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Ausführungsbeispiele betreffen einen Lagerring für ein Lager sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerrings für ein Lager.
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Lagerringe werden in einer Vielzahl von Ausführungsbeispielen, beispielsweise in Gleit- oder Wälzlagern, als Innen- oder Außenring eingesetzt. Konventionelle Gleitlagerringe oder Wälzlagerringe aus Stahl, beispielsweise bei großen Abmessungen, sind oft aufwändig in der Herstellung und weisen ein erhebliches Gewicht auf. Zudem können Gleitlagerringe aus Stahl unter ungünstigen Umständen korrosionsanfällig sein und keine oder nur geringe Dämpfungseigenschaften aufweisen. Dies kann bei manchen Anwendungen zu einer Anfälligkeit des Gleitlagers gegenüber Vibration und Stößen führen. In manchen Fällen kann sich dadurch sogar eine Lebensdauer des Lagers reduzieren.
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Besonders bei Leichtbauanwendungen können die Lagerringe aus Stahl einen erheblichen Beitrag zum Gesamtgewicht einer Konstruktion leisten. Dadurch kann sich unter Umständen auch ein Energieverbrauch der Konstruktion erhöhen. Um dies zu umgehen, werden bei manchen Anwendungen Gleitlagerringe aus unverstärkten oder kurzfaserverstärkten Kunststoffen eingesetzt. Diese können jedoch, beispielsweise bei einer Belastung, eine Kriechneigung aufweisen. Damit können sich solche Gleitlagerringe unter Umständen nur für einen Einsatz bei geringen Traglasten eignen. Gleiche oder ähnliche Probleme können eventuell auch bei konventionellen Wälzlagerringen aus einem unverstärkten thermoplastischen Kunststoff auftreten.
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Weiterhin werden bei manchen Anwendungen auch konventionelle Gleitlagerungen oder Wälzlagerringe aus gewickelten parallel zueinander liegenden Endlosfasern eingesetzt. Die Endlosfasern können auch als Rovings bezeichnet werden und sind oft mit einer Kunststoffmatrix imprägniert. Unter Umständen können solche Gleitlagerringe keine ausreichende Druckfestigkeit und/oder nur eine geringe Festigkeit in ihren Borden aufweisen.
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Konventionelle Wälzlagerringe aus kurzfaserverstärkten Thermoplasten können meist zwar etwas höher belastet werden als Wälzlagerringe aus einem unverstärkten Thermoplasten, können jedoch unter ungünstigen Umständen, in Folge einer Wechselbeanspruchung bei einem Überrollen mit einem Wälzkörpers in einem Bereich der Laufbahn Materialablösungen aufweisen. Die Materialablösungen können sich beispielsweise durch ein Herauslösen von kurzen Verstärkungsfasern aus der Matrix ergeben. Andere konventionelle Gleitlagerringe, beispielsweise aus gewickelten zweidimensionalen Geweben mit einer Kunststoffmatrix, weisen zwischen den einzelnen unverbundenen Gewebeschichten oft keine ausreichende Druckfestigkeit auf. Bei diesen Gleitlageringen kann unter ungünstigen Umständen ein Versagen auftreten, beispielsweise durch eine interlamellare Schichtablösung.
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Es besteht daher ein Bedarf daran, ein Konzept bereitzustellen, mit dem sich ein Kompromiss zwischen einem Gewicht eines Lagerrings und einer Stabilität des Lagerrings verbessern lässt. Diesem Bedarf tragen der Lagerring sowie das Verfahren nach den unabhängigen Ansprüchen Rechnung.
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Ausführungsbeispiele betreffen einen Lagerring für ein Lager. Der Lagerring umfasst einen faserverstärkten Werkstoff, bei dem sich zum Aufbau eines textilen Flächengebildes wenigstens eine erste Faser mit wenigstens zwei benachbarten Fasern oder Faserabschnitten kreuzt. In wenigstens einem Bereich des textilen Flächengebildes kreuzt sich dabei die erste Faser sowohl mit einer zweiten Faser oder einem zweiten Faserabschnitt, die oder der sich senkrecht zu der ersten Faser erstreckt. Die erste Faser kreuzt sich auch mit einer dritten Faser oder einem dritten Faserabschnitt. Die dritte Faser oder der dritte Faserabschnitt erstrecken sich zumindest abschnittsweise senkrecht zu der ersten und der zweiten Faser bzw. dem zweiten Faserabschnitt. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann dadurch, dass sich die drei Fasern oder Faserabschnitte wie beschrieben überkreuzen, ermöglicht werden, dass die wenigstens eine Faser und/oder die Faserabschnitte in drei Raumrichtungen bzw. alle Raumrichtungen miteinander verbunden werden können. Dadurch kann bei manchen Ausführungsbeispielen ein sehr stabiler und leichter Lagerring bereitgestellt werden.
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Eine Faser kann zum Beispiel ein Element oder ein Bauteil sein, das in eine Richtung, beispielsweise eine Haupterstreckungsrichtung, eine wesentlich größere Ausdehnung aufweist als in eine zweite und in eine dritte Richtung, wobei die drei Richtungen ein Koordinatensystem zwischen sich aufspannen. Die Ausdehnung der Faser kann eventuell in die erste Richtung um mindestens einen Faktor 100, 1.000, 10.000 oder 100.000 größer sein, als in die beiden anderen Richtungen. Die Faser kann dabei senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung, also der ersten Richtung, jedweden Querschnitt aufweisen, beispielsweise Kreis, Rechtecke, Viereck, Oval oder dergleichen. Die Faser kann entlang ihrer Haupterstreckungsrichtung eine Mehrzahl von Faserabschnitten aufweisen. Ein Faserabschnitt kann zum Beispiel jedwede Länge, die gleich oder kleiner als die Faserlänge ist, aufweisen. Einzelne Faserabschnitte der Faser können dabei gegebenenfalls parallel zueinander angeordnet sein, sich kreuzen oder zu einer Masche geformt sein. Die Faser kann unter Umständen als Einzelfaser oder auch in einem Faserbündel angeordnet sein.
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Gegebenenfalls kann die Faser auch in einem Garn oder als Garn angeordnet sein. Beispielsweise kann die Faser dann als ein Filament des Garns dienen. Das Garn kann nur eine Faser oder auch eine Mehrzahl von Fasern oder Filamenten umfassen. Bei einem Garn kann es sich zum Beispiel um ein linienförmiges textiles Gebilde oder ein langes dünnes Gebilde aus einer oder mehreren Fasern handeln. Garne können beispielsweise unterschieden werden in gefachte Garne, welche zwei oder mehrere parallel aufgespulte, nicht miteinander verdrehte Garne oder Fasern umfassen. Ferner gibt es gezwirnte Garne, welche mehrere zusammengedrehte Garne umfassen. Ein weiteres Beispiel für Garne sind Filamentgarne, welche theoretisch unendlich lange Fasern, welche Filamente oder Einzelfilamente genannt werden können, umfassen. Bei Filamentgarnen kann ein Verdrehen entfallen, ein Zusammenhalt der Einzelfilamente kann eventuell auch durch eine Verwirbelung erreicht werden.
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Ein textiles Flächengebilde kann beispielsweise eine Faseranordnung sein, bei der die Fasern in einem Muster und regelmäßig zueinander angeordnet sind, beispielsweise verwebt, gestrickt, gehäkelt, in einem Garn oder dergleichen. Unter Umständen können die Fasern in dem textilen Flächengebilde auch als Garn vorliegen und dann zu dem textilen Flächengebilde geformt sein. Je nach Art des textilen Flächengebildes kann dieses eine Mehrzahl von Fäden, Fasern, oder Garnen, beispielsweise in Form eines Gewebes aus Kett- und Schussfäden umfassen und ein Gewebe sein. Gewebe können zum Beispiel mindestens zwei rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig verkreuzte Fadensysteme umfassen. Nahezu rechtwinklig verkreuzte Fadensystem können beispielsweise um bis zu 10° oder sogar 20° in jede Richtung von einem 90° Winkel abweichen. Die Fäden, Garne oder Fasern können bei dem Gewebe zum Beispiel durch eine Verbindungsart Fadenverkreuzung verbunden sein. Eine Fadenverkreuzung bedeutet nicht zwingend, dass Fäden kreuzend aufeinander liegen, was jedoch auch der Fall sein kann. Eine Fadenverkreuzung kann beispielsweise dann vorliegen, wenn die Fäden, Garne oder Fasern oder deren Abschnitte in einem bestimmten Rhythmus, der Bindung genannt werden kann, über und unter den querliegenden Fäden durchgehen. Bei einem Gewebe kann zum Beispiel eine Kraftübertragung, beispielsweise Zugkräfte, von sich kreuzenden Fasern oder Garnen möglich sein. Bei einem textilen Flächengebilde, das durch Stricken hergestellt ist oder ein Gestrick ist, wird beispielsweise mindestens eine Faser bzw. ein Faden oder Garn, zum Beispiel auf einer Nadel, mit sich selbst verschlungen, um eine Masche zu bilden. Dadurch können sich beispielsweise einzelne Faserabschnitte einer Faser kreuzen. Auch Gestricke können eine Mehrzahl von Fasern oder Garnen, die parallel zueinander geführt sind, umfassen. Dann können sich eventuell auch Fasern oder deren Faserabschnitte kreuzen. Dabei kann es sich um gleichartige oder unterschiedliche Fasern oder Garne handeln.
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Zwei Fasern oder Faserabschnitte, die sich kreuzen, können dabei beispielsweise so zueinander angeordnet sein, dass von der einen Faser auf die andere Faser eine Kraftübertragung möglich ist, zum Beispiel eine Zugkraft. Die Fasern können sich zum Beispiel schneiden oder zumindest teilweise überlappen. Dies kann eventuell der Fall sein, wenn die Fasern in unterschiedliche Richtungen mit einer Kraft beansprucht werden. Dies kann beispielsweise auch der Fall sein, wenn das textile Flächengebilde matrixmaterialfrei und noch nicht imprägniert ist.
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Ein Lagerring kann beispielsweise jedwedes Bauteil sein, das drehbar gegenüber einem anderen Bauteil anordenbar ist. Es kann sich dabei möglicherweise um eine Gleitlagerbuchse, um einen Innenring oder einen Außenring für ein Gleitlager oder einen Innenring oder einen Außenring für ein Wälzlager handeln. Lagerringe können zum Beispiel rohr- oder rinförmig ausgebildet sein, wenigstens einen Bord oder zwei Borde aufweisen. Alternativ kann der Lagerring auch bordfrei ausgebildet sein. Bei Wälzlagerringen kann es sich beispielsweise um Lagerringe für ein Nadellager, ein Kegelrollenlager, ein Tonnenlager, ein Kugelrollenlager und/oder dergleichen handeln.
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Ergänzend kann sich die wenigstens eine Faser mit wenigstens einer benachbarten Faser oder einem benachbarten Faserabschnitt zum Aufbau des textilen Flächengebildes so kreuzen oder schneiden, dass diese eine Fläche einschließen. Die Fläche kann eine charakteristische lichte Weite aufweisen. Die zweite Faser oder der zweite Faserabschnitt und die dritte Faser oder der dritte Faserabschnitt erstrecken sich dabei dann mindestens um einen Wert, der der lichten Weite entspricht, in die jeweilige Raumrichtung. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann so ein textiles Flächengebilde zur Verfügung gestellt werden, das einen dreidimensionalen Aufbau aufweist. Durch den dreidimensionalen Aufbau können die einzelnen Fasern oder Faserstränge oder Faserabschnitte dabei in alle Raumrichtungen miteinander verwebt sein und so unter Umständen eine gute Aufnahme der von außen angreifenden Kräfte in alle Raumrichtungen bieten. Die lichte Weite kann beispielsweise eine Fadendicke sein, eine Maschengröße oder ein Abstand von Kett- und/oder Schussfäden bei einem Gewebe. Es kann also bei manchen Ausführungsbeispielen eine bei konventionellen Lagerringen, welche aus mehreren gewickelten zweidimensionalen Gewebeschichten hergestellt sind, möglicherweise auftretende interlamellare Schichtablösung vermieden werden. Unter Umständen kann die wenigstens eine Faser oder wenigstens einer der Faserabschnitte auch gekrümmt sein, um die Fläche einzuschließen. Es handelt sich nicht um ein zweidimensionales textiles Flächengewebe, sondern um ein textiles Gebilde, bei dem einzelne Maschen, beispielsweise bei einem Gestrick oder ein Gewebe, auch in eine andere Richtung als entlang einer Oberfläche mit weiteren Maschen, Fasern oder Faserabschnitten verbunden sind. Bei Ausführungsbeispielen, bei denen das textile Flächengebilde ein Gestrick ist oder durch Stricken hergestellt ist, ist also wenigstens eine Masche in wenigstens drei Richtungen mit einer weiteren Masche verbunden. Maschen die miteinander verbunden sind, können dabei so miteinander in Wirkverbindung stehen, dass eine Kraftübertragung möglich ist, beispielsweise Zugkräfte übertragbar sind. Dies betrifft eine Anordnung der Maschen in dem textilen Flächengebilde, das matrixmaterialfrei und/oder noch unimprägniert ist. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist das textile Flächengebilde ein Gewebe. Dann steht wenigstens eine Faser in wenigstens drei Richtungen mit wenigstens einer weiteren Faser in kraftschlüssiger Wirkverbindung.
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Ergänzend oder alternativ kann ein Raumvolumen, das das textile Flächengebilde einnimmt, mindestens 90%, 95%, 98%, 99% eines Raumvolumens des Lagerrings entsprechen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann dadurch, dass das textile Flächengebilde bereits eine endkonturnahe Form oder sogar eine Form der Endkontur des Lagerrings aufweist, ein Lagerring mit einer hohen Stabilität bereitgestellt werden. Ein Raumvolumen des textilen Flächengebildes ist dabei ein Volumen, das das textile Flächengebilde verdrängen würde, wenn es bis zu seiner größten Außenkontur bereits gefüllt wäre. Das Raumvolumen entspricht also nicht einem Volumen der wenigstens einen Faser des textilen Flächengebildes, sondern ein Volumen eines Körpers innerhalb dem die wenigstens eine Fasern angeordnet ist. Dieser Körper kann eine Abmessung, eine Höhe, eine Breite und/oder einen Durchmesser des textilen Flächengebildes aufweisen.
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Um das textile Flächengebilde endkonturnah zu formen, kann das textile Flächengebilde, beispielsweise wenn es bei einem Lagerring mit wenigstens einem Bord oder zwei Borden eingesetzt wird, auch einen Bordverstärkungsbereich aufweisen. Der Bordverstärkungsbereich, der wenigstens einen Bord des Lagerrings verstärkt, kann mit einem Ringverstärkungsbereich des textilen Flächengebildes, der eine Gleitfläche, eine Laufbahn oder Lauffläche des Lagerrings verstärkt, über wenigstens einen Faserabschnitt oder eine Masche verbunden sein. Dadurch, dass das textile Flächengebilde einstückig ausgebildet ist und eine endkonturnahe Form des Lagerrings aufweist, kann dieser eine erhöhte Stabilität aufweist und/oder aus mehreren Richtungen beansprucht werden. Der Bordverstärkungsbereich kann beispielsweise in einer radialen Richtung eine größere Ausdehnung aufweisen als der Ringverstärkungsbereich. Unter Umständen kann der Bordverstärkungsbereich in axialer Richtung benachbart zu dem Ringverstärkungsbereich angeordnet sein und/oder abschnittsweise mit diesem überlappen. Es können unter Umständen Sollbruchstellen, die möglicherweise bei einem Fügen des Bordverstärkungsbereichs und dem Ringverstärkungsbereich entstehen würden, entfallen. Um die einzelnen Bereiche zu verbinden, können die Fasern oder Faserabschnitte miteinander verschränkt oder verkreuzt sein, dies kann zum Beispiel in Maschen-, Gewebe- oder Geflechtform erfolgen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann der Lagerring auch so gestrickt oder gewebt sein, dass er nahtlos hergestellt ist. Beispielsweise können dann nur die Außenwände oder eine Außenkontur des textilen Flächengebildes die Ringform aufweisen.
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Ergänzend oder alternativ kann die Faser eine PTFE-umfassende Faser sein. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann so eine tribologische Eigenschaft des Lagerrings, beispielsweise in Fällen in denen er als Gleitlagerring eingesetzt ist, verbessert werden. Unter Umständen kann die PTFE umfassende Faser vollständig aus PTFE (Polytetrafluorethylen) hergestellt sein.
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Ergänzend oder alternativ kann es sich bei der Faser auch um eine Verstärkungsfaser handeln. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann so die Festigkeit oder die Stabilität des Lagerrings verbessert sein. Die Verstärkungsfaser kann eventuell ein anderes Material als PTFE umfassen oder PTFE-frei sein. Bei den Verstärkungsfasern kann es sich beispielsweise um Kohlefasern, Kunststofffasern, beispielsweise Polyesterfasern, Glasfasern, Keramikfasern, Metallfasern oder andere konventionelle Verstärkungsfasern handeln.
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Der Lagerring kann bei manchen Ausführungsbeispielen auch ein textiles Flächengebilde aufweisen, in dem wenigstens eine PTFE-umfassende Faser und andere Verstärkungsfasern eingearbeitet sind. Beispielsweise können die PTFE-umfassenden Fasern als Kettfäden und die Verstärkungsfasern als Schussfäden verwendet werden. Analog können auch die PTFE-umfassenden Fasern als Schussfäden und die Verstärkungsfasern als Kettfäden verwendet werden. Ergänzend oder alternativ können auch PTFE-umfassende Fasern und Verstärkungsfasern in einem Garn gemeinsam angeordnet werden, mit dem dann das textile Flächengebilde aufgebaut wird. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die unterschiedlichen Faserarten auch parallel zueinander, beispielsweise als Einzelfasern, Faserbündel oder Garne angeordnet sein.
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Ergänzend oder alternativ kann die charakteristische lichte Weite in einem Bereich einer Laufbahn oder Gleitzone des Lagerrings kleiner sein als in einem anderen Bereich des Lagerrings. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann so ermöglicht werden, dass der Lagerring in höher belasteten Bereichen eine größere Festigkeit aufweist.
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Ergänzend oder alternativ kann die charakteristische lichte Weite als ein Abstand zwischen Faserabschnitten oder Fasern, welche PTFE umfassen, in einem Bereich einer Gleitzone des Lagerrings kleiner sein als in einem anderen Bereich des Lagerrings. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann dadurch, dass eine Webdichte oder eine Maschengröße der PTFE umfassenden Fasern in einem Bereich der späteren Gleitzone höher eingestellt ist, ein besseres Gleitverhalten ermöglicht werden.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst der faserverstärkte Werkstoff oder Kunststoff ein Matrixmaterial. Das textile Flächengebilde kann mit dem Matrixmaterial imprägniert sein. Durch das Matrixmaterial kann der Lagerring bei manchen Ausführungsbeispielen seine benötigte Stabilität und seine mechanischen Eigenschaften erhalten. Der faserverstärkte Werkstoff kann als Matrixmaterial ein Monomer umfassen. Eventuell kann dem Matrixmaterial auch wenigstens ein Gleitmittel oder ein Gleitzusatz zugemischt sein. Unter Umständen können auch eine Mehrzahl von Gleitmitteln oder Gleitzusätzen zugemischt sein. Bei dem Gleitmittel kann es sich um ein PTFE-Pulver, PTFE-Fasern, Graphit und/oder MoS2 (Molybdändisulfid) handeln. Unter Umständen kann bei manchen Ausführungsbeispielen so eine Gleiteigenschaft des Lagerrings verbessert sein. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann der Lagerring eine Gleitfläche in Form eines Liners aufweisen. Der Liner kann einen Kunststoff oder einen gewebeverstärkten Kunststoff aufweisen oder vollständig aus diesem hergestellt sein. Beispielsweise kann die Gleitfläche als separates Bauteil an dem Lagerring befestigt sein. Unter Umständen können dazu Verbindungstechniken wie Kleben, Schweißen oder dergleichen eingesetzt werden. Das Material der Gleitfläche kann sich eventuell von dem faserverstärkten Werkstoff des Lagerrings, der das textile Flächengebilde umfasst, unterscheiden. Die Gleitfläche kann beispielsweise faserfrei sein. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann die Gleitfläche auch ein zweidimensionales textiles Flächengebilde umfassen.
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Der Lagerring, beispielsweise wenn er als Wälzlagerring eingesetzt ist, kann eine Laufbahn oder Lauffläche umfassen, Das Material der Laufbahn kann sich von dem faserverstärkten Werkstoff oder Kunststoff unterscheiden. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann so eine Laufbahn mit einer ausreichenden Härte bereitgestellt werden. Die Laufbahn kann ein härteres Material umfassen als der faserverstärkte Kunststoff, beispielsweise ein Metall, Stahl, ein Stahlblech und/oder Aluminium. Die Laufbahn kann eventuell an den faserverstärkten Kunststoff geklebt, gerastet, genäht und/oder auf andere Art und Weise mit dem faserverstärkten Kunststoff verbunden sein. Gegebenenfalls kann das textile Flächengebilde und/oder das Matrixmaterial auch wenigstens eine Aussparung aufweisen, in die die Laufbahn eingelegt wird. Unter Umständen kann der Lagerring, beispielsweise in Fällen, in denen er als Wälzlagerring eingesetzt ist, frei von PTFE und/oder anderen Gleitmaterialien sein.
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Ausführungsbeispiele betreffen auch ein Verfahren zum Herstellen eines Lagerrings. Dabei wird ein textiles Flächengebilde aufgebaut, sodass sich wenigstens eine Faser mit wenigstens zwei benachbarten Fasern oder Faserabschnitten kreuzt. In wenigstens einem Bereich des textilen Flächengebildes kreuzt sich eine erste Faser sowohl mit einer zweiten Faser oder einem zweiten Faserabschnitt und einer dritten Faser und einem dritten Faserabschnitt. Dabei erstreckt sich die zweite Faser oder der zweite Faserabschnitt zumindest abschnittsweise senkrecht zu der ersten Faser. Auch die dritte Faser oder der dritte Faserabschnitt erstrecken sich zumindest abschnittsweise senkrecht zu der ersten Faser und der zweiten Faser bzw. dem zweiten Faserabschnitt. Bei dem Verfahren erfolgt auch ein Imprägnieren des textilen Flächengebildes mit einem Matrixmaterial aus Kunststoff.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den beigefügten Figuren offenbarten Ausführungsbeispiele sowie deren einzelne Merkmale können sowohl einzeln wie auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung eines Ausführungsbeispiels in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein und implementiert werden.
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So zeigen die Figuren schematisch die nachfolgenden Ansichten.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Lagerrings gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines vergrößerten Ausschnitts eines textilen Flächengebildes für den Lagerring gemäß 1;
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3a–3c zeigen unterschiedliche schematische Darstellungen von textilen Flächengebilden
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines Lagerrings gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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5 zeigt eine schematische Darstellung zum Herstellen eines Lagerrings gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der beigefügten Darstellungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. Ferner werden zusammenfassende Bezugszeichen für Komponenten und Objekte verwendet, die mehrfach in einem Ausführungsbeispiel oder in einer Darstellung auftreten, jedoch hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale gemeinsam beschrieben werden. Komponenten oder Objekte, die mit gleichen oder zusammenfassenden Bezugszeichen beschrieben werden, können hinsichtlich einzelner, mehrerer oder aller Merkmale, beispielsweise ihrer Dimensionierungen, gleich, jedoch gegebenenfalls auch unterschiedlich ausgeführt sein, sofern sich aus der Beschreibung nicht etwas anderes explizit oder implizit ergibt.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Lagerrings 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Lagerring 1 für ein Lager umfasst einen faserverstärkten Werkstoff, bei dem sich zum Aufbau eines textilen Flächengebildes 2 wenigstens eine Faser 3 mit wenigstens zwei benachbarten Fasern 4 und 5 oder Faserabschnitten kreuzt. Dabei kreuzt sich in wenigstens einem Bereich des textilen Flächengebildes 2 die wenigstens eine Faser 3 als eine erste Faser mit einer zweiten Faser 6 oder einem zweiten Faserabschnitt, die oder der sich zumindest abschnittsweise senkrecht zu der ersten Faser 3 erstreckt. Gleichzeitig kreuzt sich die erste Faser 3 auch mit einer dritten Faser 7 oder einem dritten Faserabschnitt, die oder der sich zumindest abschnittsweise senkrecht zu der ersten Faser 3 und der zweiten Faser 6 oder dem zweiten Faserabschnitt erstreckt.
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Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines vergrößerten Ausschnitts des textilen Flächengebildes 2 für den Lagerring 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Wie erkennbar, sind die Fasern 3, 6 und 7 so angeordnet, dass sie sich in Richtungen erstecken, die ein dreidimensionales Koordinatensystem zwischen sich aufspannen. Eine Richtung, in die sich eine Faser erstreckt, kann dabei beispielsweise eine Richtung sein, in der oder parallel zu der eine Faser mit ihrer Hauptausdehnung oder Haupterstreckung angeordnet ist. Wenn sich die Faser windet, gebogen ist oder beispielsweise zu Maschen geformt ist, kann sich eine Richtung, in der die Faser angeordnet ist, auch ändern. Bei den Fasern 3, 6 und 7 kann es sich auch um Faserabschnitte handeln, von denen zumindest zwei oder alle drei zu der ersten Faser 3 gehören. Wie in der 2 erkennbar ist die Faser 3 parallel zu einer x-Achse eines Koordinatensystems, die Faser 7 parallel zu einer z-Achse des Koordinatensystems und die Faser 6 parallel zu einer y-Achse des Koordinatensystems angeordnet. Ein Winkel α, den die Faser 7 und die Faser 3 in einer z-x-Eben einschließen, beträgt 90°. Bei einigen weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann der Winkel α auch andere Werte aufweisen, beispielweise kleiner oder größer sein. Analog kann ein entsprechender Winkel zwischen den anderen Fasern auch verschieden von 90° sein, solange sich die drei Fasern zumindest abschnittsweise in drei Raumrichtungen erstrecken. Beispielsweise kann sich die Faser 7 oder ein entsprechender Faserabschnitt jeweils senkrecht zu einer Richtungskomponente der Faser 3 und einer Richtungskomponente der Faser 6 erstrecken.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen kann sich die wenigstens eine Faser 3 mit den wenigstens zwei benachbarten Fasern 4 und 5 oder Faserabschnitten oder auch den Fasern 3, 7 und 6 zum Aufbau des textilen Flächengebildes 2 so kreuzen, dass diese eine Fläche einschließen. Die Fläche kann eine charakteristische lichte Weite aufweisen. Die 3a bis 3c zeigen unterschiedliche Darstellungen von sich kreuzenden Fasern oder Faserabschnitten eines textilen Flächengewebes. Die Darstellungen dienen vor allem zur Erläuterung des Begriffs charakteristische lichte Weite und wie sich Fasern oder Faserabschnitte kreuzen können. Aus Gründen der besseren Darstellbarkeit sind Fasern und Faserabschnitte dargestellt, die nur in einer Ebene, nämlich der Blattebene angeordnet sind.
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In der 3a sind eine erste Faser 3, eine zweite Faser 4 und eine weitere diese kreuzende Faser 5 angeordnet. Die Fasern schließen eine Fläche 8 ein. Bei dem Ausführungsbeispiel der 3a weist die Fläche 8 eine Form eines Dreiecks auf. Die charakteristische lichte Weite A ist dabei eine Länge eines Lots, von einer Spitze auf einen der Spitze gegenüberliegenden Schenkel des Dreiecks. Es kann sich dabei um eine kleinste, eine mittlere oder eine größte in dem Dreieck auftretende Länge eines Lots handeln. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die charakteristische lichte Weite auch eine größte, eine mittlere und/oder eine kleinste Abmessung oder Ausdehnung der Fläche 8 sein.
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Die 3b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel von sich kreuzenden Fasern in einem Gewebe. Dabei sind die erste Faser 3 und eine weitere Faser 9 parallel zueinander als Kettfaden angeordnet. Als Schussfäden sind zwei parallel zueinander angeordnete Fasern 11 und 12 angeordnet. Diese sind im Wesentlichen rechtwinklig zu den Fasern 3 und 9 angeordnet. Die Fasern 3, 9, 11 und 12 schließen eine Fläche 10 ein. Die Fläche 10 weist die Form eines Rechtecks auf. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die einzelnen Fasern auch schräg zueinander angeordnet werden, dann kann die Fläche 10 die Form eines Vierecks, einer Raute oder bei anderen Abständen auch die Form eines Quadrats aufweisen. Die lichte Weite B der Fläche 10 kann beispielsweise ein Abstand zwischen den Kettfäden 3 und 9 sein. Analog kann als charakteristische lichte Weite C auch ein Abstand zwischen den Schussfäden 11 und 12 in Betracht kommen. Die charakteristische lichte Weite kann beispielsweise ein kleinster Abstand sein, in dem die parallel zueinander verlaufenden Fasern bei einem Gewebe angeordnet sind.
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Andere textile Flächengebilde werden gestrickt oder gehäkelt. Dabei werden Maschen erzeugt. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann die charakteristische lichte Weite eine Maschengröße und/oder eine Faserdicke bzw. ein Durchmesser des Garns, der Faser oder des Faserbündels sein. Die charakteristische lichte Weite kann zum Beispiel ein Abstand zwischen direkt benachbart angeordneten Fasern oder Faserabschnitten sein. Zwischen zwei direkt benachbarten Fasern oder Faserabschnitten ist beispielsweise keine weitere Faser der gleichen Art angeordnet.
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Die 3c zeigt ein Beispiel einer Masche. Eine Faser 3 bildet dazu eine Schlaufe, indem ein Faserabschnitt 14 und ein Faserabschnitt 15 eine Fläche 13 einschließen. Beispielsweise kann die lichte Weite auch eine längste oder kürzeste Ausdehnung D der Fläche 13 sein.
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Bei dem textilen Flächengebilde 2 gemäß Ausführungsbeispielen können sich die Fasern auch auf andere Art und Weise kreuzen. Zudem können sich in einer Ebene vor und/oder hinter der Blattebene weitere Fasern oder Faserabschnitte befinden, die auch senkrecht zu der Blattebene und/oder senkrecht zu einer Richtungskomponente mit den Fasern der Blattebene verbunden sind. Bei dem textilen Flächengebilde 2 handelt es sich nicht um ein zweidimensionales Gewebe, Gelege oder -gestrick, sondern um eine dreidimensionale Anordnung von Fasern, die sich in alle drei Raumrichtungen erstrecken. Das Erstrecken in die jeweilige Raumrichtung oder Richtung erfolgt dabei beispielsweise um einen Wert, der wenigstens der charakteristischen lichten Weite zwischen sich kreuzenden Fasern oder Faserabschnitten entspricht oder sogar größer ist als diese. Die Faser erstreckt sich also weiter in die jeweilige Raumrichtung, als um einen Faden bei einem zweidimensionalen Gewebe oder als um einen Faserabschnitt zum Formen einer Masche bei einem zweidimensionalen Gestrick. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann so ein dreidimensionales Gewebe erzeugt werden.
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Beispielsweise kann die wenigstens eine Faser 3 so gestrickt, gewebt oder gehäkelt sein, dass wenigstens eine Projektion eines ersten Faserabschnitts eine Projektion eines zweiten Faserabschnitts und eine Projektion eines dritten Faserabschnitts sich kreuzen. Die Herstellung solcher textilen Flächengebilde oder Gewebeschichten kann beispielsweise auf speziellen Strickmaschinen erfolgen. Alternativ können solche Gewebeschichten auch durch Herstellen einzelner Flächengebilde, die anschließend in eine dritte Richtung miteinander verbunden, verstrickt, verwebt oder verhäkelt werden, erfolgen.
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Bei dem Lagerring 1 kann es sich beispielsweise um einen Gleitlagerring handeln. Dieser kann als Gleitlagerbuchse oder auch als Innen- oder Außenring für ein Gleitlager ausgebildet sein bzw. verwendet werden. Zur Herstellung des Gleitlagerrings wird bei manchen Ausführungsbeispielen zunächst ein dreidimensionales Mischgewebe aus Verstärkungsfasern, beispielsweise Kohlefasern, Polyesterfasern oder Glasfasern und PTFE-umfassenden Fasern, welche als Trockenschmierstoff dienen können, in einer Web- oder Stricktechnik als Halbzeug hergestellt. Dabei sind die Fasern auf die beschriebene Art und Weise verbunden. Es können dabei auch lediglich die Verstärkungsfasern miteinander auf die beschriebene Art und Weise verbunden oder zueinander angeordnet sein. Analog können auch nur die PTFE-umfassenden Fasern auf die beschriebene Art und Weise zueinander angeordnet oder verbunden sein. Bei manchen Ausführungsbeispielen können Verstärkungs- und PTFE-Fasern in einem Garn angeordnet sein. Das Garn oder einzelne Garnabschnitte können dann, wie für die Fasern beschrieben, miteinander verbunden sein. Analog können auch Verstärkungsfasern in einem Garn oder Faserbündel vorliegen, welche auf die beschriebene Art und Weise angeordnet sein können. Dies gilt auch für die PTFE-umfassenden Fasern.
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Das dreidimensionale Gewebe oder Gestrick bzw. textile Flächengewebe 2 kann dabei bereits die Geometrie oder zumindest annähernd die Geometrie des Lagerrings 1 aufweisen. Es kann sich dabei um einen Innen- oder Außenring in einer Ausführungsform mit Lagerborden oder ohne Lagerborde handeln. Die einzelnen Fasern, welche auch als Faserstränge angeordnet sein können, sind dabei in alle Raumrichtungen miteinander verwebt. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann so eine gute Aufnahme der von außen angreifenden Kräften in alle Raumrichtungen ermöglicht werden. Dies kann beispielsweise auch im Bereich eventuell vorhandener Borde der Fall sein. Eine Webdichte der PTFE-umfassenden Fasern kann dabei im Bereich einer späteren Gleitzone des Lagerrings 1 höher eingestellt sein als außerhalb der Gleitzone. Bei eine abnehmenden Webdichte kann die lichte Weite kleiner sein. Beispielsweise kann die Webdichte, also auch die lichte Weite in radialer Richtung kontinuierlich abnehmen. Eventuell kann die lichte Weite auch stufenartig abnehmen. Das dreidimensionale Mischgewebe in Form des Lagerrings 1 kann dann mit einer Kunststoffmatrix aus einem thermoplastischen Harz imprägniert werden und anschließend gegebenenfalls noch Aushärten. Zur Imprägnieren wird das dreidimensionale Mischgewebe oder textile Flächengewebe 2 in Form des Gleitlagerrings beispielsweise in ein Spritzgießwerkzeug eingelegt und durch Einspritzen eines sehr niedrig viskosen Monomers, beispielsweise Caprolactam, imprägniert. Bei manchen Ausführungsbeispielen können zur weiteren Verbesserung der tribologischen Eigenschaften dem Matrixmaterial oder dem Monomer Zusatzstoffe in Form von tribologischen Additiven, beispielsweise PTFE-Pulver, Graphit, MoS2, beigegeben werden. Nach einer entsprechenden Aktivierung des Monomers, beispielsweise durch Druck und/oder Temperatur, kann in dem Spritzgusswerkzeug eine In-Situ-Polymerisation erfolgen. Wenn Caprolactam als Matrixmaterial eingesetzt wird, kann dieses beispielsweise zu einem thermoplastischen Polyamid 6 polymerisiert werden. Durch eine niedrige Ausgangsviskosität des Monomers im Vergleich zu geschmolzenen Thermoplasten kann unter Umständen eine gute und möglichst vollständige Imprägnierung des dreidimensionalen textilen Flächengebildes 2 in dem Werkzeug erzielt werden. Durch die Wahl des Monomers als Matrixmaterials können bei manchen Ausführungsbeispielen auch sehr engmaschige dreidimensionale Gewebe mit einer hohen Festigkeit imprägniert werden. Alternativ kann das dreidimensionale textile Flächengebilde 2 auch mit einem duroplastischen Matrixmaterial oder einem duroplastischen Harz imprägniert werden. Selbstverständlich können auch andere Methoden zum Imprägnieren des textilen Flächengewebes 2 mit dem Matrixmaterial eingesetzt werden. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann durch die selbstschmierende Eigenschaft der wenigstens einen Faser des faserverstärkten Kunststoffs bei einem Gleitlagerring ein nachträgliches Einkleben von Gleitschichten in den Gleitlagerring entfallen. Unter Umständen können Gleitlagerringe auch lediglich aus Verstärkungsfasern hergestellt werden und anschließend mit Gleitschichten beklebt oder versehen werden.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein mit diesem Verfahren hergestellter Lagerring beispielsweise gegenüber Stahlringen reduzierte Herstellungskosten aufweisen. Unter Umständen kann eventuell auch ein Gewicht reduziert und/oder eine Korrosions- und Chemikalienbeständigkeit erhöht sein. Ferner können bei manchen Ausführungsbeispielen auch eine Dämpfungseigenschaft und eine Schlagzähigkeit des Lagerrings verbessert sein. Der Lagerring kann eventuell als selbstschmierender und wartungsfreier Gleitlagerring ausgebildet sein.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines Lagerrings 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, der als Wälzlagerring ausgebildet ist. Beispielsweise kann der Lagerring 1 als Innen- oder als Außenring eingesetzt werden. Wie in der Draufsicht der 4 erkennbar, ist an einem Grundkörper 16 aus dem faserverstärkten Werkstoff eine Laufbahn 17 angeordnet. Der Grundkörper 16, welcher auch als Lagerringgrundkörper bezeichnet werden kann, ist ringförmig ausgebildet, weist im Wesentlichen eine Form des Lagerrings 1 auf und umfasst das textile Flächengebilde 2 gemäß Ausführungsbeispielen. Die Laufbahn 17 kann dabei drehfest und/oder auch in axialer Richtung fest bzw. unbeweglich an dem Grundkörper 16 des Lagerrings 1 befestigt sein. Ein Verbinden der Laufbahn 17 mit dem Grundkörper 16 kann dabei beispielsweise über Schweißen, Kleben und/oder eine andere Verbindungsart erfolgen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann das textile Flächengebilde, welches auch als 3D-Gewebe bezeichnet werden kann, in Form eines Lagerrings, beispielsweise bei einem Einlegen in ein Spritzgießwerkzeug, in einem Bereich der späteren Laufbahn zusätzlich mit dünnwandigen Einlegern aus einem Metall, welche die Laufbahn 17 darstellen, versehen werden. Die Laufbahn kann zum Beispiel eine Dicke aufweisen, die kleiner ist als eine Dicke des Grundkörpers 16, beispielsweise wenigstens um einen Faktor 5, 10, 50 oder 100. Auf der Laufbahn 17 können die Wälzkörper abrollen. Die Laufbahn 17 kann an einer nach radial innen gerichteten Fläche oder an einer nach radial außen gerichteten Fläche des Lagerrings 1 angeordnet sein. Die Laufbahn 17 kann bereits die Form der Laufbahngeometrie aufweisen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann so eine erhöhte Oberflächenhärte der Laufbahn 17 gegenüber einem Lagerring aus reinem faserverstärktem Kunststoff oder Faserverbund erhöht sein.
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Bei Ausführungsbeispielen, bei denen der Lagerring 1 als Gleitlagerring dient, kann der Lagerring in einem Bereich der späteren Gleitfläche bei einem Einlegen in das Spritzgießwerkzeug oder nach dem Spritzgießvorgang auch mit einem dünnwandigen Liner aus Kunststoff oder gewebeverstärktem Kunststoff versehen werden. Dann kann der Gleitlagerring einen Grundkörper aufweisen, analog zu dem Ausführungsbeispiel der 4. Ein Liner kann beispielsweise ein flächiges Gebilde, beispielsweise eine Folie, eine Platte oder dergleichen sein. Der Liner kann zum Beispiel eine Dicke aufweisen, die kleiner ist, als eine Dicke des Grundkörpers des Lagerrings, beispielsweise wenigstens um einen Faktor 5, 10, 50 oder 100.
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Bei anderen Ausführungsbeispielen können zusätzlich angeordnete Gleit- und/oder Laufflächen entfallen. Die Gleit und/oder Lauffläche kann dann beispielsweise bei einem Imprägnieren des textilen Flächengebildes mit dem Matrixmaterial hergestellt werden.
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Bei Ausführungsbeispielen, bei denen der Lagerring 1 als Wälzlagerring dient, wird das dreidimensionale textile Flächengebilde 2 aus Verstärkungsfasern, beispielsweise Kohlefasern, Glasfasern, Aramidfasern oder anderen Verstäkungsfasern mittels einer Web- oder Stricktechnik als Halbzeug hergestellt. Dabei sind die Fasern wie beschrieben angeordnet. Gleitmittel umfassende Fasern, wie beispielsweise PTFE können dabei unter Umständen entfallen. Ein Imprägnieren mit einem Matrixmaterial kann analog, wie für den Gleitlagerring beschrieben, erfolgen. Eventuell können dann Zusätze, welche eine Gleiteigenschaft verbessern, entfallen.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 20 zum Herstellen eines Lagerrings gemäß Ausführungsbeispielen. Dabei wird in einem Vorgang 21 ein textiles Flächengebilde aufgebaut, sodass sich wenigstens eine Faser mit wenigstens zwei benachbarten Fasern oder Faserabschnitten kreuzt, wobei sich in wenigstens einem Bereich des textilen Flächengebildes wenigstens eine erste Faser mit einer zweiten Faser oder einem zweiten Faserabschnitt kreuzt, der sich zumindest abschnittsweise senkrecht zu der ersten Faser erstreckt. Die erste Faser schneidet sich auch mit einer dritten Faser oder einem dritten Faserabschnitt, der oder die sich zumindest abschnittsweise senkrecht zu der ersten und der zweiten oder dem zweiten Faserabschnitt erstreckt.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen kann das Verfahren 20 auch einen gestrichelt dargestellten Vorgang 22 umfassen. In dem Vorgang 22 kann das textile Flächengebilde beispielsweise mit einem Matrixmaterial imprägniert werden. Mit anderen Worten kann das Verfahren auch ein Imprägnieren des textilen Flächengebildes mit einem Matrixmaterial aus Kunststoff umfassen.
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Unter Umständen kann vor, nach oder auch gleichzeitig mit dem Vorgang 22 eine Laufbahn an dem Lagerring, beispielsweise aus einem Metall, befestigt werden.
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Mit manchen Ausführungsbeispielen des Lagerrings 1 kann, beispielsweise gegenüber Kunststoffringen, welche kurzfaserverstärkt oder in einem Wickelverfahren hergestellt sind, eine höhere Tragfähigkeit, eine höhere Bordfestigkeit und/oder eine geringere Kriechneigung bewirkt werden. Bei Wälzlagerringen kann eventuell ein geringerer Verschleiß im Bereich der Laufbahn und damit unter Umständen eine höhere Lebensdauer bewirkt werden. Es kann sich beispielsweise auch um einen wartungsfreien, selbstschmierenden Gleitlagerring in Leichtbauweise aus einem dreidimensional gewebten oder gestrickten Mischgewebe aus Verstärkungs- und PTFE-umfassenden Fasern handeln.
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Lagerringe, Gleitlagerringe oder Wälzlagerringe gemäß Ausführungsbeispielen können in allen möglichen Anwendungen, beispielsweise Fahrzeugen, Arbeitsmaschinen, Transportvorrichtungen, im Schiffsbau, bei allen möglichen Wälzlagerarten oder Gleitlagern eingesetzt werden.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den beigefügten Figuren offenbarten Ausführungsbeispiele sowie deren einzelne Merkmale können sowohl einzeln wie auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung eines Ausführungsbeispiels in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein und implementiert werden.
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Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen können Merkmale, die in anderen Ausführungsbeispielen als Vorrichtungsmerkmal offenbart sind, auch als Verfahrensmerkmale implementiert sein. Ferner können gegebenenfalls auch Merkmale, die in manchen Ausführungsbeispielen als Verfahrensmerkmale implementiert sind, in anderen Ausführungsbeispielen als Vorrichtungsmerkmale implementiert sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lagerring
- 2
- textiles Flächengebilde
- 3
- erste Faser
- 4
- Faser
- 5
- Faser
- 6
- zweite Faser oder Faserabschnitt
- 7
- dritte Faser oder Faserabschnitt
- 8
- Fläche
- 9
- Kettfaden
- 10
- Fläche
- 11
- Schussfaden
- 12
- Schussfaden
- 13
- Fläche
- 14
- Faserabschnitt
- 15
- Faserabschnitt
- 16
- Grundkörper
- 17
- Lauffläche
- 20
- Verfahren
- 21
- Vorgang
- 22
- Vorgang
- α
- Winkel
- A
- charakteristische lichte Weite
- B
- charakteristische lichte Weite
- C
- charakteristische lichte Weite
