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Die Erfindung betrifft ein Lager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein derartiges hydrostatisches Lager.
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Hydrostatische sowie hydrodynamische Lager sind seit langem bekannt. Ein gattungsgemäßes hydrostatisches Lager, in Form eines Schwenklagers, ist beispielsweise in der
DE 10 2006 029 255 B4 beschrieben.
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Insbesondere bei bekannten hydrostatischen Lagern wird eine Zentrierung einer gelagerten Welle durch gegenüberliegende Drucktaschen bewirkt oder durch die Betriebskräfte im Zusammenspiel mit dem Lager erreicht. Bei Radiallagern wird eine gelagerte Welle üblicherweise durch eine Mehrzahl von Drucktaschen und die hieraus entstehenden Kräfte zentriert. Ein wesentlicher Vorteil hydrostatischer und hydrodynamischer Lager gegenüber Wälzlagern besteht in der sich stark nichtlinear verändernden Kraft bei einer Dezentrierung einer gelagerten Welle, woraus eine große Steifigkeit des Lagers folgt.
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Bei bekannten hydrostatischen Axiallagern ist eine Gegenkraft zur hydrostatisch erzeugten Kraft erforderlich. So werden Axiallager gegeneinander angestellt, oder ein Axiallager wirkt gegen die Schwerkraft. Gegebenenfalls wirkt ein Axiallager gegen eine Betriebskraft, z. B. einen Propellerschub. Gegen ein zweites Lager anstellen zu müssen, kann jedoch nachteilig sein.
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Bei hydrostatischen Schwenklagern mit Gelenkkugeln für drei Rotationsfreiheitsgrade sind einander gegenüberliegende Drucktaschen erforderlich. Dadurch ist, wie beispielsweise aus der
DE 10 2006 029 255 B4 ersichtlich ist, der Schwenkwinkel eingeschränkt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Lager zur Verfügung zu stellen, bei dem eine Vorspannung des Lagers durch ein zweites, gegengestelltes Lager, eine Betriebskraft oder die Schwerkraft nicht erforderlich ist.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Das Lager weist eine Lauffläche auf. Diese ist so ausgebildet, dass sie, wenn das Lager in Betrieb ist, von einem Fluid bedeckt ist, das unter Druck steht und über mindestens eine Zuführöffnung in der Lauffläche dieser zugeführt worden ist. Bei dem Fluid, das im folgenden auch als ”Druckfluid” bezeichnet wird, kann es sich um einen Schmierstoff handeln, wie insbesondere ein Öl. Im Falle eines hydrostatischen Lagers ist das Fluid druckbeaufschlagt.
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Dadurch dass das Fluid unter Druck steht, entsteht zwischen der Oberfläche eines durch das Lager aufgenommenen Bauteils und der Lauffläche des Lagers ein tragender Fluidfilm, indem durch das Druckfluid Kräfte auf das Bauteil ausgeübt werden. Das Lager weist mindestens einen Magneten auf, der so angeordnet ist, dass er auf das gelagerte Bauteil, welches erfindungsgemäß ferromagnetisch ist, eine magnetische Kraft ausübt. Diese ist den Kräften überlagert, die durch das Druckfluid auf das Bauteil wirken. Die Magnetkraft und die Steifigkeit des Lagers werden vorzugsweise geeignet aufeinander abgestimmt.
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Aufgrund der magnetischen Vorspannung sind erfindungsgemäße Lager in Form von Axiallagern nicht auf eine Vorspannung durch ein zweites, gegengestelltes Lager, eine Betriebskraft oder die Schwerkraft als Gegenkraft angewiesen. Gleiches gilt für Lager mit einer darin gelagerten konischen Welle, welche radiale und axiale Kräfte aufnehmen können.
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Die ein oder mehreren Zuführöffnungen können durch eine jeweilige Drucktasche gegeben sein. Zur Versorgung der Drucktaschen mit Druckfluid strömt das Fluid unter Druck über Zuführungskanäle, die einen gegenüber den Drucktaschen kleineren Querschnitt aufweisen, in die Drucktaschen. Bei den Zuführungskanälen kann es sich um Drosselbohrungen handeln. In solchen Drosselbohrungen verändert sich der Druckabfall bei einer Veränderung eines durch den Fluiddruck entstandenen Lagerspaltes zwischen dem gelagertem Bauteil und der Lagerlauffläche aufgrund eines relativ geringen Querschnitts der Drosselbohrung relativ stark. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass weniger Drucktaschen erforderlich sind, gegebenenfalls nur eine. So müssen bei einem erfindungsgemäßen Schwenklager mit einer Gelenkkugel bzw. einem ähnlichen Gelenkinnenkörper keine gegenüberliegenden Drucktaschen vorgesehen sein.
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In einem Lager mit Drucktaschen und Drosselbohrungen kann sich ein Druckgleichgewicht ausbilden, da der Fluiddruck zum Teil in den Drosselbohrungen und zum Teil in dem Lagerspalt abfällt. Ein größerer Lagerspalt führt zu einem größeren Volumenstrom, mit dem das Druckfluid durch den Lagerspalt nach außen abströmt. Dadurch wird wiederum ein größerer Druckabfall in den Drosselbohrungen bewirkt, so dass der Druck in den Drucktaschen abfällt und der Lagerspalt sich verringert. Ein engerer Lagerspalt führt zu einem kleineren Volumenstrom und damit zu einem geringeren Druckabfall in den Drosselbohrungen, so dass der Druck in den Drucktaschen ansteigt und der Lagerspalt sich erweitert.
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Die Druckbeaufschlagung der verschiedenen Drucktaschen kann unterschiedlich sein. Anstelle, gegebenenfalls aber auch zusätzlich zu der Zuführung des Druckfluids durch Drosselbohrungen kann auch eine Zuführung des Druckfluids in die jeweilige Drucktasche mit einem vorbestimmten Druck mittels einer Drucksteuerungseinrichtung vorgesehen sein. Damit ist der Vorteil verbunden, dass die örtliche Position des gelagerten Bauteils gesteuert verändert werden kann.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Drucksteuerungseinrichtung so ausgelegt ist, dass mit ihr der Druck des Fluids so gesteuert werden kann, dass eine Bewegung des gelagerten Bauteils innerhalb des Lagers erzeugt wird.
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Bei dem mindestens einen Magneten kann es sich um einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten handeln. Auch eine Kombination aus einem Permant- und einem Elektromagneten ist möglich. Der Vorteil eines Permanentmagneten besteht in einer Energieersparnis. Ein Elektromagnet ermöglicht eine sehr feine Regelung des Lagerspaltes und damit eine hohe Genauigkeit, was insbesondere in Werkzeugmaschinen vorteilhaft ist. Eine Magnetausführung mit einem Permanentmagneten und einem überlagerten, elektrisch erzeugten Magnetfeld kann Energie einsparen und gleichzeitig eine Regelung des Lagerspaltes ermöglichen.
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Vorzugsweise weist das Lager eine Einrichtung zur Steuerung des der magnetischen Kraft zugrunde liegenden Magnetfeldes hinsichtlich der Stärke auf. Dadurch ist es möglich, die magnetische Kraft nach Bedarf zu variieren. Insbesondere ist es auf diese Weise möglich, den Lagerspalt zwischen der Lauffläche und dem gelagerten Bauteil auf einen gewünschten Wert einzustellen. Insbesondere kann die Magnetfeldsteuerungseinrichtung so ausgelegt sein, dass durch sie die magnetische Kraft so gesteuert werden kann, dass innerhalb des Lagers eine vorbestimmte Bewegung des gelagerten Bauteils erzeugt wird. Eine solche Bewegung kann in sehr kurzer Zeit erfolgen, in der Regel schneller als durch eine Änderung des Fluiddrucks.
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Entsprechend können auch die Drucksteuerungseinrichtung und die Magnetfeldsteuerungseinrichtung so ausgelegt sein, dass in Kombination der Druck des Fluids und die magnetische Kraft so gesteuert werden, dass innerhalb des Lagers eine vorbestimmte Bewegung des gelagerten Bauteils erzeugt wird.
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Insbesondere können die Magnetfeldsteuerungseinrichtung und/oder die Drucksteuerungseinrichtung auch so ausgelegt sein, dass sie eine Regelung einer örtlichen Position des gelagerten Bauteils innerhalb des Lagers durch eine Veränderung des Magnetfeldes bzw. des Fluiddruckes ermöglichen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Lager kann es sich insbesondere um ein Radiallager, ein Axiallager, ein Schwenklager mit einem Gelenkinnenkörper, ein konisches Lager oder ein zur Führung eines Bauteils dienendes Linearführungslager handeln. Auch Lager-Sonderausführungen, wie Axial- und Radialkippsegmentlager, bei denen eine Wellenbiegung zulässig ist, können erfindungsgemäß vorgesehen sein. Bei einem erfindungsgemäßen Schwenklager mit einer Gelenkkugel bzw. einem ähnlichen Gelenkinnenkörper ist insbesondere ein Vorteil, dass ein im Vergleich zu herkömmlichen Schwenklagern größerer Schwenkwinkel möglich ist, weil die sonst nötigen oberen Drucktaschen entfallen können. Bei entsprechender Ausführung des magnetisch vorgespannten, hydrostatisch gelagerten Gelenkinnenkörpers sind Schwenkwinkel über 180° umlaufend möglich.
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Es können mehrere erfindungsgemäße Schwenklager vorgesehen sein, die als Gelenkinnenkörper einen gemeinsamen Körper mit einer gewölbten Lauffläche aufwiesen, auf der die Lager in Form einer Gelenkschale laufen. Dies kann deshalb von Vorteil sein, weil auf diese Weise die Lager einen gemeinsamen Drehpunkt besitzen können. Bei dem Gelenkinnenkörper kann es sich insbesondere um eine Gelenkkugel handeln.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von drei Ausführungsbeispielen und im Zusammenhang mit Stand der Technik näher erläutert, wobei auf die Figuren Bezug genommen wird. Es zeigen:
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1a eine Draufsicht auf ein herkömmliches hydrostatisches Radiallager und eine durch dieses gelagerte Welle, die nur teilweise dargestellt ist,
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1b die Schnittansicht gemäß Linie Ib in 1a,
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1c die Schnittansicht gemäß Linie Ic in 1a,
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2a ein hydrostatisches Radiallager, das erfindungsgemäß ist und ansonsten dem Lager gemäß 1a entspricht, wobei eine durch das Lager aufzunehmende Welle nicht dargestellt ist,
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2b die Schnittansicht gemäß Linie IIb in 2a,
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2c die Schnittansicht gemäß Linie IIc in 2a,
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3 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen hydrostatischen Axiallagers mit einer durch dieses gelagerten Welle, die nur teilweise dargestellt ist,
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4 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen hydrostatischen Schwenklagers und eine durch dieses gelagerte Gelenkkugel mit einem teilweise gezeigten Schwenkarm.
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1a zeigt einen Abschnitt einer Welle 1, die durch ein Radiallager 2 gelagert ist. Wie aus 1b ersichtlich ist, weist das Radiallager 2 ein Reihe von symmetrisch an einer Lauffläche 3 des Radiallagers 2 angeordneten Drucktaschen 4 auf, die in Fluidverbindung mit jeweils einer Drosselbohrung 5 stehen. Die Drucktaschen 4 werden durch die Drosselbohrungen 5 hindurch mit einem Fluid (nicht gezeigt) versorgt, wobei das Fluid unter Druck durch die Drosselbohrungen 5 strömt. Durch den Fluiddruck wird die Welle 1 in einem Abstand zu der Lauffläche 3 gehalten, so dass der gezeigte Lagerspalt 7 entsteht. Dabei stellt sich ein Gleichgewicht ein, da der Fluiddruck zum Teil in den Drosselbohrungen 5 und zum Teil in dem Lagerspalt 7 abfällt. Ein größer werdender Lagerspalt 7 führt zu einem größeren Fluid-Volumenstrom, welcher wiederum einen größeren Druckabfall in den Drosselbohrungen 5 bedingt. Dadurch fällt der Druck in den Drucktaschen 4 ab, wodurch sich der Lagerspalt 7 verringert. Ein engerer Lagerspalt 7 führt zu einem kleineren Fluid-Volumenstrom, welcher wiederum einen geringeren Druckabfall in den Drosselbohrungen 5 bedingt. Dadurch steigt der Druck in den Drucktaschen 4 an und der Lagerspalt 7 erweitert sich. Somit wird die Welle 1 zentriert innerhalb der Lauffläche 3 des Radiallagers 2 gehalten. Das Druckfluid strömt an beiden Seiten des Lagers 2 nach außen ab.
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In allen Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das erfindungsgemäße Radiallager gemäß den 2a bis 2c ist mit dem Bezugszeichen 2' bezeichnet und weist zusätzlich zu dem herkömmlichen Radiallager 2 einen Elektromagneten 10 auf. Dieser besitzt eine elektrische Leiterwicklung 11, die um ein an der Lauffläche 3 der Lagerbuchse 6 angebrachtes Polgehäuse 13 herum angeordnet ist. Das Polgehäuse 13 ist aus ferromagnetischem Material hergestellt und kann auch als Kern des Elektromagneten bezeichnet werden. Der Elektromagnet 10 übt eine magnetische Anziehungskraft auf eine (nicht gezeigte) zu lagernde Welle aus Stahl aus. Abgesehen von dem Elektromagneten 10 ist das Lager 2' ansonsten aus nicht-ferromagnetischem Material gefertigt. Im Unterschied zu dem herkömmlichen Radiallager 2 besitzt das Radiallager 2' eine Ringnut 14, in der die Bohrungen 5 angeordnet sind, und eine Längsnut 15, in der die Leiterwicklung 11 liegt. Der Elektromagnet 10 kann mit einer Magnetfeldsteuerungseinrichtung (nicht gezeigt) verbunden sein, welche zur Einstellung der gewünschten magnetischen Anziehungskraft oder auch zu einer Regelung der örtlichen Position einer gelagerten Welle dienen kann. Abgesehen von den hier aufgeführten Unterschieden entspricht das Radiallager 2' dem herkömmlichen Radiallager 2.
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Das erfindungsgemäße Axiallager gemäß 3 ist mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet. Auf einer Kreislinie einer Stirnfläche 23 des Axiallagers 22 sind mehrere Drucktaschen 24 angeordnet, die mit Drosselbohrungen 25 in Fluidverbindung stehen. Die Drosselbohrungen 25 stehen wiederum in Fluidverbindung mit einem Ringspalt 26. In der Mitte des Axiallagers 22 ist ein Permanentmagnet 31 innerhalb eines Polgehäuses 32 aus ferromagnetischem Material angeordnet. Das Lager 22 ist ansonsten aus nicht-ferromagnetischem Material gefertigt. In dem Polgehäuse 32 befindet sich eine Zuführung 34 für das Druckfluid.
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Die Funktion des Axiallagers 22 ist derartig, dass das Fluid unter Druck in die Zuführung 34 strömt und durch den Ringspalt 26 zu den Drosselbohrungen 25 verteilt wird. Über das Polgehäuse 32 laufen die magnetischen Feldlinien in die ebenfalls ferromagnetische Welle 1. Dadurch ziehen der Permanentmagnet 31 und das Polgehäuse 32 die Welle 1 an, so dass diese zunächst auf der Stirnfläche 23 aufliegt. Dann wird Fluid durch die Zuführung 34 mit einem bestimmten Druck zugeführt. Das Druckfluid strömt durch den Ringspalt 26 und die Drosselbohrungen 25 in die Drucktaschen 24. Durch den Fluiddruck wird die Welle 1 von der Stirnfläche 23 abgehoben. Das Druckfluid strömt durch einen sich einstellenden Lagerspalt 35 nach außen ab.
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Es bildet sich ein Gleichgewicht aus, da der Druck des Fluids zum Teil in den Drosselbohrungen 25 und zum Teil in dem Lagerspalt 35 abfällt. Ein größer werdender Lagerspalt 35 führt zu einem größeren Fluid-Volumenstrom, welcher wiederum einen größeren Druckabfall in den Drosselbohrungen 25 bedingt. Der Druck in den Drucktaschen 24 fällt dadurch ab, und der Lagerspalt 35 verringert sich. Ein engerer Lagerspalt 35 führt zu einem kleineren Fluid-Volumenstrom, welcher wiederum einen geringeren Druckabfall in den Drosselbohrungen 25 bedingt. Dadurch steigt der Druck in den Drucktaschen 24 an, und der Lagerspalt 35 erweitert sich.
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Die von dem Permanentmagneten 31 ausgehende magnetische Kraft spannt das Axiallager 22 vor. Die Magnetkraft und die Steifigkeit des hydrostatischen Axiallagers 22 werden erfindungsgemäß geeignet aufeinander abgestimmt.
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Das erfindungsgemäße Schwenklager gemäß 4 ist mit dem Bezugszeichen 42 bezeichnet. Auf einer Kreislinie einer durch eine Gelenkschale 41 gebildeten Kugelfläche 43 des Schwenklagers 42 sind mehrere Drucktaschen 44 angeordnet, die mit Drosselbohrungen 45 in Fluidverbindung stehen. Die Drosselbohrungen 45 stehen wiederum in Fluidverbindung mit einem Ringspalt 46.
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In der Mitte des Schwenklagers 42 ist ein Permanentmagnet 51 innerhalb eines Polgehäuses 52 aus ferrromagnetischem Material angeordnet. Das Lager 42 ist ansonsten aus nicht-ferromagnetischem Material gefertigt. In dem Polgehäuse 53 befindet sich eine Zuführung 54 für das Druckfluid. Ferner befindet sich in dem Polgehäuse 52 eine Leckbohrung 55.
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Über das Polgehäuse 32 laufen die magnetischen Feldlinien in eine gelagerte, ebenfalls ferromagnetische Gelenkkugel 57, welche mit einem Schwenkarm 58 verbunden ist.
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Dem Schwenklager 42 liegt folgende Funktion zugrunde: Der Permanentmagnet 51 und das Polgehäuse 52 ziehen die Gelenkkugel 57 so an, dass diese zunächst auf dem Schwenklager 42 aufliegt. Fluid wird durch die Zuführung 54 mit einem bestimmten Druck zugeführt. Das Druckfluid strömt durch den Ringspalt 46 und die Drosselbohrungen 45 in die Drucktaschen 44. Durch den Fluiddruck wird die Gelenkkugel 57 vom Schwenklager 42 abgehoben. Das Druckfluid strömt durch einen sich einstellenden Lagerspalt (nicht gezeigt) nach außen und in die Lagermitte durch die Leckbohrung 55 ab. Es bildet sich ein Gleichgewicht aus, da der Druck des Fluids zum Teil in den Drosselbohrungen 45 und zum Teil in dem Lagerspalt abfällt. Ein größerer Lagerspalt führt zu einem größeren Fluid-Volumenstrom, welcher wiederum einen größeren Druckabfall in den Drosselbohrungen 45 bedingt. Der Druck in den Drucktaschen 44 fällt ab, und der Lagerspalt verringert sich. Ein engerer Lagerspalt führt zu einem kleineren Fluid-Volumenstrom, welcher wiederum einen geringeren Druckabfall in den Drosselbohrungen 45 bedingt. Der Druck in den Drucktaschen 44 steigt an, und der Lagerspalt erweitert sich. Die von dem Permanentmagneten 51 ausgehende Magnetkraft spannt das Schwenklager 42 vor. Die Magnetkraft und die Steifigkeit des hydrostatischen Schwenklagers 42 werden erfindungsgemäß geeignet aufeinander abgestimmt. Ein wesentlicher Vorteil dieses erfindungsgemäßen Schwenklagers ist die Möglichkeit, einen Schwenkwinkel von über 180° zu erreichen, nämlich zum Beispiel 210°, bei einem Drehwinkel von 360° um eine in der Zeichenebene liegende Drehachse.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Welle
- 2, 2'
- Radiallager
- 3
- Lauffläche
- 4
- Drucktaschen
- 5
- Drosselbohrungen
- 6
- Lagerbuchse
- 7
- Lagerspalt
- 10
- Elektromagnet
- 11
- elektrische Leiterwicklung
- 13
- Polgehäuse
- 14
- Ringnut
- 15
- Längsnut
- 22
- Axiallager
- 23
- Stirnfläche
- 24
- Drucktaschen
- 25
- Drosselbohrungen
- 26
- Ringspalt
- 31
- Permanentmagnet
- 32
- Polgehäuse
- 34
- Zuführung
- 35
- Lagerspalt
- 41
- Gelenkschale
- 42
- Schwenklager
- 43
- Kugelfläche
- 44
- Drucktaschen
- 45
- Drosselbohrungen
- 46
- Ringspalt
- 51
- Permanentmagnet
- 52
- Polgehäuse
- 54
- Zuführung
- 55
- Leckbohrung
- 57
- Gelenkkugel
- 58
- Schwenkarm
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006029255 B4 [0002, 0005]
