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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen der Vorspannung eines Wälzlagers, wobei das Wälzlager zur drehbaren Lagerung eines ersten Bauteils in einem zweiten Bauteil zwischen den Bauteilen angeordnet ist, wobei das Wälzlager einen am ersten Bauteil angeordneten Lagerinnenring, einen am zweiten Bauteil angeordneten Lageraußenring und eine Mehrzahl von Wälzkörpern aufweist.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Wälzlagereinheit mit einstellbarer Vorspannung sowie einen Rundtisch und eine Spindel mit einer entsprechenden Wälzlagereinheit.
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Eine Wälzlagerung dient ganz allgemein zur möglichst reibungsarmen drehbaren Lagerung eines ersten Bauteils in einem zweiten Bauteil. Um eine möglichst spielfreie Lagerung zu gewährleisten, wird das Wälzlager üblicherweise mit einer Vorspannung versehen, d. h. der Innenring des Wälzlagers weist gegenüber dem ersten Bauteil ein Untermaß auf, während der Lageraußenring gegenüber dem zweiten Bauteil ein Übermaß aufweist.
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Die Montage des Lagers erfolgt dabei in geeigneter, aus dem Stand der Technik bekannter Weise, wie z. B. durch Aufschrumpfen und/oder Einpressen auf bzw. in das entsprechende Bauteil.
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Es ist folglich bereits aus dem Stand der Technik bekannt, ein Wälzlager mit einer gewünschten Vorspannung zu montieren.
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Während des Betriebs des Wälzlagers können sich jedoch durch eine Änderung der Vorspannung Probleme ergeben. Ist die Vorspannung zu gering gewählt, kann sie durch während des Betriebs auf die gelagerten Bauteile einwirkenden Kräfte reduziert oder sogar aufgehoben werden. Als Folge weisen die Bauteile ein axiales und/oder radiales Spiel auf. Ist die Vorspannung jedoch zu groß gewählt, kommt es beim Betrieb des Wälzlagers zu einer Überhitzung des Lagers, was zu einer weiter ansteigenden Lagerreibung und schließlich zum Versagen des Lagers führt.
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Besonders problematisch und schwer vorhersehbar sind Fälle, bei denen sich während des Betriebs des Wälzlagers der Lagerinnen- und der Lageraußenring auf verschiedene Temperaturen aufheizen oder abkühlen. Je nach Temperaturunterschied zwischen den Ringen kann es dabei sowohl zu einer Reduzierung als auch zu einer Erhöhung der Lagervorspannung kommen. Als Folge weist das Lager entweder ein unerwünschtes Axial- und/ oder Radialspiel oder eine erhöhte Lagerreibung auf, welche zum Ausfall der gesamten Maschine führen können.
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Eine schwankende, nicht vorhersagbare oder während des Betriebs nachlassende Führungsgenauigkeit von Wälzlagern ist insbesondere bei Maschinen zur Positionierung oder zur Bearbeitung von Werkstücken nicht tolerierbar. Dies betrifft unter anderem so genannte Rundtische, insbesondere Rundschalt- oder Rundlauftische, die ganz allgemein einen drehbar in einem Gehäuse gelagerten Teller aufweisen. Mit derartigen Rundtischen werden beispielsweise auf dem Teller angeordnete Werkstücke oder Werkzeuge positioniert oder auf dem Teller eingespannte Werkstücke in Rotation versetzt und einem Werkzeug zugeführt. Das elementare Bauteil eines Rundtisches ist dabei die Wälzlagerung des Tellers im Gehäuse. Bei Auftreten von Lagerspiel verschlechtert sich die Bearbeitungsgüte rapide, da der Teller bei Vorhandensein von Lagerspiel eine unerwünschte Kippbewegung gegen die Horizontale ausführen kann.
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Eine vergleichbare Situation findet man bei Spindeln, bei denen eine Spindelwelle drehbar in einem Gehäuse gelagert ist. Am Ende der Spindelwelle ist im Allgemeinen ein Werkzeug (beispielsweise ein Fräskopf) befestigbar. Beim Betrieb der Vorrichtung wirken nun einerseits schwankende und betragsmäßig hohe Kräfte auf die Lagerung der Spindelwelle ein, andererseits kommt es durch interne (z. B. Lagerreibung) oder externe Einflüsse zu wechselnden Temperaturbelastungen des verbauten Wälzlagers. Auch hier gilt es, das Auftreten von Lagerspiel genauso zu vermeiden wie eine übermäßige Erhöhung der Lagerreibung.
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Hieraus wird deutlich, dass das bekannte Verfahren zur Einstellung der Vorspannung eines Wälzlagers, nämlich die Vorspannung bei der Montage des Wälzlagers festzulegen, besonders nachteilig im Hinblick auf eine gleichbleibende Führungsgenauigkeit während des Betriebs der Vorrichtung ist. Des Weiteren ist das bekannte Verfahren nachteilig im Hinblick auf das Einwirken wechselnder Betriebszustände und Lagerkräfte und insgesamt die Langlebigkeit des Wälzlagers betreffend. Druckschriftlicher Stand der Technik im vorliegenden technischen Gebiet, ist in den Dokumenten
US 2 747 945 A ,
DE 38 26 945 A1 ,
GB 2 111 136 A und
EP 1 418 352 A1 offenbart.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einstellen der Vorspannung eines Wälzlagers anzugeben, das die Einstellung der Vorspannung abhängig vom jeweiligen Betriebszustand erlaubt.
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Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Wälzlagereinheit mit einstellbarer Vorspannung sowie einen Rundtisch und eine Spindel mit einer entsprechenden Wälzlagereinheit anzugeben.
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Im Hinblick auf ein Verfahren zum Einstellen der Vorspannung eines Wälzlagers ist die oben genannte Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach wird ein eingangs genanntes Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Temperatur zumindest eines Lagerrings unabhängig von der Temperatur des jeweils anderen Lagerrings geregelt wird.
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Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass mittels einer unabhängigen Regelung der Temperatur der beiden Lagerringe eine Veränderung der Vorspannung des Wälzlagers ausgeglichen bzw. rückgängig gemacht werden kann. Des Weiteren ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren im eingebauten Zustand die Einstellung einer beliebigen Vorspannung während des Betriebs des Wälzlagers, so dass jederzeit auf wechselnde Betriebszustände oder Temperatureinwirkungen auf das Wälzlager reagiert werden kann.
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In erfindungsgemäßer Weise ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren insbesondere, auf ein Betriebsverhalten zu reagieren, bei dem sich der eine Lagerring stärker erwärmt oder abkühlt als der andere Lagerring. Solch ein Betriebszustand ist bisher stets mit einer Änderung der Vorspannung des Wälzlagers verbunden gewesen, die jedoch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgleichbar ist. Neigt bei der betreffenden Wälzlagereinheit beispielsweise der Lageraußenring zu einer stärkeren Erwärmung als der Lagerinnenring, kann der Lageraußenring gezielt gekühlt werden und umgekehrt. So bleibt die vorher eingestellte bzw. gewünschte Vorspannung des Wälzlagers stets konstant.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind weder Einbußen bei der Führungsgenauigkeit des Wälzlagers noch eine Erhöhung der Lagerreibung durch eine zu hohe Vorspannung hinzunehmen.
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Folglich ist die oben aufgezeigte Aufgabe mit dem vorgeschlagenen Verfahren gelöst.
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Obwohl die Erfindung realisierbar ist, indem lediglich die Temperatur eines der beiden Lagerringe geregelt wird, wird erfindungsgemäß eine Ausführungsform offenbart, bei der sowohl die Temperatur des Lagerinnenrings als auch die Temperatur des Lageraußenrings unabhängig voneinander geregelt werden. Dies betrifft insbesondere Betriebszustände, bei denen sich beide Lagerringe erwärmen, jedoch auf jeweils unterschiedliche Temperaturen. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Temperatur beider Lagerringe gezielt geregelt werden, so dass die Vorspannung des Wälzlagers insgesamt gleich bleibt. Zur Temperaturmessung an den Lagerringen können bei allen Ausführungsformen der Erfindung Vorrichtungen gemäß Stand der Technik dienen, beispielsweise ein oder mehrere Thermoelemente und/oder ein oder mehrere Widerstandsthermometer, die in geeigneter Weise im jeweils benachbarten Bauteil in mittelbarem oder unmittelbarem Kontakt zum Lagerring positioniert werden können.
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Erfindungsgemäß wird die Temperatur beider Lagerringe so geregelt, dass die Vorspannung während des Betriebs des Wälzlagers konstant bleibt. Zur Temperaturüberwachung und - einstellung können dabei - wie auch bei allen anderen Ausführungsformen - Regelungsvorrichtungen gemäß Stand der Technik verwendet werden, welche mit der jeweils bevorzugten Kühl- oder Heizeinrichtung in geeigneter Weise korrespondieren können. Mit der vorgeschlagenen Regelung ist es ebenfalls möglich, während des Betriebs und im eingebauten Zustand des Wälzlagers eine beliebige Vorspannung einzustellen, nämlich durch gezieltes Erhitzen und/oder Abkühlen eines oder beider Lagerringe.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dem Lagerinnenring und dem Lageraußenring ein Kühl- oder Heizmedium zugeführt. Dabei kann es sich beispielsweise um Wasser, Öl, eine Emulsion aus Wasser und Öl, Luft, oder dergleichen handeln. Sofern lediglich eine Kühlung des betreffenden Lagerrings vorgesehen ist, bietet sich die Verwendung von Wasser oder Luft an.
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Erfindungsgemäß werden dem Lagerinnenring und dem Lageraußenring über separate Zuleitungen oder separate Kreisläufe jeweils ein Kühl- oder Heizmedium zugeführt.
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Des Weiteren ist die oben aufgezeigte Aufgabe in Bezug auf eine Wälzlagereinheit mit einstellbarer Vorspannung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst. Dieser Patentanspruch betrifft eine Wälzlagereinheit mit einstellbarer Vorspannung, mit einem ersten Bauteil, einem zweiten Bauteil und einem zwischen den Bauteilen angeordneten Wälzlager zur drehbaren Lagerung des ersten Bauteils in dem zweiten Bauteil, wobei das Wälzlager einen am ersten Bauteil angeordneten Lagerinnenring, einen am zweiten Bauteil angeordneten Lageraußenring und eine Mehrzahl von Wälzkörpern aufweist, und wobei die Temperatur beider Lagerringe unabhängig von der Temperatur des jeweils anderen Lagerrings regelbar ist.
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In erfindungsgemäßer Weise ermöglicht die vorgeschlagene Wälzlagereinheit die Einstellbarkeit der Vorspannung des Wälzlagers sowohl im eingebauten Zustand als auch während des Betriebs der gesamten Vorrichtung. Dazu ist vorgesehen, dass die Temperatur beider Lagerringe unabhängig von der Temperatur des jeweils anderen Lagerrings regelbar ist.
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In Bezug auf Vorteile, vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Wälzlagereinheit wird zunächst auch auf die Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
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In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wälzlagereinheit sind sowohl die Temperatur des Lagerinnenrings als auch die Temperatur des Lageraußenrings unabhängig voneinander regelbar.
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Im Allgemeinen wird eine Weiterbildung der Wälzlagereinheit bevorzugt, bei der dem Lagerinnenring und dem Lageraußenring ein Kühl- oder Heizmedium zuführbar ist.
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Erfindungsgemäß ist die Wälzlagereinheit so ausgestaltet, dass dem Lagerinnenring und dem Lageraußenring über separate Zuleitungen oder separate Kreisläufe jeweils ein Kühl- oder Heizmedium zuführbar ist.
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Dazu sind im ersten Bauteil ein oder mehrere Kanäle zum Zu- und Ableiten von Kühl- oder Heizmedium zum bzw. vom Lagerinnenring und im zweiten Bauteil ein oder mehrere Kanäle zum Zu- oder Ableiten von Kühl- oder Heizmedium zum bzw. vom Lageraußenring ausgeformt sein. Die Anzahl und der Durchmesser der Kanäle kann dabei unter Berücksichtigung des Wälzlagerdurchmessers, der ab- oder zuzuführenden Wärmemenge oder dem Erfordernis einer schnellen Temperatureinstellung gewählt werden.
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Erfindungsgemäß sind im ersten und im zweiten Bauteil ein dem Lagerinnenring bzw. dem Lageraußenring zumindest größtenteils umgebender Ringkanal ausgeformt, über den dem jeweiligen Lagerring Kühl- oder Heizmedium zugeführt werden kann. Der Ringkanal kann dabei einer nutähnlichen Vertiefung im Bauteil entsprechen, die direkt durch den anliegenden Lagerring begrenzt und abgedichtet wird. So kann eine vollständige Benetzung des jeweiligen Lagerrings mit Kühl- oder Heizmedium und damit eine gleichmäßige Temperatur über den gesamten Ringumfang eingestellt werden.
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Alternativ oder zusätzlich zur Ermöglichung einer Erhitzung bzw. Kühlung durch fluide Medien kann im Hinblick auf bestimmte Anwendungsfälle eine Wälzlagereinheit vorgesehen werden, bei der zumindest einem Lagerring eine Kühlvorrichtung, insbesondere eine Kältemaschine oder Peltier-Element, und/oder eine Heizvorrichtung, insbesondere eine elektrische Widerstandsheizung, und/oder eine Induktions-, Mikrowellen- oder Strahlungsheizung zugeordnet ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist das Wälzlager ein doppelreihiges Wälzlager auf. Ein doppelreihiges Wälzlager zeichnet sich durch eine hohe Belastbarkeit aus. Allerdings weisen die Lagerringe des doppelreihigen Wälzlagers im Allgemeinen eine vergleichsweise große Höhe auf, so dass die Wärmeabfuhr aufgrund der höheren Wärmekapazität bedingt durch das größere Lagervolumen schwierig ist. Bei der erfindungsgemäßen Wälzlagereinheit kann nunmehr bei der Auswahl des Wälzlagers eine Berücksichtigung der Erwärmungstendenz des jeweiligen Lagers außer Betracht bleiben, da die Vorspannung während des Betriebs einstellbar ist.
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Das Wälzlager innerhalb der Wälzlagereinheit kann als Schräg- oder Rillenkugellager, als Zylinderrollenlager, als Nadellager oder dergleichen ausgestaltet sein. Bei Schräglagern ist der Einfluss der Vorspannungsänderung bedingt durch unterschiedliche Erwärmung der Lagerringe besonders deutlich, da bei diesen Lagern die Änderung der radialen Abmessungen sowohl in einem Radial- als auch in einem Axialspiel resultiert. Die Führungsgenauigkeit ist folglich besonders mangelhaft. Die vorgeschlagene Wälzlagereinheit ist daher ganz besonders vorteilhaft, falls ein Schräglager vorgesehen ist. Dementsprechend ist auch das vorgeschlagene Verfahren besonders geeignet zum Einstellen der Vorspannung eines Schräglagers.
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Des Weiteren ist die oben aufgezeigte Aufgabe im Hinblick auf einen Rundtisch mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Mit diesem Patentanspruch wird ein Rundschalt- oder Rundlauftisch mit einer erfindungsgemäßen Wälzlagereinheit angegeben, wobei das erste Bauteil einen Teller und das zweite Bauteil ein Gehäuse aufweist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Rundtisch kann die Vorspannung des Wälzlagers stets so geregelt werden, dass weder ein radiales und/ oder axiales Spiel des Tellers mit einhergehender Bearbeitungs- oder Positionierungenauigkeit auftritt, noch dass eine erhöhte Lagerreibung zu befürchten ist. Damit ist ein Rundtisch für alle denkbaren Betriebszustände, d. h. für alle Belastungsfälle und alle denkbaren internen und/oder externen Temperatureinwirkungen angegeben.
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Schließlich ist die oben aufgezeigte Aufgabe in Bezug auf eine Spindel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Danach weist die Spindel eine erfindungsgemäße Wälzlagereinheit auf, wobei das erste Bauteil eine Spindelwelle und das zweite Bauteil ein Gehäuse aufweist. Dadurch wird eine Spindel bereitgestellt, die bei allen denkbaren Belastungs- und Hitzeeinwirkungen eine größtmögliche Positionier- und Bearbeitungsgenauigkeit verbunden mit einer langen Lebensdauer aufweist.
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In Bezug auf weitere Vorteile und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Rundtisches und der erfindungsgemäßen Spindel wird auch auf die Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Wälzlagereinheit verwiesen.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.
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Die einzige Fig. zeigt eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Wälzlagereinheit, welche konkret innerhalb eines erfindungsgemäßen Rundtisches dargestellt ist, und anhand derer auch das erfindungsgemäße Verfahren verdeutlicht wird.
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Ein erstes Bauteil 1 ist in einem zweiten Bauteil 2 drehbar gelagert, wozu zwischen den Bauteilen ein Wälzlager 3 angeordnet ist. Das Wälzlager 3 ist bei dieser Wälzlagereinheit als doppelreihiges Kugellager ausgeführt. Das Wälzlager 3 weist einen am ersten Bauteil 1 angeordneten Lagerinnenring 4 und einen am zweiten Bauteil 2 angeordneten Lageraußenring 5 auf. Zwischen den Lagerringen befinden sich eine Mehrzahl von doppelreihig angeordneten Wälzkörpern 6 .
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Bei der konkret dargestellten Vorrichtung ist die gezeigte Wälzlagereinheit Teil eines Rundtisches. Daher ist das erste Bauteil 1 als Teller 7 und das zweite Bauteil 2 als Gehäuse 8 ausgeformt.
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In erfindungsgemäßer Weise ist eine unabhängige Temperaturregelung der beiden Lagerringe dadurch ermöglicht, dass jedem Lagerring ein eigener Kreislauf zum Zu- und Ableiten von Kühl- oder Heizmedium zugeordnet ist. Dazu sind sowohl im ersten Bauteil 1 als auch im zweiten Bauteil 2 Kanäle 9 ausgeformt, durch die sich ein Kühl- oder Heizmedium zum jeweiligen Lagerring führen und ableiten lässt.
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Hier sind im Teller 7 sowohl eine Zuleitung 10 als auch eine Ableitung 11 für den Lagerinnenring 4 ausgeformt. In dieser Schnittansicht ist jeweils nur eine Zuleitung 10 bzw. Ableitung 11 sichtbar, es können über den Umfang des rotationssymmetrischen Tellers 7 jedoch mehrere solcher Leitungen angeordnet sein.
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Über die Zuleitung 10 kann dem Lagerinnenring 4 ein Kühl- oder Heizmedium zugeführt werden. Dazu mündet die Zuleitung 10 in einen Ringkanal 12 . Durch den inneren Ringkanal 12 kann der Lagerinnenring 4 an seinem gesamten Umfang mit Kühl- oder Heizmedium benetzt werden. Das Kühl- oder Heizmedium kann am Lagerinnenring 4 entlang fließen, bis es auf die innere Ableitung 11 trifft und in den Kreislauf des Kühl- bzw. Heizmediums zurückgeführt wird.
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In weiter erfindungsgemäßer Weise sind auch in dem zweiten Bauteil 2 , also dem Gehäuse 8 , eine äußere Zuleitung 13 und eine äußere Ableitung 14 ausgeformt, mit denen sich dem Lageraußenring 5 ein Kühl- oder Heizmedium zuführen lässt. Auch die äußere Zuleitung 13 mündet in einen Ringkanal 15 , wodurch der Lageraußenring 5 vollständig mit dem Kühl- oder Heizmedium benetzbar ist.
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Anstelle eines Ringkanals 12 , 15 können über den Umfang des jeweiligen Bauteils verteilt auch mehrere Benetzungspunkte des Kühl- oder Heizmediums mit dem jeweiligen Lagerring vorgesehen werden. Des Weiteren ist es möglich, die Ringkanäle 12 , 15 in das jeweilige Bauteil zurück zu versetzen, so dass der Lagerring nicht direkt mit dem Ringkanal in Berührung kommt. Dadurch wäre ein verbesserter Lagersitz realisiert, es müsste allerdings eine verschlechterte Wärmeübertragung in Kauf genommen werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie den erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist eine völlig unabhängige Temperaturregelung der beiden Lagerringe erreicht. So kann bei beliebigen Betriebszuständen, Belastungen und Wärmeeinwirkungen die gewünschte Lagervorspannung konstant gehalten oder jederzeit eine beliebige Lagervorspannung eingestellt werden.
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Die Temperaturüberwachung der Lagerringe, die Temperierung des Kühl-oder Heizmediums sowie die Regelung der Kühl- oder Heizmediumzufuhr sind hier nicht dargestellt, da dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt.
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Abschließend sei hervorgehoben, dass das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel die beanspruchte Lehre erörtert, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.
