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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein mehrreihiges Wälzlager, umfassend einen Außenring, einen Innenring sowie ein Vielzahl von in mindestens zwei Lagerreihen zwischen dem Außenring und dem Innenring um eine Lagerachse abwälzende Wälzkörper, wobei der Außenring eine zumindest abschnittsweise sphärische Außenoberfläche aufweist, die mit einer zumindest abschnittsweise sphärischen Innenoberfläche eines Gehäuses zusammenwirken kann oder zusammenwirkt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Rotorlagerung einer Windkraftanlage, umfassend ein derartiges, mehrreihiges Wälzlager.
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Hintergrund der Erfindung
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Rotorlagerungen sind in der Regel in einem Einzelgehäuse untergebracht und umfassen z. B. zwei durch Wälzlager gebildete, winkeleinstellbare Rotorlager, um Winkelfehler der zu lagernden Maschinenelemente zueinander (z. B. Rotorwelle gegenüber Maschinengehäuse) ausgleichen zu können. Typische Rotorlagerungen von Windkraftanlagen umfassen sogenannte Großwälzlager als Rotorlager. Bei Großwälzlagern beträgt ein Bohrungsdurchmesser, d. h. ein freier Mittendurchmesser eines Innenringes, 600 mm und mehr. Rotorlager moderner Windkraftanlagen, deren Leistung im Bereich von z. B. 1,5 bis 7 Megawatt liegt, weisen einen Bohrungsdurchmesser von z. B. ca. 600 bis 1800 mm auf.
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Oftmals werden zweireihige Pendelrollenlager, d. h. Radialpendelrollenlager bei radialen Lagerungen von Maschinenteilen, als winkeleinstellbare Wälzlager eingesetzt, da diese auch relativ hohe axiale Belastungen aufnehmen können.
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Bekanntermaßen können Lagerungen von Maschinenelementen mittels einer Festlagerstelle und einer Loslagerstelle bewerkstelligt werden. Während die Loslagerstelle nur radiale Belastungen aufnimmt, dient die Festlagerstelle dazu, neben den radialen auch die axialen Belastungen aufzunehmen, um somit die Maschinenelemente gegeneinander axial genau zu führen. Das heißt, die Festlagerstelle soll axiale Verschiebungen zwischen den zu lagernden Maschinenelementen soweit wie möglich und erforderlich verhindern.
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Es ist bekannt, zweireihige Radialpendelrollenlager als winkeleinstellbare Festlager einzusetzen, z. B. auch als Rotorlager. Radialpendelrollenlager benötigen jedoch stets ein gewisses Maß an Radialspiel, damit sich die in der Lastzone möglicherweise leicht schräggestellten Tonnenrollen in der lastfreien Zone wieder neu ausrichten können und somit die Tonnenrollen kinematisch in der Lastzone wieder gut abwälzen können. Dieses Radialspiel erzeugt Bauartbedingt bei Radialpendelrollenlagern ein Axialspiel, welches in der Regel ein mehrfaches des Radialspieles ausmacht. Eine präzise axiale Führung der zu lagernden Bauteile ist somit nur schwer möglich. Ein zweireihiges Radialpendelrollenlager ist daher nur bedingt als sehr eng führendes Festlager einsetzbar. Dennoch als Festlager verwendete zweireihige Radialpendelrollenlager können aufgrund des vorhandenen Axialspieles und der daraus resultierenden axialen Verschiebung der Tonnenrollen im Betrieb (z. B. bei schwellender axialer Belastung) Beschädigungen der Laufbahnen nach sich ziehen. Speziell beim Einsatz von zweireihigen Pendelrollenlagern in Rotorlagerungen von Windkraftanlagen wird überdies beobachtet, dass im Betrieb eine der beiden Lagerreihen, aufgrund der stets frontal auf den Rotor wirkenden Windkraft, im Betrieb stärker belastet ist als die andere Lagerreihe.
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Bekanntermaßen können winkeleinstellbare Festlager, beispielsweise in Schiffsantrieben, durch eine Kombination eines zweireihigen Radialpendelrollenlagers mit einem oder zwei Axialpendelrollenlagern gebildet werden. Das Radialpendelrollenlager dient zur Aufnahme der radialen Belastungen, während das Axialpendelrollenlager hingegen nur Axialbelastungen aufnehmen darf und axiale Verschiebungen der zu lagernden Bauteile verhindert. Das Radialpendelrollenlager und das Axialpendelrollenlager besitzen dabei einen gemeinsamen Drehpunkt, um die Winkeleinstellbarkeit der gesamten Lagerung zu gewährleisten. Das zusätzliche Axialpendelrollenlager verbreitert jedoch das Festlager insgesamt deutlich und erhöht die Kosten der Lagerung.
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Aus der
DE 10 2006 028 200 A1 ist ein zweireihiges Rollenwälzlager bekannt, umfassend einen Außenring, einen Innenring sowie ein Vielzahl von in mindestens zwei Lagerreihen zwischen dem Außenring und dem Innenring um eine Lagerachse abwälzende Rollen, wobei der Außenring eine zumindest abschnittsweise sphärische Außenoberfläche aufweist, die mit einer zumindest abschnittsweise sphärischen Innenoberfläche eines Gehäuses zusammenwirken kann oder zusammenwirkt. Das als Rotorlager einer Windkraftanlage vorgeschlagene Rollenwälzlager der
DE 10 2006 028 200 A1 wird durch zwei Kegelrollenlagerreihen oder zwei Zylinderrollenlagerreihen gebildet.
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Es ist bekannt in Werkzeugmaschinen, z. B. zur Lagerung der Spindel, Vierpunktlager einzusetzen, um sowohl radiale als auch axiale Kräfte aufnehmen zu können und auch hier ist eine Winkeleinstellbarkeit der Lagerung wünschenswert. So ist aus der
US 190,375 ein zweireihiges Vierpunktlager für sehr schnell drehende Wellen bekannt, dessen Außenring eine zumindest abschnittsweise sphärische Außenoberfläche aufweist, die mit einer zumindest abschnittsweise sphärischen Innenoberfläche eines Gehäuses zusammenwirkt.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten, mehrreihigen Wälzlagern, die eine Winkeleinstellbarkeit ermöglichen, ist, dass diese Wälzlager zwar die z. B. bei Rotorlagern auftretenden radialen und axialen Belastungen aufnehmen können, jedoch konstruktionsbedingt sehr groß bauen, ein hohes Gewicht aufweisen und aufwendig und teuer zu fertigen sind. Der Einsatz der bekannten mehrreihigen Wälzlager als Festlager im Rahmen eines Großwälzlagers ist daher nur bedingt möglich.
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Aufgabe der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein gattungsgemäßes mehrreihiges Wälzlager zu schaffen, welches geeignet ist, eine Festlagerstelle insbesondere eines Großwälzlagers auszubilden und dabei sowohl radiale Belastungen als auch axiale Belastungen in zumindest einer Axialrichtung über eine lange Lebensdauer aufzunehmen und welches einen kompakten und damit leichten und kostengünstigen Aufbau aufweist, um insbesondere als Rotorlagerung eingesetzt zu werden sowie eine entsprechende Rotorlagerung anzugeben.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein mehrreihiges Wälzlager sowie eine Rotorlagerung gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Demzufolge ist ein gattungsgemäßes mehrreihiges Wälzlager dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Lagerreihe durch eine Schrägkugellagerreihe gebildet wird.
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Erfindungsgemäß kann durch die Schrägkugellagerreihe auf sehr einfache und kostengünstige Weise eine Übertragung von axialen und radialen Kräften erfolgen. Gegenüber den bekannten Rollenlagerreihen in gattungsgemäßen Wälzlagern wird weiterhin eine bessere Kinematik, d. h. insbesondere weniger Reibung und eine axial engere Führung einer Welle (z. B. Rotorwelle), ermöglicht.
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Das erfindungsgemäße mehrreihige Wälzlager kann aus zwei oder mehreren Lagerreihen bestehen.
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Das Zusammenwirken der zumindest abschnittsweise sphärischen Außenoberfläche des Außenringes und der zumindest abschnittsweise sphärischen Innenoberfläche des Gehäuses erfolgt, indem beide sphärischen Oberflächen eine aufeinander abgestimmte Krümmung aufweisen. Bevorzugt wird der Außenring mit sehr geringem Spiel bis spielfrei in das Gehäuse eingepasst.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das mehrreihige Wälzlager genau zwei Lagerreihen aufweist und dass die zwei Lagerreihen durch Schrägkugellagerreihen gebildet werden. Das komplette Wälzlager umfasst somit nur Schrägkugellagerreihen und ist damit besonders kostengünstig herzustellen. Die Größe der Kugeln der Schrägkugellagerreihen, die Wahl des Druckwinkels jeder der zwei Schrägkugellagerreihen sowie die Anstellung der zwei Schrägkugellagerreihen (z. B. O-Anordnung der zwei Lagerreihen) kann je nach Anwendungsfall gewählt werden.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das mehrreihige Wälzlager genau zwei Lagerreihen aufweist und dass die zwei Lagerreihen durch eine Schrägkugellagerreihe und eine Kegelrollenlagerreihe gebildet werden. Gegenüber dem Stand der Technik wird weiterhin, eine vereinfachte Bauweise erreicht; die Kegelrollenlagerreihe ermöglicht jedoch eine gezielte Erhöhung der zu übertragenden maximalen Radial- und Axialkräfte. Durch den asymmetrischen Aufbau hinsichtlich der Lagerreihen, eignet sich das Wälzlager dieser Ausführungsform ideal für Anwendungen mit axial asymmetrischen Belastungen, wie z. B. den Einsatz in einer Rotorlagerung einer Windkraftanlage.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das mehrreihige Wälzlager genau drei Lagerreihen aufweist und dass die drei Lagerreihen durch zwei Schrägkugellagerreihen sowie eine axial dazwischen angeordnete Zylinderrollenlagerreihe gebildet werden. Diese Ausführungsform ermöglicht eine hohe Übertragung von radialen Kräften, nämlich durch die dafür eigens vorgesehene, axial mittig angeordnete Zylinderrollenlagerreihe. Die Zylinderrollenlagerreihe kann einen separaten Innenring aufweisen. Die zwei Schrägkugellagerreihen sind somit vornehmlich zur Übertragung von Axialkräften vorgesehen. Entsprechend kann vorgesehen werden, dass die Schrägkugellagerreihen in O-Anordnung angeordnet sind und dass Druckwinkel der Schrägkugellagerreihen im Bereich von 35 bis 55 Grad liegen. Derart hohe Druckwinkel bewirken eine Lastverteilung innerhalb der drei Lagerreihen dahingehend, dass die Zylinderrollenlagerreihe einen größeren Anteil der radialen Kräfte übernimmt. Der Druckwinkel beschreibt den Winkel der Drucklinie mit einer senkrecht zur Lagerachse stehenden Ebene.
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Neben diesen beschriebenen Ausführungsformen betreffend die Anzahl und Art der Lagerreihen sind natürlich auch weitere Kombinationen denkbar und durch die vorliegende Erfindung umfasst. So wäre z. B. denkbar genau drei Lagerreihen vorzusehen, nämlich zwei Schrägkugellagerreihen sowie eine axial dazwischen angeordnete Rillenkugellagerreihe.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass in einem Axialschnitt dargestellte Drucklinien der mindestens zwei Lagerreihen axial symmetrisch oder axial asymmetrisch angeordnet sind. Eine axial asymmetrische Anordnung bedeutet, dass die dargestellten Drucklinien bezüglich keiner senkrecht zur Lagerachse stehenden Ebene spiegelbildlich angeordnet werden können. Hierdurch kann das Wälzlager auf asymmetrische axiale Belastungen hin optimiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwei Lagerreihen durch Schrägkugellagerreihen gebildet werden, wobei Kugeln einer ersten Schrägkugellagerreihe einen größeren Durchmesser aufweisen als Kugeln einer zweiten Schrägkugellagerreihe. Die Wahl unterschiedlicher Durchmesser erlaubt ebenfalls eine gezielte Anpassung an asymmetrische axiale Belastungen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Außenring einteilig ausgebildet ist. Dadurch werden axiale Bewegungen der Welle weiter eingeschränkt.
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Denkbar ist, auf der Außenoberfläche des Außenringes oder in die Bohrung vom Gehäuse oder auf beide Flächen eine Beschichtung aufzubringen, mit dem Ziel die Reibung zwischen Außenring und Gehäuse zu verringern, so dass die Winkeleinstellbarkeit verbessert wird.
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Alle Lagerreihen des erfindungsgemäßen mehrreihigen Wälzlagers können grundsätzlich zwischen einem einstückig ausgebildeten Innenring und einem einstückig ausgebildeten Außenring abwälzen. Aus Montage-, Fertigungs- und Anwendungstechnischen Gründen (z. B. Spieleinstellung) kann es jedoch vorteilhaft sein, einen oder beide Lagerringe (Innenring, Außenring) in zwei oder mehrere Teilringe aufzuteilen. Dabei wälzt auf jedem Teilring zumindest eine Lagerreihe ab. Die Teilringe kontaktieren sich z. B. über stirnseitige Anlageflächen, so dass ein axial kompakter Aufbau entsteht. Aus Gründen der Montierbarkeit kann es notwendig aber auch ausreichend sein, nur einen Lagerring in Teilringe aufzuteilen. So kann vorgesehen sein, dass ein Außenring des Rotorlagers axial außermittig oder axial mittig in zwei Teilringe aufgeteilt ist. Bei einer axial mittigen Teilung liegen zwei Teilringe mit gleichem axialen Abmaß vor.
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Denkbar ist, dass die Wälzkörper einer oder mehrerer, insbesondere aller, Lagerreihen durch einen oder mehrere Käfige geführt werden.
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Das erfindungsgemäße Wälzlager kann in relativ kleinen Windkraftanlagen mit einem Bohrungsdurchmesser kleiner 200 mm oder aber auch als Großwälzlager ausgebildet sein. Insbesondere kann ein Bohrungsdurchmesser des Innenrings größer als 500 mm betragen.
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Ein erfindungsgemäßes Rotorlager einer Windkraftanlage umfasst ein erfindungsgemäßes, mehrreihiges Wälzlager, welches in einem Gehäuse mit einer zumindest abschnittsweise kugelförmigen, dem Außenring zugewandten Innenoberfläche angeordnet ist. Das Gehäuse kann einteilig ausgebildet sein. Zum Einführen des Außenringes kann das Gehäuse an mindestens einer, vorzugsweise zwei radial gegenüberliegenden, Stellen eine Ausnehmung aufweisen. In der Ausführung kann – nach dem der Außenring eingeführt wurde – ein Fixierelement vorgesehen werden. Das erfindungsgemäße Rotorlager kann eine Festlagerstelle einer aus zumindest zwei Rotorlagern bestehenden Rotorlagerung bilden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigen
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1 eine Windkraftanlage, umfassend ein erfindungsgemäßes Rotorlager,
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mehrreihigen Wälzlagers,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mehrreihigen Wälzlagers und
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4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mehrreihigen Wälzlagers.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Gleiche oder funktionsgleiche Elemente sind durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt eine Windkraftanlage 1, umfassend ein erfindungsgemäßes Rotorlager. Die Windkraftanlage 1 umfasst einen Maschinenturm 2, auf dem ein Maschinenhaus 3 mit einem Generator 4 sowie einem windgetriebenen Rotor 5 mit einer mehrere Rotorblätter 6 tragenden Rotornabe 7 angeordnet ist. Der Rotor 5 wird durch eine erfindungsgemäße Rotorlagerung 8 getragen. In den 2 bis 4 wird ein mehrreihiges Wälzlager 9 zur Verwendung in der Rotorlagerung 8 jeweils anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mehrreihigen Wälzlagers 9, welches in der Windkraftanlage 1 in 1 eingesetzt ist, zeigen 2a und 2b. Während 2a einen Axialschnitt (Schnittdarstellung, umfassend die Lagerachse 15) zeigt, ist in 2b eine Draufsicht desselben mehrreihigen Wälzlagers 9 dargestellt.
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Das mehrreihige Wälzlager 9 umfasst eine erste Lagerreihe 13 sowie eine zweite Lagerreihe 14, die jeweils durch eine Vielzahl von aus Kugeln 12 bestehenden Wälzkörpern gebildet werden. Die Kugeln 12 wälzen zwischen einem Außenring 10 und einem Innenring 11 um eine Lagerachse 15 ab. Der Innenring 11 besteht aus zwei Teilringen 11', 11'', die axial durch einen Zwischenring 18 beabstandet sind. Die Kugeln 12 der beiden Lagerreihen 13, 14 weisen den gleichen Durchmesser auf.
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Drucklinien 16 der zwei Lagerreihen 13, 14 sind unter den voneinander verschiedenen Druckwinkel α, β zu einer senkrecht zur Lagerachse 15 stehenden Ebene 20 geneigt.
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Der Außenring 10 weist auf eine sphärische bzw. kugelige Außenoberfläche 19 auf, die einer sphärischen bzw. kugeligen Innenoberfläche 21 eines Gehäuses 22 zugewandt ist. Das Gehäuse 22 weist zwei Ausnehmungen 23 auf, um den Außenring 10 einsetzen zu können. Durch Fixierelemente 24 werden die Ausnehmungen verschlossen.
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Das Gehäuse 22 weist ferner zwei sich radial erstreckende Füße 25 auf, die zur Befestigung des Gehäuses 22 mit einer Anschlusskonstruktion dienen.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mehrreihigen Wälzlagers 9 ist in 3 dargestellt. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel wird die erste Lagerreihe 13 durch eine Kegelrollenlagerreihe und die zweite Lagerreihe 14 durch eine Schrägkugellagerreihe gebildet. Ein weiterer Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel liegt darin, dass das Gehäuse 22 einen einzigen Ständer 26 aufweist, um mit einer Anschlusskonstruktion verbunden zu werden.
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Ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mehrreihigen Wälzlagers 9 ist in 4 dargestellt. Das mehrreihige Wälzlager 9 besteht aus drei Lagerreihen 13, 14, 17 mit Druckwinkeln α, β, γ.
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Die erste Lagerreihe 13 und die dritte Lagerreihe 17 sind durch Schrägkugellagerreihen gebildet und weisen einen identischen Druckwinkel auf, nämlich α = γ = 45 Grad. Die zweite Lagerreihe 14 wird durch eine Zylinderrollenlagerreihe mit Druckwinkel β = 0 Grad gebildet. Möglich wäre selbstverständlich auch eine Variation dieses Ausführungsbeispiels mit unterschiedlichen Druckwinkeln α und γ, während der Druckwinkel β = 0 ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windkraftanlage
- 2
- Maschinenturm
- 3
- Maschinenhaus
- 4
- Generator
- 5
- Rotor
- 6
- Rotorblatt
- 7
- Rotornabe
- 8
- Rotorlagerung
- 9
- mehrreihiges Wälzlager
- 10
- Außenring
- 11
- Innenring
- 12
- Kugel
- 13
- erste Lagerreihe
- 14
- zweite Lagerreihe
- 15
- Lagerachse
- 16
- Drucklinie
- 17
- dritte Lagerreihe
- 18
- Zwischenring
- 19
- Außenoberfläche
- 20
- Ebene
- 21
- Innenoberfläche
- 22
- Gehäuse
- 23
- Ausnehmung
- 24
- Fixierelement
- 25
- Fuß
- 26
- Ständer
- α
- Druckwinkel der ersten Lagerreihe
- β
- Druckwinkel der zweiten Lagerreihe
- γ
- Druckwinkel der dritten Lagerreihe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006028200 A1 [0007, 0007]
- US 190375 [0008]
