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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Rotorlagerung in einer Wasserpumpe mit wenigstens
zwei axial zueinander benachbarten Lagerstellen, wobei jede der
Lagestellen wenigstens eine Reihe von Wälzkörpern aufweist.
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Hintergrund der Erfindung
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Lagerungen
für den
Rotor von Wasserpumpen sind, wie in
DE 199 40 456 A1 beschrieben, in der Regel
mindestens zweireihig oder weisen mehr als zwei Reihen auf. Sie
sind demnach also aus zwei Lagerstellen gebildet, von denen jede
mindestens eine Reihe aufweist. Die Reihen sind axial zueinander
beabstandet, um Kippmomente aus Riemenkräften und Unwuchten des Riementriebs
sowie des Pumpenrades aufzunehmen. Unter einer Reihe ist eine definierte
Anzahl von umfangsseitig aufeinander folgenden bzw. umfangsseitig
zueinander benachbarten Wälzkörpern gleichen
oder sich voneinander unterscheidenden Typs zu verstehen, die entweder durch
die Stege eines Käfigs umfangsseitig
zueinander auf Abstand gehalten werden bzw. umfangsseitig unmittelbar
aufeinander folgen. Die Lagerstellen/Reihen sollen axial genügend weit
voneinander entfernt sein, um die notwendigen Stützabstände und Rotationsstabilität zu gewährleisten.
Aus Bauraumgründen jedoch
sollten die Reihen axial so dicht wie möglich aneinander liegen.
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Die
Lagerstellen der Rotorlagerung sind durch die Kräfte insbesondere des Riementriebs,
mit dem auch die Wasserpumpe angetrieben wird, ungleichmäßig belastet.
Die höher
belasteten Lagerstelle weist deshalb in der Regel eine höhere Tragzahl
auf als die weniger belastete Lagerstelle. Weiterhin sind die Lagerstellen,
insbesondere in Schrägkugellageranordnungen
durch axiale Kräfte
aus dem Wasserpumpenflügelrad
belastet. Die Lebensdauer der Lageranordnungen ist auch aufgrund
von Motordrehzahlungleichförmigkeiten
durch ungleichförmigen
Lauf des Riementriebs hohen axialen, radialen und umfangsgerichteten
Beschleunigungen ausgesetzt. Die zunehmende Leistungssteigerung
der Motoren zieht außerdem
erhöhten
Kühlmitteldurchsatz und
höhere
Belastungen aus dem Riementrieb nach sich. Die Rotorlagerungen müssen durch
erhöhte Tragfähigkeit
den steigenden Anforderungen angepasst werden.
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In
DE 199 40 456 A1 wird
zum Beispiel eine Rotorlagerung vorgeschlagen, in der die höher belastete
Lagerstelle vollkugelig ausgeführt
ist und die weniger belastete Lagerstelle eine Reihe im Käfig geführter Kugeln
aufweist. Unter vollkugelig ist eine Lagerung ohne Käfig zu verstehen,
in der eine Reihe möglichst
vieler Kugeln mit möglichst
geringem Spiel aufeinander folgen, so dass die für den Bauraum höchstmögliche Tragzahl
erzielt wird. Die Kugeln des vollkugeligen Lagers stoßen bei
Betrieb, insbesondere beim Eintritt in die Lastzone, aneinander
und werden abgebremst. Es entstehen Schlupf und Reibung, Verschleiß und somit
Wärme.
Antriebsenergie geht verloren. Derartige Lagerungen sind deshalb
nicht oder nur bedingt für
Betrieb mit hohen Drehzahlen geeignet.
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Der
Anzahl der Kugeln auch in Lagern mit Käfig sind durch den maximal
möglichen
Füllgrad
des Lagers Grenzen gesetzt. Der Füllgrad als Verhältnis der
An zahl der Kugeln mit dem ein Kugellager bei der Montage tatsächlich befüllt werden
kann, zu der theoretisch maximalen Anzahl von Kugeln, die auf dem Teilkreis
des Lagers angeordnet werden könnten, hängt im wesentlichen
der Methode ab, mit der das Lager befüllt wird.
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In
Rillenkugellagern werden die Kugeln zwischen die Laufringe gebracht,
in dem man zunächst die
Lagerringe und damit deren Innen- bzw. Außenlaufbahn exzentrisch zueinander
verschiebt. Danach werden die Kugeln, unter Umständen auch mit Ausnutzung elastischer
Verformung der Lagerringen, durch einen sichelförmigen radialen Spalt in einen von
den Laufbahnen begrenzten Raum eingebracht. Der sichelförmig Spalt
ist durch die Exzentrizität
der Lagerringe zwischen deren Borden ausgebildet. Nach dem Befüllen wird
die Exzentrizität
aufgehoben und die Kugeln werden gleichmäßig am Umfang verteilt und
schließlich
ein Käfig
als Abstandshalter montiert. Die Abmessungen des Spalts sind durch
die Tiefe der Laufrillen der Kugellager, d. h. somit durch die radiale
Höhe deren
Seitenborde, bestimmt. Das Aufnahmevermögen des Raums zwischen den
Laufbahnen ist durch die Exzentrizität relativ gering. Demzufolge
ist der Füllgrad
bei der exzentrischen Montage relativ gering. Lagerstellen mit hoher
Tragfähigkeit müssen deshalb
mit großen
Abmessungen versehen sein um das Fehlen der für hohe Tragfähigkeit
benötigten
Kugeln z. B. durch größere Durchmesser
der wenigen Kugeln zu kompensieren
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Die
zweireihigen Lagerungen von Wasserpumpen weisen in der Regel zwei
zueinander beabstandete äußere Kugellaufbahnen
einem einteiligen Außenring
sowie zwei zueinander beabstandete innere Kugellaufbahnen direkt
in einer durchgehenden Rotorwelle auf. In derartigen Lagern kann
nur eine der Reihen mit einer maximal möglichen Kugelanzahl befüllt werden,
da die Innen- und Außenlaufbahn
der zweiten zu befüllenden
Reihe nach dem Befüllen
der ersten Reihe nicht mehr ausschließlich radial exzentrisch zueinander
zu verlagern sind, sondern auch noch gegeneinander verkippt sind.
Das Aufnahmevermögen
des Raums ist durch die Verkippung der Rotorwelle in dem Außenring
(zueinander geneigte Mittenachsen des Innen- und Außenrings)
kleiner als bei reiner radialer Verlagerung (parallele Mittenachsen),
so dass weniger Kugeln eingebracht werden können. Derartig von Reihe zu
Reihe mit unterschiedlicher Anzahl Kugeln bestückte Lagerungen werden auch
als asymmetrische beziehungsweise unsymmetrische Lagerungen bezeichnet.
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Seitliche
Füllöffnungen
im Bord lassen optimale Befüllung
mit Kugeln zu, schwächen
jedoch den Bord und sind deshalb insbesondere für Schrägkugellageranordnungen nicht
in jedem Falle geeignet.
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Es
gibt auch Rotorlagerungen, vorwiegend mit Schrägkugellagerungen, in denen
die höher
belastete Lagerstelle mehr Kugeln aufweist als die weniger belastete
Lagerstelle und in denen die Kugeln aber in beiden Lagern durch
jeweils einen Käfig
geführt
sind. Diese Lagerungen werden aufgrund der vorgenannten Ungleichheiten
auch als unsymmetrisch ausgeführte
Lagerungen bezeichnet. Die Kosten für Herstellung und Lagerung
können.
höher sein als
die für
symmetrische Lagerungen. Der Anzahl der Kugeln der höher belasteten
Reihe ist aufgrund von Mindestquerschnitten für die Stabilität höher belasteten
Käfigs
Grenzen gesetzt. Die Lagerstellen müssen dann um den Anforderungen
an erhöhte
Tragzahl gerecht zu werden, entsprechend größer dimensioniert sein, so
dass für
die Lagerung und damit für
die Wasserpumpe mehr Bauraum benötigt
wird.
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In
anderen Wasserpumpen werden in der höher belasteten Lagerstelle
Rollen oder Nadeln anstelle von Kugeln eingesetzt und damit die
Tragzahl der Lagerstelle erhöht.
Diese Lagerstellen neigen in ungünstigen
Lastfällen
im Wälzkontakt
mit den Rollen aufgrund von Kantenbelastungen vorzeitig zu Ausfällen. Außerdem sind
in der Regel in diesen Lagerstellen die Reibung und somit Energieverluste
höher.
Hinzu kommt ein höherer
Geräuschpegel,
mit dem diese Lagerstellen laufen.
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In
anderen höher
belasteten Rotorlagerungen ist wenigstens eine der Lagerstellen
zweireihig ausgeführt
und beansprucht entsprechend mehr axialen Bauraum, mehr Material
und ist deshalb teuerer in der Herstellung. Außerdem verbrauchen diese Lagerungen
mehr Antriebsenergie.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es daher Rotorlagerungen zu schaffen,
die die zuvor genannten Nachteile nicht aufweisen.
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Die
Aufgabe ist nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dadurch
gelöst,
dass wenigstens eine der Reihen Wälzkörper aufweist, die Kugelscheiben
sind. Unter Kugelscheiben ist der Typ von Wälzkörpern zu verstehen, die an
sich noch die Kugelform aufweisen, die jedoch von der Kugelform
abweichend zwei einander parallel gegenüberliegende Flanken (Seitenflächen) jeweils
in Form einer Kreisfläche
aufweisen. Die Seitenflächen
der Kugelscheiben sind symmetrisch und dadurch gebildet, dass eine
Kugelgrundform an gegenüberliegenden
Enden abgeflacht ist. Die Seitenflächen weisen zueinander gleiche
Seitenflächendurchmesser
auf. Zwischen den Seitenflächen
wölbt sich
eine kugelballige Ringfläche,
die durch einen Kugelradius beschrieben ist. Der Kugelradius ist
der Radius, durch den die Kugelgrundform festgelegt ist und dessen
Einstichpunkt genau mittig zwischen den einander gegenüberliegenden
Seitenflächen
auf der Rotationsachse bzw. Symmetrieachse der Kugelscheibe liegt.
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Die
Kugelscheiben unterscheiden sich durch den Kugelradius und durch
die Lage seines Einstichpunktes von den klassischen Tonnenrollen.
Die Balligkeit der Mantelfläche
von Tonnenrollen ist durch einen oder mehrere Radien beschrieben,
deren Einstichpunkte nicht auf der Symmetrieachse der Rolle liegen
und in der Regel größer sind
als der größte radiale
Abstand zwischen Symmetrieachse und Mantel der Tonnenrolle.
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Die
Kugelscheiben sind mit der kugelballigen Ringfläche mit den Außen- und
Innenlaufbahnen im Wälzkontakt.
Die Kontaktgeometrie Lagern mit Kugelscheiben entspricht denen von
Kugellagern. Deshalb weisen Lager mit Kugelscheiben die gleichen Tragzahlen
auf wie Lager mit der gleichen Anzahl Kugeln, wenn die Kugeln den
gleichem Kugelradius wie die Kugelscheiben auf weisen und auch ansonsten mit
der gleiche Kontaktgeometrie versehen sind. Die Kugelscheiben wiegen
jedoch weniger. Ein Lager mit Kugelscheiben, das die gleiche Anzahl
an Wälzkörpern aufweist
wie ein tragzahlgleiches klassisches Kugellager, ist deshalb vorteilhaft
leichter als dieses – auch
weil die Kugelscheiben axial weniger Bauraum beanspruchen und somit
weitere Elemente des Lagers wie die Lagerringe schmaler ausgelegt
sein können
und somit weniger Gewicht aufweisen. Das Gesamtgewicht der Wasserpumpe
und deren Abmessung kann somit, ohne das die Rotorlagerung an Tragfähigkeit
verliert, verringert werden. Diese Vorteile sind insbesondere bei
zweireihigen Lagerstellen mit zwei Reihen Kugelscheiben im Vergleich
zu Lagerstellen zwei Reihen Kugeln pro Lagerstelle bzw. mit einer
Reihe Rollen spürbar,
da der Anteil an Gewichts- und Bauraumersparnis bei unveränderter Tragfähigkeit
verbessert ist. Der Materialverbrauch für die Herstellung und der Energieverbrauch
der Wasserpumpe bei Betrieb ist somit verringert.
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Denkbar
ist auch, dass die Abmessungen der Wasserpumpe im Vergleich zu einer
Wasserpumpe mit der klassischen Kugellagerung trotz reduzierten
axialen Bauraumbedarfs bei der erfindungsgemäßen Rotorlagerung beibehalten
werden und der „freigewordene" Bauraum für die Integration
zusätzlicher
oder verbesserter Dichtelemente genutzt wird. Es ist auch möglich, die
Stützabstände zwischen
den Lagerstellen innerhalb des axial gewonnenen Bauraums zu vergrößern und
damit die Kippsteifigkeit der Rotorlagerung zu erhöhen, ohne
dass die Wasserpumpe deshalb axial verbreitert werden muss. Denkbar
ist auch, dass der gewonnene axiale Bauraum als Speicher für Schmierstoff
genutzt wird, so dass der Rotorlagerung insgesamt mehr Schmierstoff
zur Verfügung
steht.
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Da
die Kugelscheiben weniger Gewicht aufweisen, sind die Massenkräfte, die
durch beschleunigte Kugelscheiben entstehen und Schleppmomente am
Käfig geringer,
so dass dieser schwächer
dimensioniert oder in kritischen Anwendungen mit höheren Sicherheiten
ausgelegt sein kann.
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Da
die Kugelscheiben abgeflacht sind, kann es möglich sein, bei der anfangs
erwähnten
exzentrischen Montage mehr Wälzkörper ins
Lager einzubringen, wenn die Kugelscheiben schmal genug sind. Die
Kugelscheiben werden dazu so in den Raum zwischen den Lagerringen
eingesetzt, dass zunächst
die Seitenflächen
der benachbarten Kugelscheiben zueinander weisen. Es ist denkbar,
die Tragzahl und unter Umständen
auch die Steifigkeit der Lagerung bei unveränderten Durchmessern durch
wenigstens einen Wälzkörper mehr
pro Reihe zu erhöhen.
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Der
durch die Lagerung mit Kugelscheiben beanspruchte axiale Bauraum
ist beispielsweise gegenüber
einem durchmessergleichen Kugellager bis zu 20% reduzierbar, so
dass bei Einsatz der erfindungsgemäßen Lagerung die Tragzahlerhöhung durch
mehr Wälzkörper nicht
mehr mit der Vergrößerung des
Gewichts und vergrößertem Bauraumbedarf
einhergehen muss.
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Der
Einsatz von Kugelscheiben lässt
auch die maximal mögliche
Befüllung
von zweireihigen Lagern zu, wenn deren Laufbahnen nicht exzentrisch zueinander
ausgerichtet sind – das
heißt
wenn deren Mittenachsen (Rotationsachsen) aufeinander liegen. Die
Kugelrollen beziehungsweise Kugelscheiben werden so horizontal zugeführt, dass
deren Seitenflächen
parallel zur Rotationsachse des Lagers ausgerichtet sind und durch
den Ringspalt zwischen Lagerbord des Außenrings und Lagerbord des
Innenrings (beziehungsweise der Rotorwelle) hindurch zwischen die
Innen- und Außenlaufbahnen
geschoben werden können.
Der Füllgrad
des Lagers ist nicht mehr von einem Füllspalt abhängig, da der Außenring
und die Rotorwelle konzentrisch angeordnet sind. Der im Vergleich
zum vollkugeligen Lager geringere Füllgrad eines Wasserpumpenlagers
mit Käfig und
Kugelscheiben ist nur noch durch den Verlust an Einbauraum für Kugelscheiben
begründet,
der umfangsseitig zwischen den Kugelscheiben für den Käfig als Abstandshafter beansprucht
ist und deshalb nicht für
eine oder mehr Kugelscheiben genutzt werden kann. Wasserpumpenlager
sind aufgrund der Erfindung symmetrisch mit Wälzkörpern maximal befüllbar – so dass
beide Reihen die gleiche Anzahl an Wälzkörpern aufweisen.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht die Anwendung von Kugelscheiben
in Schrägkugellagern
vor, wie diese bevorzugt in Rotorlagerungen von Wasserpumpen vorgesehen
sind und die wie anfangs beschrieben jeweils die Laufbahnen in einem einteiligen
Außenring
und in einer durchgehenden Welle aufweisen. Dazu sind die Seitenflächen der Kugelflächen mit
dem Druckwinkel des Schrägkugellagers
zur Rotationsachse des Rotors geneigt.
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Weiterhin
sind folgende Anordnungen von Rotorlagerungen vorgesehen: Ein- oder mehrreihige Lagerungen,
in denen alle oder mindestens eine der Lagerstellen eine Reihe mit
den Kugelscheiben aufweist. Eine Lagerstelle der Rotorlagerung weist
eine Kugelreihe und die andere weist eine Reihe mit Kugelscheiben
auf. Die Anzahl der Kugeln entspricht dabei der Anzahl der Kugelscheiben
oder unterscheidet sich von dieser, insbesondere dann, wenn die
Kugelradien der Wälzkörper einer
Reihe gleich groß zur anderen
Reihe sind. Die Kugeln und Kugelscheiben sind wahlweise in Käfigen geführt.
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Beschreibung der Zeichnung
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. 1 zeigt eine
Wasserpumpe 1, in einer längs teilweise geschnitten dargestellten
Ansicht, aus einem Gehäuse 2,
einem Pumpenrad 3, einer Antriebsriemenscheibe 4,
einem Antriebsflansch 5 und aus einer Rotorlagerung 6.
Die Antriebsriemenscheibe 4 sitzt mittels Antriebsflansch 5 auf
einer Rotorwelle 7, die mit der Rotorlagerung 6 drehbar
aber axial fest gelagert ist. Auf der Rotorwelle 7 ist
auch das Pumpenrad 3 befestigt.
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Die
Rotorlagerung 6 ist eine Baueinheit aus zwei axial zueinander
benachbarten Lagerstellen 11 und 12, einem gemeinsamen
Lagerring 8 mit den rillenförmigen Außenlaufbahnen 10 für die Lagerstellen 11 und 12 und
aus der Rotorwelle 7. Die rillenförmigen Innenlaufbahnen 9 sind
direkt an der Rotorwelle 7 ausgebildet. Rotorlagerung 6 ist
eine Schräglageranordnung
mit einer Reihe 11a, 12a Wälzkörper pro Lagerstelle 11, 12.
Die Wälzkörper der
Reihe 11 sind Kugeln 13. Die Wälzkörper der Reihe 12a sind
Kugelscheiben 14. Die Anzahl der Kugelscheiben 14 ist
in diesem Fall so groß wie
die Anzahl der Kugeln 13, kann aber auch von dieser abweichen
und ist aus der Darstellung nicht zu entnehmen.
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2 zeigt
eine einzelne Kugelscheibe 14 vergrößert und nicht maßstäblich dargestellt.
Die Kugelscheibe 14 weist zwei symmetrisch von einer Kugelgrundform 14' abgeflachte
und sich einander parallel gegenüberliegenden
Seitenflächen 15 (Kreisringflächen) mit
dem gleichen Durchmesser d zueinander auf. Zwischen den Seitenflächen 15 ist
eine durch einen Kugelradius R bestimmte kugelballige Ringfläche 16 ausgewölbt. Der
Kugelradius R entspricht dem Radius der Kugelgrundform 14' und geht deshalb
von einem mittig zwischen den Seitenflächen 15 sowie dabei
auf der Rotationsachse 22 der Kugelscheibe 14 liegenden
Einstichpunkt 18 ab. Der Einstichpunkt 18 entspricht
dem Zentrum der Kugelgrundform 14'.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Rotorlagerung 19 mit zwei Lagerstellen 12 und 20 in Schräglageranordnung,
mit dem gemeinsamen Lagerring 8, deren Aufbau ansonsten
dem der Rotorlagerung 6 entspricht, in einem Längsschnitt.
Beide Reihen 12a und 20a weisen Kugelscheiben 14 in
Käfigen 21 auf,
mit denen die Rotorwelle 7 drehbar gelagert ist. Die Seitenflächen 15 sind
um einen Winkel α' zur Rotationsachse 17 der
Rotorwelle 7 geneigt, der dem Druckwinkel α der Schräglageranordnung entspricht.
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In 4 ist
ein Schritt der Befüllung
einer zweireihigen Rotorlagerung 22 dargestellt. Die Laufbahnen 23 und 24 sind
nicht exzentrisch sondern konzentrisch zueinander ausgerichtet – das heißt deren
Mittenachsen beziehungsweise Rotationsachsen liegen aufeinander
und sind mit der Rotationsachse 25 der Rotorlagerung 22 identisch.
Die Seitenflächen 15 der
Kugelscheiben 14 sind parallel zur Rotationsachse 25 Rotorlagerung 22 ausgerichtet
und so horizontal (in dieser Darstellung in die Bildebene hinein) durch
den Ringspalt 26 zwischen Lagerbord 27 des Außenrings 28 und
der Rotorwelle 29 hindurch zwischen die Innen- und Außenlaufbahnen 23 und 24 zugeführt. Nach
dem Befüllen
werden die Kugelscheiben 14 gedreht. Der Füllgrad hängt nur
noch von der Summe der notwendigen Abstände B ab, welche die in die
Rotorlagerung 22 montierten Kugelscheiben 14 umfangsseitig
für den
Eingriff des Käfigs 30 voneinander
trennen. Der Käfig
wird zugeführt und
in die Rotorlagerung 22 eingesetzt (5). Wasserpumpenlager
sind demnach aufgrund der Erfindung symmetrisch mit Wälzkörpern befüllbar – d. h. beide
Reihen der Rotorlagerung können
die gleiche Anzahl an Wälzkörpern aufweisen.
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- 1
- Wasserpumpe
- 2
- Gehäuse
- 3
- Pumpenrad
- 4
- Antriebsriemenscheibe
- 5
- Antriebsflansch
- 6
- Rotorlagerung
- 7
- Rotorwelle
- 8
- Lagerring
- 9
- Innenlaufbahn
- 10
- Außenlaufbahn
- 11
- Lagerstellen
- 12
- Lagerstellen
- 12a
- Reihe
- 13
- Kugel
- 14
- Kugelscheiben
- 15
- Seitenfläche
- 16
- Ringfläche
- 17
- Rotationsachse
- 18
- Einstichpunkt
- 19
- Rotorlagerung.
- 20
- Lagerstellen
- 20a
- Reihe
- 21
- Käfig
- 22
- Rotorlagerung
- 23
- Laufbahn
- 24
- Laufbahn
- 25
- Rotationsachse
- 26
- Ringspalt
- 27
- Lagerbord
- 28
- Außenring
- 29
- Rotorwelle
- 30
- Käfig