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Die Erfindung betrifft ein Radialwälzlager, insbesondere Spindellager, mit einem drehbaren Innenring, einem feststehenden Außenring und zwischen den Ringen abrollbaren Wälzkörpern.
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Stand der Technik
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Derartige Radialwälzlager sind beispielsweise mit einer Öldirektschmierung wenigstens einer Wälzkörperlaufbahn ausgerüstet. Die dabei eingebrachten Schmiermittelmengen können als minimal bezeichnet werden und liegen bei 30 bis 300 Mikroliter pro Stunde. Diese Schmiermittelmengen reichen gerade aus, um einen trennenden Schmierfilm zwischen den Wälzkörpern und deren Laufbahnen herzustellen.
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Typischerweise werden bei derartigen Wälzlagerungen Öldirektschmiersysteme eingesetzt, die im Wesentlichen in den Außenring integriert sind und eine Ölversorgung der Außenlaufbahn des Innenrings durch den Außenring hindurch gewährleisten. Unter schnelldrehenden Radiallagern werden Lager mit einem Drehzahlkennwert von über zwei Millionen Millimeter pro Minute angesehen.
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Eine Direktschmierung ist beispielsweise aus der
DE 101 64 918 B4 bekannt, bei der aus einem mehrteiligen Außenring eine Ölversorgung für eine Kugelreihe sichergestellt wird, indem in den Wälzbereich Schmiermittel über einen konisch ausgebildeten, drehenden Innenring zugeführt wird. Durch eine gezielte Schmierung des Innenringwälzkontakts ist es möglich, den Drehzahlkennwert weiter zu steigern.
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Nachteiligerweise wird bei einer Zuführung des Schmiermittels durch den Außenring zwar die Schmiermittelverteilung innerhalb des Lagers gewährleistet, jedoch erfolgt diese nach wie vor unkontrolliert und wird durch die Wälzbewegung selbst bestimmt. Damit hängt diese Verteilung insbesondere von einer komplexen Kombination einer Vielzahl von Randbedingungen ab. Eine robuste und für hohe Drehzahlen geeignete Schmierung ist somit nicht in jedem Fall gegeben.
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Erschwerend kommt hinzu, dass eine Schmiermittelzuführung einen erheblichen Teil des zur Verfügung stehenden Bauraums einnimmt, womit die Wälzlagereigenschaften erheblich leiden können, zumal dieser Bauraum für die Wälzkörper oder Laufbahnen nicht mehr einsetzbar ist.
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Ferner bietet der Stand der Technik keine optimale Lösung an, die eine Abdichtung einer solchen Schmierung auf einfache Weise gewährleistet, zumal der Zuführungsweg, der im Außenring beginnt und zum Wälzkontakt des Innenrings geführt werden muss, umständlich durch das Lagers geführt werden muss. Bisher wurden Direktschmierungen vorwiegend in einer bereits weiträumig abgedichteten Umgebung mit weiteren, angrenzenden Komponenten eingesetzt. Jedoch gerade bei axial schmalen Lagern, ist eine Abdichtung zur Außenwelt auf kleinem Raum unbedingt erforderlich.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Radiallager mit Direktschmierung anzugeben, welches bestmöglich abgedichtet ist ohne die vorteilhaften Eigenschaften einer Direktschmierung zu tangieren.
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Diese Aufgabe wird bei einem Radiallager der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass axial neben den Wälzkörpern eine Schmiermittel führende Dichtung angeordnet ist und die Schmiermittel führende Dichtung mit dem Innenring einen von einem Innenraum des Lagers nach außen führenden Dichtspalt ausbildet, wobei im Dichtspalt ein Schmiermittel abweisender Belag angeordnet ist. Auf diese Weise ist es möglich, aufgrund der Oberflächenspannung des Schmiermittels einen Abfluss des Schmiermittels durch den Dichtspalt hindurch zu verhindern. Damit ist es weiter möglich, den geförderten Schmiermittelstrom näher an den Innenringwälzkontakt zu befördern und damit dessen Schmierung sicherzustellen, wobei gleichzeitig gewährleistet ist, dass durch den in der Nähe angeordneten Dichtspalt kein Schmiermittel unnötigerweise abfließt.
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Unter dem Innenraum des Lagers kann der Raum verstanden werden, der vom Innen- und Außenring und gegebenenfalls auch von den angrenzenden axial angeordneten Dichtungen begrenzt ist und die Wälzkörper enthält.
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Die Schmiermittel führende Dichtung kann hierbei eine axiale Dichtung des Radiallagers sein, wobei diese zwei Funktionen übernimmt, nämlich die Abdichtung nach außen und die Zuführung des Schmiermittels zum Wälzkontakt der Wälzkörper auf den Innenring.
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Der Schmiermittel abweisende Belag kann hierbei entweder auf einem feststehenden Bestandteil der Schmiermittel führenden Dichtung angeordnet sein. Alternativ oder optional kann der Belag aber auch an einer Außenfläche des Innenrings abgeordnet sein. Dabei kann es sein, dass der Innenring durchaus auch zweiteilig ausgebildet sein kann, wobei der Schmiermittel abweisende Belag auch beispielsweise auf einem am Innenring befestigten Bauteil befestigt ist. Das am Innenring befestigte Bauteil kann beispielsweise ein kalt ungeformtes Schutzblech sein, welches beispielsweise Teil der Schmiermittel führenden Dichtung ist oder eine andere Funktion aufweist.
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Vorteilhafterweise ist der Schmiermittel abweisende Belag an einem Endstück der Schmiermittel führenden Dichtung fest. Auf diese Weise ergibt sich eine in axialer Richtung und hinsichtlich des Materialaufwandes optimierte Dichtung, die leichter zu produzieren und einfacher einzusetzen ist.
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Vorteilhafterweise ist der Schmiermittel abweisende Belag an einer Außenfläche des Innenrings fest, wobei der Belag einem Bestandteil der Schmiermittel führenden Dichtung radial gegenüber liegt. Dies ist besonders vorteilhaft, zumal ein Schmiermittel bei Stillstand des Innenrings, mit anderen Worten im Ruhezustand des Wälzlagers, nicht durch den Dichtspalt aus dem Innenraum des Radiallagers nach außen gelangen kann.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Dichtspalt, der Belag und/oder die Außenfläche des Innenrings eine konische Form auf. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass eine zentrifugale Kraft, die aufgrund der betriebsgemäßen Drehung des Innenrings entsteht, auch eine Fördertätigkeit entfaltet, die den Dichtspalt weiter vom Schmiermittel freihält, beziehungsweise den Eintritt des Schmiermittels in den Dichtungsspalt verhindert. Auf diese Weise kann auch sichergestellt werden, dass stets genügend Schmiermittel in der Nähe der Innenringlaufbahn am Wälzkontakt vorhanden ist. Insgesamt wird durch die direkte Schmierung der Schmiermittelaufwand deutlich reduziert.
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Vorteilhafterweise ist der Schmiermittel abweisende Belag lipophob (flüssigkeitsabweisend), insbesondere oleophob (Öl abweisend). Lipophob oder olephob liegt insbesondere dann vor, wenn das Schmiermittel am Schmiermittel abweisenden Belag eine Tropfenform ausbildet, die mit dem Schmiermittel abweisenden Belag einen Winkel von größer als 90° bildet. Ferner kann der Schmiermittel abweisende Belag zumindest teilweise aus Polytetrafluorethylen (PTFE) bestehen.
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Der Schmiermittel abweisende Belag kann beispielsweise als Beschichtung ausgebildet sein, die auf den Innenring aufgebracht worden ist, das heißt selbst keine stabile Form aufweist, sondern durch den Innenring formstabil gehalten wird. Der Schmiermittel abweisende Belag und insbesondere die Schmiermittel abweisende Beschichtung werden gegenüber einer geschliffenen Oberfläche mit einer verringerten Oberflächenenergie im Vergleich zu einer geschliffenen Oberfläche ausgebildet. Durch die Oberflächenspannung, die nunmehr vom Schmiermittel aufgebaut werden kann, ergibt eine Eigenanhäufung, die gegebenenfalls eine Tropfenform ausbildet, am Eingang des Dichtungsspaltes gehalten wird ohne in diesen einzutreten.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Dichtung aus einer Innendichtung und einer Außendichtung gebildet, die zusammen einen Schmiermittelführungsspalt ausbilden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Ölleitung aus dem Außenring in der Schmiermittel führenden Dichtung weitergeleitet werden kann, indem durch die Anordnung der Innendichtung in Bezug zur Außendichtung ein dafür geeigneter Schmiermittelführungsspalt entsteht, der das Schmiermittel radial nach innen leitet und dem Wälzkontakt am Innenring näher bringt. Dabei kann der Auslass des Schmiermittelführungsspaltes durchaus in der Nähe des Dichtungsspaltes angeordnet sein, zumal dieser durch die Anbringung des Schmiermittel abweisenden Belags geschützt ist. Im Betrieb kann durch die Konizität des Innenrings, des Dichtspalts oder des Belags selbst der Schutz weiter verbessert werden. Hierbei ist die konische Form durch einen Winkel α definiert, der idealerweise ca. α = 10° gegenüber der Drehachse beträgt. Je größer der Winkel α gewählt wird, desto stärker zwingt die Schwerkraft das Schmiermittel, insbesondere Öl, in den Dichtungsspalt, womit dieser idealerweise entweder schmäler gemacht oder mit einem größeren Belag versehen werden kann. Alternativ kann der Winkel auch dahingehend angepasst werden, dass die Schwerkraft nur geringeren Einfluss nimmt.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Außendichtung und die Innendichtung durch Verschnappung definiert miteinander fixierbar. Bei dieser Fixierung werden die Schmiermittelführungsspaltbreite und andere Dimensionen des Schmiermittelführungsspaltes umgesetzt. Vorteilhafterweise können Außendichtungen und Innendichtungen damit vorinstalliert werden, bevor diese in den Außenring des Radiallagers eingepresst werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform liegen ein Schmiermittelauslass der Dichtung und ein inneres Ende des Dichtspaltes nebeneinander und sind zum Innenraum, insbesondere zu den Wälzkörpern, hin gerichtet. Dies stellt eine Direktschmierung des Wälzkörperkontaktes am Innenring und gleichzeitig eine optimale Dichtung sicher.
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Vorteilhafterweise ist der Dichtspalt weniger als 200 Mikrometer breit. Unter Breite wird ein Längenmaß verstanden, welches im Wesentlichen in radialer Richtung orientiert ist und die kürzeste Entfernung der spaltbildenden Flächen zueinander bildet, wobei gegebenenfalls eine Inklination des Dichtspaltes aufgrund einer konischen Formgebung gegebenenfalls berücksichtigt werden kann. Mit dieser Breite liegt die Dimensionierung in ihrer Größe deutlich unter der Tropfengröße des Schmiermittels, womit der Eintritt in den Dichtspalt nochmals nachhaltig verhindert wird.
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Vorteilhafterweise enthält der Schmiermittelführungsspalt ein kapillares Speichermedium, insbesondere ein Stahlnetz oder ein Stahlgitter. Dabei können dem kapillaren Speichermedium zwei Funktionen zukommen. Eine mögliche Funktion besteht darin die Außendichtung und die Innendichtung voneinander zu beabstanden und diesen Abstand zu fixieren. Zum anderen stellt das kapillare Speichermedium ein Schmiermitteldepot dar, welches erlaubt zum einen Schmiermittel, insbesondere Öl, zu speichern, aber auch kontrolliert radial nach innen laufen zu lassen, wobei durch die feststehende Schmiermittel führende Dichtung eine Versorgung mit Schmiermittel basierend auf der Schwerkraft möglich ist, aber alternativ auch mit zusätzlichen Drucken gearbeitet werden kann.
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Vorteilhafterweise ist die Innendichtung und/oder die Außendichtung als Dichtscheibe oder Transportscheibe ausgebildet, womit das Radiallager während des Transportes geschützt ist, aber auch während des Betriebes keine Verschmutzungen von außen eingebracht werden können. Als kapillares Speichermedium eignen sich insbesondere Stahlnetze oder Stahlgewebe mit einer Porengröße von 200 bis 500μm, wie man sie beispielsweise bei Siebdrucken einsetzt.
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Weitere vorteilhafte Ausbildungen und bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sind der Figurenbeschreibung und/oder den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 ein Spindellager im Längsschnitt entlang der Rotationsachse mit einer Schmiermittel führenden Dichtung und einem Dichtspalt mit Polytetrafluorethylenbelag,
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2 eine Dichtung mit einem Stahlgitter, und
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3 eine Schmiermittel führende Dichtung mit Verschnappmechanismus.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein Spindellager mit einer Wälzkörperreihe mit als Kugeln ausgebildeter Wälzkörper 1. Die Wälzkörper 1 werden durch den Wälzkörperkäfig 4 geführt und in ihrem Wälzkörperkontakt mit dem Innenring 3 über den Außenring 2 direkt geschmiert.
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Die Versorgungsleitung 7 leitet aus der Ringnut 5 das Schmiermittel (Öl) radial nach innen zu einem Einlass 14, der von dem abgewinkelten Endstück 10C und dem zylindrischen Befestigungsabschnitt 8A gebildet wird. Der zylindrische Befestigungsabschnitt 8A bildet den radial am weitesten außen gelegenen Bestandteil des Außendichtrings 8, welcher als kalt umgeformter Blechring ausgeführt ist, genauso wie auch die Innendichtung 10.
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Grundsätzlich können Schmiermittel führende Dichtungen jeweils axial beidseitig der Wälzkörper 1 angeordnet werden, um den Innenring 3 beidseitig mit Schmiermittel zu versorgen. Alternativ liegt die Schmiermittel führende Dichtung einer herkömmlichen Dichtung, beispielsweise einer Kassettendichtung, axial gegenüber.
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Die Außendichtung 8 und die Innendichtung 10 sind als Ringe ausgeführt, die man vor der Installation in den Außenring 2 ineinander verrasten kann, wobei die Endstücke 8A, 10A nach einer kurzen elastischen Beanspruchung während des Einschnappvorgangs im nachfolgenden unbelasteten Zustand für einen Formschluss sorgen. Die scheibenförmigen Teilabschnitte 10B, 8B bilden einen scheibenförmigen Spalt, der im Wesentlichen in radialer Richtung orientiert ist. Insgesamt bilden die Außendichtung 8 und die Innendichtung 10 einen im Längsschnitt C-förmigen Schmiermittelführungsspalt aus.
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Der Auslass 13, der von den Endstücken 8A, 10A gebildet ist, mündet radial außerhalb in Bezug zum Dichtspalt, der zwischen dem abgewinkelten Endstück 8A und dem Polytetrafluorethylenbelag 12 auf Seiten des Innenraumes 15 beginnt.
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Wird der Abstand zwischen dem Polytetrafluorethylenbelag 12 und dem abgewinkelten Endstück 8A geringer gewählt als 200 Mikrometer, so stellt sich insbesondere bei Ölen mit weniger als 68 Centistokes der vorteilhafte Effekt ein, dass das unkontrollierte Auslaufen wirkungsvoll unterbunden wird.
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Insbesondere ist der Randbereich, der axial außerhalb des Lagers, in der Nähe des Polytetrafluorethylenbelages 12 beginnt, radial auf der Außenfläche 11 des Innenrings 3 am weitesten innen angeordnet, zumal die konische Form der Außenfläche 11 somit für eine zentrifugale Schmiermittelversorgung der Laufbahn des Innenrings 3 während des Wälzlagerbetriebes sorgen kann, aber gleichzeitig der Ausfluss durch den Dichtspalt aus dem Innenraum des Radiallagers nach außen durch zwei sich ergänzende Maßnahmen unterbunden wird. Der Polytetrafluorethylenbelag 12 weist eine derart verringerte Oberflächenenergie auf, dass die Oberflächenspannung des Öls ausreicht dieses im Innenraum zu halten. Zudem ist die Spaltdicke geringer als 200 Mikrometer gewählt, sodass gerade bei einer Tropfenbildung ein Abfluss durch den Dichtspalt nicht möglich ist.
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Vorteilhafterweise werden die als Blechringe ausgeführte Außendichtung 8 und Innendichtung 10 spanlos umgeformt, sodass ein Kostenvorteil entsteht. Die Schmiermittel führende Dichtung kann deshalb eingesetzt werden, weil die Versorgungsleitung 7 radial nach innen und axial nach außen führt, sodass von der axial mittig angeordneten Ringnut 5 Schmiermittel zum Einlass 14 der Dichtung transportiert werden kann. Außerdem ist es dadurch möglich, dass die O-Ringe 6 als statische Dichtringe symmetrisch am Außenring 2 in Umfangsnuten angeordnet werden können.
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2 und 3 zeigen eine Schmiermittel führende Dichtung, wie sie in einem Radiallager der 1 eingesetzt werden können.
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Im Schmiermittelführungsspalt 22, der durch die jeweils als Ring ausgeführte Außen- und Innendichtung 20, 21 gebildet wird, enthält ein Stahlgitter, welches vor der Verschnappung der Außendichtung 20 mit der Innendichtung 21 zwischen beiden ringförmige Dichtungen 20, 21 angeordnet wurde, womit das Stahlgitter vorteilhafterweise im Schmiermittelführungsspalt 22 verklemmt ist und gleichzeitig die gewünschte Beabstandung der Außendichtung 20 und der Innendichtung 21 gewährleistet.
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Des Weiteren kann durch das eingebrachte Stahlgitter die Fließgeschwindigkeit, das heißt die Versorgungsgeschwindigkeit des Schmiermittels am Auslass 23 und somit auch im Wälzlagerkontakt der Wälzkörperlaufbahn des Innenrings 3 gewährleistet werden.
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Der Formschluss zwischen der Außendichtung 20 und der Innendichtung 21 wird durch die abgewinkelten Endstücke 20A, 21A gewährleistet, die für das Einschnappen geringfügig elastisch beansprucht werden.
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Der Polytetrafluorethylenbelag 24 ist auf den Innenring 23 aufgebracht, wobei alternativ auch eine Anbringung an der Innenfläche des abgewinkelten Endstücks 20A denkbar wäre und zu einem ähnlichen Effekt führen würde. Gegebenenfalls kann bei einer großen Dichtspaltdicke des Dichtspalts 25 sowohl ein Polytetrafluorethylenbelag 24 der Außenfläche des Innenrings 3 vorgesehen werden und zugleich auch ein weiterer Polytetrafluorethylenbelag an der gegenüberliegenden Innenfläche des abgewinkelten Endstücks 20A.
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Selbstverständlich ist der Belag auch als Beschichtung ausführbar, womit dieser sehr materialarm aufgetragen werden kann und wobei natürlich andere Schmiermittel abweisende Substanzen und Strukturen eingesetzt werden können, die eine geringere Oberflächenenergie aufweisen.
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Mit den in den 1, 2 und 3 gezeigten Dichtungsanordnungen können Radiallager betrieben werden, die Drehzahlkennwerte zwischen einer Million und 3,5 Millionen Millimeter pro Minute besitzen.
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3 zeigt eine Dichtung, die aus einer Außendichtung 30 und einer Innendichtung 31 zusammengesetzt ist, wobei der zylindrische Befestigungsabschnitt 30C eine oder mehrere Rastsenken 32 aufweist, die zur Verrastung mit Rastnasen 33 vorgesehen sind. Da die Rastnasen 33 an der Außenfläche des zylindrischen Außenteils 31C angeordnet sind, können diese an der Innenseite des zylindrischen Befestigungsabschnitts 33c soweit bewegt werden, bis eine Rastnase 33 auf eine Rastsenke 32 trifft und mit dieser verrastet. Je mehr Rastnasen 33, beziehungsweise Rastsenken 32 vorgesehen sind, desto größer ist der Kraftschluss zwischen den als Ringe ausgeführten Dichtungen 30, 31.
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Des Weiteren bildet der scheibenförmige Teilabschnitt 31b der Innendichtung 31 in Umfangsrichtung in regelmäßiger Beabstandung Abstandsnasen 34 aus, die den axialen Abstand zwischen der Außendichtung 30 und der Innendichtung 31 festlegen. Dadurch wird ebenfalls die Spaltdimensionierung des Schmiermittelleitungsspaltes 35 zumindest teilweise oder ganz festgelegt, womit eine optimale Schmiermittelversorgung vom Einlass 39 bis zum Auslass 36 sichergestellt ist. Somit kann durch die Dimensionierung der Abstandsnase 34 die Fließgeschwindigkeit des Schmiermittels im Schmiermittelführungsspalt 35 festgelegt werden.
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Der Winkel α stellt ein Maß für die Konizität des Innenrings 3 dar, in dem der obere Schenkel in der Außenfläche 11 des Innenrings 3 liegt und der untere Schenkel parallel zur Drehachse des Radiallagers verläuft. Für eine Zentrifugalkraft unterstützte Schmiermittelversorgung eignen sich Winkel in der Größenordnung von α = 10°, aber auch im Bereich α = 8° bis 12° können in Abhängigkeit von der Viskosität des gewählten Schmiermittels, in der Regel Öl, bevorzugte konische Formen umgesetzt werden. Das zugehörige Intervall von Schmiermittelviskositäten liegt dabei zwischen 32 und 64 Centistokes.
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Bezugszeichenliste
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- α
- Winkel
- 1
- Wälzkörper
- 2
- Außenring
- 3
- Innenring
- 4
- Käfig
- 5
- flache Ringnut
- 6
- O-Ring
- 7
- Versorgungsleitung
- 8
- Außendichtung
- 8A
- zylindrischer Befestigungsabschnitt
- 8B
- scheibenförmiger Teilabschnitt
- 8C
- abgewinkeltes Endstück
- 9
- Schmiermittelführungsspalt
- 10
- Innendichtung
- 10A
- abgewinkeltes Endstück
- 10B
- Scheibenförmiger Teilabschnitt
- 10C
- zylindrisches Außenteil
- 11
- konische Außenfläche
- 12
- Polytetrafluorethylenbelag
- 13
- Auslass
- 14
- Einlass
- 15
- Innenraum
- 20
- Außendichtung
- 20A
- abgewinkeltes Endstück
- 20B
- scheibenförmiger Teilabschnitt
- 20C
- zylindrisches Außenteil
- 21
- Innendichtung
- 21A
- abgewinkeltes Endstück
- 21B
- scheibenförmiger Teilabschnitt
- 21C
- zylindrischer Befestigungsabschnitt
- 22
- Schmiermittelführungsspalt
- 23
- Polytetrafluorethylenbelag
- 25
- Dichtspalt
- 26
- Einlass
- 30
- Außendichtung
- 30A
- abgewinkeltes Endstück
- 30B
- scheibenförmiges Endstück
- 30C
- zylindrisches Außenteil
- 31
- Innendichtung
- 31A
- abgewinkeltes Endstück
- 31B
- scheibenförmiges Teilabschnitt
- 31C
- zylindrisches Außenteil
- 32
- Rastsenken
- 33
- Schnappnase
- 34
- Abstandsnase
- 35
- Schmiermittelführungsspalt
- 36
- Auslass
- 37
- Dichtspalt
- 38
- Polytetrafluorethylenbelag
- 39
- Einlass
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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