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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Käfig zur Lagerung von Wälzkörpern eines Wälzlagers, umfassend einen ringförmigen Käfiggrundkörper mit durch zwei radial verlaufende Ringborde und zwischen den Ringborden axial verlaufende Käfigstege gebildeten Aufnahmebereichen zur Aufnahme von Wälzkörpern.
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Hintergrund der Erfindung
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Derartige Käfige, welche kurz als Wälzlagerkäfige bezeichnet werden, werden typischerweise zwischen einem Außen- und einem Innenring eines Wälzlagers angeordnet und dienen der Führung bzw. Lagerung von Wälzkörpern. Im Betrieb des Wälzlagers können entsprechende Käfige, etwa bedingt durch besondere kinematische Zustände, mechanisch wie auch thermisch hoch beansprucht werden, was, insbesondere materialbedingt, zu Ausdehnungen und Verformungen des Käfigs führen kann, was sich wiederum negativ auf die über den Käfig realisierte Führung bzw. Lagerung der Wälzkörper auswirken kann.
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Die vorgenannten Phänomene treten insbesondere bei dem Einsatz von Käfigen in in statisch überbestimmten Lageranordnungen eingesetzten Wälzlagern auf, welche Lageranordnungen neben einem Fest- und einem Loslager zur Realisierung zusätzlicher Lagerebenen, z. B. zur Reduzierung von Wellendurchbiegungen, Wellenverlagerungen etc., zumindest ein weiteres Lager, insbesondere Wälzlager, umfassen.
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Aufgabe der Erfindung
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Ausgehend von den dargelegten Nachteilen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten Käfig zur Lagerung von Wälzkörpern eines Wälzlagers anzugeben.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe wird durch einen Käfig zur Lagerung von Wälzkörpern eines Wälzlagers der eingangs genannten Art gelöst, welcher sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass wenigstens ein Ringbord umfangsmäßig zumindest abschnittsweise derart radial erweitert ist, dass er radial über die Käfigstege übersteht.
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Das erfindungsgemäße Prinzip betrifft eine besondere konstruktive Auslegung und somit ein besonderes konstruktives Design eines entsprechenden Käfigs zur Lagerung von Wälzkörpern eines Wälzlagers, kurz eines Wälzlagerkäfigs. Die besondere konstruktive Auslegung des Käfigs kann als radiale Aufdickung wenigstens eines, typischerweise beider, Ringborde im Vergleich zu den axial verlaufenden Käfigstegen erachtet werden. Die besondere konstruktive Auslegung des Käfigs ergibt sich somit dadurch, dass wenigstens ein, typischerweise beide, Ringborde des Käfigs umfangsmäßig zumindest abschnittsweise, bevorzugt umfangsmäßig vollständig, radial über die axial verlaufenden Käfigstege übersteht. Mit anderen Worten überragt wenigstens ein Ringbord des Käfigs die axial verlaufenden Käfigstege in radialer Richtung um ein gewisses Maß, d. h. wenigstens ein Ringbord des Käfigs ist radial betrachtet im Vergleich zu den axial verlaufenden Stegen erhöht. Mithin ist der Durchmesser des Käfigs im Bereich eines oder der radial erweiterten Ringborde größer als im Bereich der axial verlaufenden Käfigstege.
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Sofern nur ein Ringbord des Käfigs entsprechend radial erweitert ist, ergibt sich hieraus für den Käfig querschnittlich betrachtet eine L-Form. Sofern beide Ringborde des Käfigs entsprechend radial erweitert sind, ergibt sich für den Käfig querschnittlich betrachtet eine U-Form. Die Ausführung mit zwei entsprechend radial erweiterten Ringborden ist im Hinblick auf diverse Anwendungen des Käfigs bevorzugt.
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Durch die umfangsmäßig zumindest abschnittsweise radiale Erweiterung des oder der Ringborde gegenüber den axial verlaufenden Käfigstegen ergibt sich eine, insbesondere aufgrund der derart realisierten größeren Materialanhäufung bzw. Materialmenge bzw. Materialstärke, gegenüber mechanischen wie auch thermischen Beanspruchungen höhere mechanische wie auch thermische Stabilität der Ringborde und sonach des Käfigs insgesamt. Insbesondere sind die entsprechend umfangsmäßig zumindest abschnittsweise gegenüber den axial verlaufenden Käfigstegen radial erweiterten Ringborde bedingt durch deren radiale Erweiterung steifer ausgeführt, was die Ausbildung von thermisch bedingten Ausdehnungen und Verformungen des Käfigs reduziert bzw. verhindert und somit die wesentliche Funktion des Käfigs, d. h. die Führung und Lagerung entsprechender Wälzkörper, auch in, insbesondere mechanisch und/oder thermisch, hoch beanspruchenden Einsatzgebieten sicherstellt. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Prinzip auch in einer Reduzierung von betriebsbedingt auftretenden mechanischen Spannungen im Bereich der für die Aufnahme von Wälzkörpern vorgesehenen Aufnahmebereiche des Käfigs, d. h. im Bereich so genannter Tascheneckenradien, resultieren.
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Wie erwähnt, ist es erfindungsgemäß bevorzugt, einen entsprechenden Ringbord umfangsmäßig betrachtet komplett zu erweitern. Es ist jedoch auch denkbar, eine entsprechende radiale Erweiterung eines entsprechenden Ringbords umfangsmäßig betrachtet nur in bestimmten Bereichen vorzusehen, so dass umfangsmäßig betrachtet z. B. eine Zinnenstruktur oder dergleichen ausgebildet sein kann. Erfindungsgemäß ist ferner bevorzugt, einen entsprechenden Ringbord radial betrachtet einheitlich, d. h. um ein einheitliches Maß, zu erweitern. Grundsätzlich ist es sonach auch möglich, die radiale Erweiterung eines Ringbords umfangsmäßig unterschiedlich zu gestalten, d. h. insbesondere einen Käfig mit umfangsmäßig unterschiedlichen radialen Abmessungen auszubilden.
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Die radiale Erweiterung des wenigstens einen Ringbords liegt querschnittlich betrachtet insbesondere in einem Bereich von 10–70%, insbesondere 25–50%, bezogen auf die radialen Abmessungen der Käfigstege. Hieraus ergeben sich gleichermaßen die unterschiedlichen Durchmesser des Käfigs im Bereich der axial verlaufenden Käfigstege und im Bereich des oder der radial erweiterten Ringborde. Selbstverständlich kann die radiale Erweiterung des wenigstens einen Ringbords in Ausnahmefällen auch außerhalb des genannten Bereichs liegen.
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Je nachdem, in welcher Wälzlagerkonfiguration ein erfindungsgemäßer Käfig angeordnet wird, ist es denkbar, dass der wenigstens eine Ringbord radial nach innen oder radial nach außen gerichtet radial über die Käfigstege übersteht. Ob der oder die Ringborde radial nach außen oder innen gerichtet über die Käfigstege überstehen, bemisst sich insbesondere daran, ob der Käfig über den Außen- oder Innenring des diesen aufnehmenden Wälzlagers geführt ist. Typischerweise bedingt eine Führung über den Innenring, d. h. insbesondere über einen von dem Innenring radial nach außen abragenden Ringbord, einen ebenso radial nach außen über die Käfigstege überstehenden Ringbord des Käfigs. Dementsprechend bedingt eine Führung über den Außenring, d. h. insbesondere über einen von dem Außenring radial nach innen abragenden Ringbord, einen ebenso radial nach innen über die Käfigstege überstehenden Ringbord des Käfigs.
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Um eine möglichst homogene Kräfte- und sonach Spannungsverteilung innerhalb des Käfigs zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, wenn ein axialer Übergangsbereich von wenigstens einem Ringbord in wenigstens einen Käfigsteg zumindest abschnittsweise geneigt oder gekrümmt oder gewölbt verlaufend ausgeführt ist. Grundsätzlich ist zwischen dem oder den gegenüber den Käfigstegen radial erweiterten Ringbord(en) und den Käfigstegen axial betrachtet ein möglichst harmonischer Übergang anzustreben, da sich dieser positiv auf die Kräfte- und Spannungsverteilung innerhalb des Käfigs auswirkt.
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Der Käfig kann aus einem Metall, insbesondere einem Stahl, oder einem Kunststoffmaterial gebildet sein. Der wesentliche Vorteil der Ausbildung des Käfigs aus einem Metall liegt in den, insbesondere im Vergleich zu Kunststoffmaterialien, guten mechanischen Eigenschaften von Metallen. Die Ausbildung des Käfigs aus einem Kunststoffmaterial kann indes Vorteile im Hinblick auf Gewicht und Korrosionsbeständigkeit des Käfigs haben. Gleichermaßen können durch die Ausbildung des Käfigs aus einem Kunststoffmaterial, d. h. insbesondere einem spritzgießfähigen Polymer, Vorteile in fertigungstechnischer und sonach wirtschaftlicher Hinsicht gegeben sein. Die Wahl eines geeigneten Materials für die Ausbildung des Käfigs ist typischerweise im Hinblick auf eine konkrete Anwendungssituation festzulegen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Wälzlager, umfassend einen Innenring, einen Außenring sowie eine Anzahl an Wälzkörpern, welche in einem wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Käfig gelagert sind. Mithin gelten sämtliche Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Käfig analog für das erfindungsgemäße Wälzlager.
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Bei dem erfindungsgemäßen Wälzlager kann es sich insbesondere um ein Kegelrollen- oder ein Schrägkugellager handeln.
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Durch die bedingt durch die radiale Erweiterung des oder der käfigseitigen Ringborde gegenüber den käfigseitigen axial verlaufenden Stegen gegebene mechanisch wie auch thermisch hohem Stabilität des Käfigs und die daraus folgende Führung bzw. Lagerung der Wälzkörper kann gegebenenfalls auf Maßnahmen zur Verbesserung der Führung bzw. Lagerung von Wälzkörpern, wie z. B. entsprechende wälzlagerringseitige Nachbearbeitungen, insbesondere Schleifvorgänge, zur Einstellung bestimmter Breitentoleranzen, oder eine im Hinblick auf enge Toleranzen erfolgende Sortierung der einzusetzenden Wälzkörper verzichtet werden. Gleichwohl können entsprechende Maßnahmen auch im Rahmen der Erfindung vorgesehen werden, um die Führung bzw. Lagerung entsprechender Wälzkörper zu optimieren und somit insbesondere einen Schräglauf (Schränken) der Wälzkörper zu unterbinden.
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Das Wälzlager kann in einer Bauform vorliegen, in welcher der Innenring wenigstens einen, insbesondere radial nach außen verlaufenden, Ringbord oder der Außenring wenigstens einen, insbesondere radial nach innen verlaufenden, Ringbord aufweist.
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Wie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Käfig erwähnt, ist das Wälzlager insbesondere entweder derart konfiguriert, dass der Innenring wenigstens einen radial nach außen verlaufenden Ringbord aufweist, wobei der Käfig wenigstens einen radial nach außen erweiterten Ringbord aufweist, oder der Außenring wenigstens einen radial nach innen verlaufenden Ringbord aufweist, wobei der Käfig wenigstens einen radial nach innen erweiterten Ringbord aufweist. In der ersten Alternative ist der Käfig typischerweise über den Innenring des Wälzlagers geführt, in der zweiten Alternative ist der Käfig typischerweise über den Außenring des Wälzlagers geführt.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Lageranordnung, insbesondere zur Lagerung wenigstens einer Getriebewelle, umfassend wenigstens ein wie vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes Wälzlager. Mithin gelten sämtliche Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wälzlager respektive im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Käfig analog für die erfindungsgemäße Lageranordnung.
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Die erfindungsgemäße Lageranordnung ist insbesondere als statisch überbestimmte Lageranordnung zur Lagerung von Getriebewellen ausgebildet, d. h. sie umfasst insbesondere wenigstens ein Festlager, wenigstens ein Loslager sowie wenigstens ein drittes Lager, welches zu der statischen Überbestimmtheit der Lageranordnung führt. Zumindest für dieses dritte Lager ist ein erfindungsgemäßes Wälzlager vorgesehen. Eine besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lageranordnung kann eine Lageranordnung für eine oder mehrere Getriebewellen betreffen, wobei eine vorgespannte Lagerung der Getriebewellen mittels Kegelrollen- und/oder Schrägkugellagern realisiert ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Käfigs wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung eines Käfigs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine weitere Prinzipdarstellung eines Käfigs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3 eine vergrößerte Ansicht der in 2 gezeigten Einzelheit 111;
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4 eine Prinzipdarstellung eines Wälzlagers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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5 eine Prinzipdarstellung einer Lageranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 und 2 zeigen je eine Prinzipdarstellung eines Käfigs 1 zur Lagerung von Wälzkörpern 2 eines Wälzlagers 3, kurz eines Wälzlagerkäfigs, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es handelt sich dabei in 1 um eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht des Käfigs 1 und in 2 um eine Schnittansicht des Käfigs 1 entlang der Schnittlinien II-II.
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Der Käfig 1 umfasst einen ringförmigen Käfiggrundkörper 4. Der Käfiggrundkörper 4 ist im Bereich seiner axialen Ränder mit umfangsmäßig umlaufenden Ringborden 5, 6 versehen. Zwischen den Ringborden 5, 6 erstrecken sich in axialer Richtung Käfigstege 7. Zwischen den Ringborden 5, 6 und den Käfigstegen 7 sind taschenartige Aufnahmebereiche 8 zur Aufnahme von Wälzkörpern 2 eines Wälzlagers 3 gebildet.
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Der Käfig 1 ist aus einem spritzgießfähigen Kunststoffmaterial, wie z. B. Polyamid, gebildet und liegt sonach als Spritzgießteil vor. Denkbar ist es auch, dass der Käfig 1 aus einem Metall, insbesondere aus einem Stahl, gebildet ist.
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Wie sich aus den 2, 3 ergibt, sind die Ringborde 5, 6 im Vergleich zu den axial verlaufenden Käfigstegen 7 radial erweitert. Die Ringborde 5, 6 stehen sonach in radialer Richtung um ein gewisses Maß über die axial verlaufenden Käfigstege 7 über. Hieraus ergibt sich, dass der Käfig 1 querschnittlich betrachtet eine U-Form aufweist. Hieraus ergibt sich ferner, dass der Käfig 1 im Bereich der Ringborde 5, 6 einen größeren Durchmesser als im Bereich der axial verlaufenden Käfigstege 7 aufweist. Der Durchmesser des Käfigs 1 im Bereich der axial verlaufenden Käfigstege 7 ist in 3 mit d, der Durchmesser des Käfigs 1 im Bereich der Ringborde 5, 6 ist in 3 mit d + x gekennzeichnet. Das radiale Übermaß der Ringborde 5, 6 gegenüber den Käfigstegen 7 beträgt sonach x.
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Typischerweise wird der Querschnitt des Käfigs 1 in einem Bereich von 25 bis 50% gegenüber dem Querschnitt der Käfigstege 7 erweitert. Für das Beispiel von Käfigstegen 7 mit radialen Abmessungen (Dicke) von 1 mm liegen die radialen Abmessungen (Dicke) der Ringborde 5, 6 sonach typischerweise in einem Bereich zwischen 1,25 und 1,5 mm.
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Die durch die beschriebene radiale Aufdickung der käfigseitigen Ringborde 5, 6 im Vergleich zu den Käfigstegen 7 bedingte massivere Ausführung der Ringborde 5, 6 verleiht dem Käfig 1 insgesamt eine, insbesondere gegenüber mechanischen wie auch thermischen Beanspruchungen, verbesserte Stabilität. Insbesondere ist der Käfig 1 derart, d. h. insbesondere bedingt durch die Materialanhäufung im Bereich der Ringborde 5, 6, mechanisch steifer ausgeführt.
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Wie insbesondere anhand von 3 ersichtlich ist, sind die jeweiligen, sich axial zwischen den Ringborden 5, 6 und den Käfigstegen 7 erstreckenden Übergangsbereiche 9 geneigt bzw. schräg ausgeführt, so dass die Ringborde 5, 6 axial betrachtet harmonisch in die Käfigstege 7 übergehen. Derart ist eine weitgehend homogene Kräfte- und sonach Spannungsverteilung innerhalb des Käfigs 1 realisiert.
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4 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Wälzlagers 3. Es handelt sich dabei um eine Schnittansicht des Wälzlagers 3. Bei dem Wälzlager 3 handelt es sich um ein Kegelrollenlager, d. h. die zwischen dem Außenring 10 und dem Innenring 11 des Wälzlagers 3 wälzenden, in den käfigseitigen Aufnahmebereichen 8 gelagerten Wälzkörper 2 weisen jeweils eine zylindrische Gestalt auf. Ersichtlich ist der Innenring 11 im Bereich seiner axialen Ränder mit radial nach außen verlaufenden Ringborden 12, 13 versehen. Um die Montage des Wälzlagers 1 zu vereinfachen, weist der Außenring 10 daher keine Ringborde auf. Die lagerseitige Führung des Käfigs 1 erfolgt über den Innenring 11 des Wälzlagers 3.
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Um besonderen, im Betrieb des Wälzlagers 3 entstehenden Belastungen des Käfigs 1 zu begegnen, ist es möglich, dass die innenringseitigen Ringborde 12, 13 zum Zwecke der Reduzierung des Axialspiels der Wälzkörper 2 zu den Ringborden 12, 13 bzw. der axialen Toleranzen geschliffen werden. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass längengeschliffen und -sortierte Wälzkörper 2 eingesetzt werden. Beide Maßnahmen tragen dazu bei, dass ein Schräglauf bzw. ein Schränken der Wälzkörper 2 und sonach die Belastung des Käfigs 1 erheblich reduziert wird.
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5 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Lageranordnung 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Lageranordnung 14 dient der Lagerung einer Getriebewelle 15. Die Lageranordnung 14 umfasst ein im Bereich eines ersten axialen Endes der Getriebewelle 15 angeordnetes Festlager 16 und ein im Bereich eines zweiten axialen Endes der Getriebewelle 15 angeordnetes Loslager 17. Zwischen dem Festlager 16 und dem Loslager 17 befindet sich ein Wälzlager 3, so dass sich insgesamt eine statisch überbestimmte Lagerung der Getriebewelle 15 ergibt.
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Durch die insbesondere im Zusammenhang mit den 1–3 beschriebene, besondere konstruktive Auslegung des Käfigs 1 ist dieser vor mechanischen wie auch thermischen Beschädigungen bedingt durch bestimmte Beschleunigungen bzw. Beschleunigungsprofile des Käfigs 1, welche wiederum von Beschleunigungen bzw. Beschleunigungsprofilen der Getriebewelle 15 abhängen, geschützt. Die besondere konstruktive Auslegung des Käfigs 1 führt dabei insbesondere dazu, dass der Käfig 1 sich bei auftretenden Beschleunigungen weniger stark verformt, was eine entsprechende Reduzierung der auf diesen wirkenden mechanischen Spannungen zur Folge hat.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Käfig
- 2
- Wälzkörper
- 3
- Wälzlager
- 4
- Käfiggrundkörper
- 5
- Ringbord
- 6
- Ringbord
- 7
- Käfigsteg
- 8
- Aufnahmebereich
- 9
- Übergangsbereich
- 10
- Außenring
- 11
- Innenring
- 12
- Ringbord
- 13
- Ringbord
- 14
- Lageranordnung
- 15
- Getriebewelle
- 16
- Festlager
- 17
- Loslager
