Nockenfolger 1 weist weiterhin eine Lagerstelle 6 zu dessen schwenkbeweglicher Abstützung gegenüber einem Umgebungsbauteil und an einer Unterseite 2a des Querbalkens 2 eine Kontaktfläche 20 für ein Folgeglied, beispielsweise ein hier nicht dargestelltes Gaswechselventil, auf. Gemäß der ersten Ausführungsform wird der Bolzen 5 gemäß Fall a) aus der oben genannten Stahl-Zusammensetzung, insbesondere aus Cronidur 30, gebildet und mittels einer Vakuumhärtung mit zwei Vorwärmstufen bei 600 +-20K und 800 °C +-20K bis auf eine Austenitisierungstemperatur von 1030°C ±30K erwärmt. Nach ausreichender Durchwärmung wird der Bolzen 5 gemäß Fall a) mittels Stickstoffabschreckung mit einem Mindestdruck von 4 bar bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Danach folgt eine Tiefkühlung bei mindestens -80 °C für eine Stunde und ein Anlassen bei 150°C für 2 Stunden. Typischerweise weist die Stahl-Zusammensetzung nach dieser martensitischen Härtung eine Härte von mindestens 680 HV auf, verbunden mit einer für diese Festigkeit sehr hohen Duktilität von mindestens 3% Bruchdehnung.
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Der Bolzen 5 gemäß Fall a) wird hier über eine Sicherungsring-Nut-Verbindung 10 (vergleiche 6) umfassend mindestens eine Nut 11 im Bolzen 5 und einen Sicherungsring 12 zwischen den Seitenwänden 3a, 3b fixiert. In der ersten Ausführungsform sind gemäß Fall a) die Bolzenenden des Bolzens 5 alternativ aber auch zwischen den Seitenwänden 3a, 3b verstemmbar.
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6 zeigt den weiteren Nockenfolger 1' gemäß 5 im Längsschnitt parallel zur Längsachse 15 des Bolzens 5. Gleiche Bezugszeichen wie in 5 kennzeichnen gleiche Elemente. 7 zeigt den Bolzen 5 gemäß Fall a) gemäß den 5 und 6 in vergrößerter Darstellung. Es sind zwei Nuten 11 erkennbar, die an den Bolzenenden zugeordnet sind. Weiterhin ist die Lauffläche 7 des Bolzens 5 für die Wälzkörper 8 (vergleiche 6) erkennbar. In die Nuten 11 wird nach dem Einbringen des Bolzens 5 zwischen die Seitenwände 3a, 3b jeweils ein Sicherungsring 12 eingelegt, der den Bolzen 5 in seiner Lage fixiert.
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8 zeigt den weiteren Nockenfolger gemäß 5 im Längsschnitt senkrecht zur Längsachse 15 des Bolzens 5 gemäß Fall a). Gleiche Bezugszeichen wie in den 5 bis 7 kennzeichnen gleiche Elemente. In dieser Ansicht ist das Wälzlager 13, umfassen den Bolzen 5 gemäß Fall a), die Wälzkörper 8 und die Anlaufrolle 4 gut erkennbar.
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9 zeigt einen weiteren hebelartigen Nockenfolger 1'' in Form eines Schlepphebels mit einer Hülse 5a gemäß Fall b) im Längsschnitt senkrecht zur Längsachse 15 des Hilfsbolzens 50 gesehen. Der Hilfsbolzen 50 ist hier aus 100Cr6 gebildet, während die den Hilfsbolzen 50 umgebende Hülse 5a aus der oben genannten Stahl-Zusammensetzung, insbesondere aus Cronidur 30, gebildet ist. Die Hülse 5a wird mittels einer Vakuumhärtung mit zwei Vorwärmstufen bei 600 +-20K und 800 °C +-20K bis auf eine Austenitisierungstemperatur von 1030°C ±30K erwärmt. Nach ausreichender Durchwärmung wird die Hülse gemäß Fall b) mittels Stickstoffabschreckung mit einem Mindestdruck von 4 bar bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Danach folgt eine Tiefkühlung bei mindestens -80 °C für eine Stunde und ein Anlassen bei 150°C für 2 Stunden. Typischerweise weist die Stahl-Zusammensetzung nach dieser martensitischen Härtung eine Härte von mindestens 680 HV auf, verbunden mit einer für diese Festigkeit sehr hohen Duktilität von mindestens 3% Bruchdehnung.
Die Hülse 5a kann dabei auf dem Hilfsbolzen 50 beweglich oder fest fixiert angeordnet sein. Die Bolzenenden des Hilfsbolzens 50 können entweder zwischen den Seitenwänden 3a, 3b verstemmt werden, sofern die Hülse 5a sich lediglich zwischen den Seitenwänden 3a, 3b erstreckt. Alternativ kann der Hilfsbolzen 50 inklusive der Hülse 5a auch über eine Sicherungsring-Nut-Verbindung 10 (vergleiche 6), umfassend mindestens eine Nut 11 im Hilfsbolzen 50 oder in der Hülse 5a und einen Sicherungsring 12 pro Nut 11, zwischen den Seitenwänden 3a, 3b fixiert werden.
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10 zeigt ein Schliffbild des Gefüges der in einem Druckelektroschlacke-Umschmelzverfahren hergestellten Stahl-Zusammensetzung Cronidur 30 für den Einsatz als Bolzen 5 gemäß Fall a) oder Hülse 5a gemäß Fall b).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hebelartiger Nockenfolger
- 2
- Querbalken
- 3a, 3b
- Seitenwände
- 4
- Anlaufrolle
- 5
- Bolzen
- 5a
- Hülse
- 6
- Lagerstelle
- 7
- Laufbahn
- 8
- Wälzkörper
- 10
- Sicherungsring-Nut-Verbindung
- 11
- Nut
- 12
- Sicherungsring
- 13
- Wälzlager
- 15
- Längsachse des Bolzens oder Hilfsbolzens
- 50
- Hilfsbolzen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19617523 A1 [0003]
- DE 102016216486 A1 [0004]
