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TECHNISCHES GEBIET
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Pendelrollenlager. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Lageranordnung. Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung eine Windturbinenlageranordnung.
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HINTERGRUND
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Pendelrollenlager sind für ihre Fähigkeit radiale und axiale Lasten aufzunehmen bekannt, aber auch für ihr Fluchtungsfehlervermögen. Diese Lager werden in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt, besonders bei anspruchsvolleren Einsätzen, bei denen es größere Lasten gibt, und bei denen es auch Wellenverbiegungen geben kann. Ein Beispiel, bei dem ein Pendelrollenlager vorteilhafterweise verwendet werden kann, ist im Einsatz bei Windturbinen. Andere Beispiele für Bereiche, in denen diese Lager eine geeignete Alternative sein können, ist in Zellstoff- und Papiermaschinen, bei Einsätzen im Meer, bei Einsätzen im Gelände und bei Einsätzen im Bergbau.
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Es stehen mehrere verschiedene Ausgestaltungen zur Verfügung. Zum Beispiel gibt es Pendelrollenlager, die kammförmige Käfige umfassen, aber auch Lager, die Käfige in Fensterbauart umfassen. Zudem umfassen einige der bekannten Ausgestaltungen Führungsringe, und andere Lagertypen umfassen Mittelflansche an den Innenringen. Die verschiedenen Ausgestaltungen bieten verschiedene Vorteile und sind daher für verschiedene Bedürfnisse nützlich und geeignet. Die Lager können beispielsweise für verschiedene Gegebenheiten und Umgebungen optimiert werden, wie beispielsweise für Einsätze bei hohen oder niedrigen Geschwindigkeiten, hauptsächlich bei radialen Lasten, hauptsächlich bei axialen Lasten, bei großen Wellenverbiegungen, etc.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Anbetracht des Obigen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Ausgestaltung eines Pendelrollenlagers und eine Lageranordnung bereitzustellen, die zumindest einige der Nachteile des Stands der Technik verringern. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ausgestaltung eines Pendelrollenlagers bereitzustellen, die besonders vorteilhaft ist, um bei Anwendungen, die mit geringer Geschwindigkeit rotieren, verwendet zu werden.
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Diese Aufgaben werden durch die in dem unabhängigen Anspruch vorgestellten Merkmale erreicht. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung können in den abhängigen Ansprüchen und in der beigefügten Beschreibung gefunden werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung werden die Aufgaben durch ein Pendelrollenlager gelöst mit einem Außenring, der zumindest eine innere Lauffläche bietet, mit einem Innenring, der eine erste und eine zweite äußere Lauffläche bietet, mit mehreren Rollenelementen, die zwischen der zumindest einen inneren Lauffläche und der entsprechenden ersten und zweiten äußeren Lauffläche in einer ersten und einer zweiten Rollenreihe angeordnet sind. Darüber hinaus umfasst das Lager einen Käfig zum Führen und/oder zum Halten der Rollenelemente in der ersten und zweiten Rollenreihe, wobei der Käfig mehrere Käfigtaschen bietet, wobei jeweils eine Rolle dazu bestimmt ist, in der jeweiligen Käfigtasche angeordnet zu sein. Das Lager weist weiterhin einen bestimmten Teilkreisdurchmesser auf, wobei der Käfig in Bezug auf den Teilkreisdurchmesser unterhalb des Teilkreises rollenzentriert ist. Mit unterhalb des Teilkreises ist gemeint, dass der Kontakt zwischen den Rollenelementen und dem Käfig an einer Stelle ist, die radial innerhalb des Teilkreisdurchmessers ist. Zudem ist mit einer zentrierten Rolle gemeint, dass der Käfig durch die Rollenelemente zentriert wird und nicht durch beispielsweise den Innenring oder einen Führungsring, was allgemeine Praxis für bekannte Lagerausgestaltungen ist.
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Ein Teilkreisdurchmesser eines Lagers ist dem Fachmann gut bekannt. Der Teilkreisdurchmesser kann als der Durchmesser definiert sein, der die Drehachse der Rollenelemente in dem Lager in einer axialen Stelle des Lagers schneidet. Zudem werden in diesem Dokument die Begriffe „axial” und „radial” häufig verwendet. Wenn nichts anderes angegeben ist, ist eine axiale Richtung definiert als die axiale Richtung des Lagers, die parallel zu dessen Drehachse ist, die axiale Richtung des Innenrings, die parallel zu dessen Drehachse ist, die axiale Richtung des Außenrings, die parallel zu dessen Drehachse ist, und die axiale Richtung des Käfigs, die parallel zu dessen Drehachse ist. Die radiale Richtung ist die Richtung, die senkrecht zu den entsprechenden axialen Richtungen ist.
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Mit dieser neuen Ausgestaltung mit einem Käfig, der rollenzentriert und auch unterhalb des Teilkreises rollenzentriert ist, verhält sich das Lager, und besonders der Käfig, insbesondere bei Anwendungen mit geringen Geschwindigkeiten stabiler, und besonders dann, wenn die Belastungszone des Lagers in einem radial unteren Bereich des Lagers in Bezug auf die Richtung der Gravitationskraft angeordnet ist. Zudem ist das Lager besonders vorteilhaft für Lageranordnungen, die im Prinzip horizontal sind. Die Rollenelemente in der Belastungszone sind im Prinzip in der radialen und axialen Richtung festgelegt, wenn sie sich entlang ihres Rotationsweges in der tangentialen Richtung des Lagers bewegen. Da die Rollenelemente in der Belastungszone nicht in der Lage sind, ihre axiale und radiale Position zwischen dem Innenring und dem Außenring signifikant zu ändern, ist der Kontakt mit dem Käfig stabiler, als wenn der Kontakt in der unbelasteten Zone des Lagers sein würde. Die Erfinder haben daher erkannt, dass es vorteilhaft sein würde, dass der Käfig über die Rollen, die in der Belastungszone des Lagers sind, rollenzentriert wird. Durch einen unterhalb des Teilkreises rollenzentrierten Käfig tritt der Kontakt zwischen der Rolle und dem Käfig in Bezug auf die Gravitationskraft in dem unteren Teil des Lagers auf.
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In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Pendelrollenlager gezeigt, wobei für zumindest eine Käfigtasche, die Käfigtasche und das darin vorgesehene Rollenelement, weiterhin ein bestimmtes Käfigtaschen/Rollenelement-Radialspiel aufweisen, und wobei das Käfigtaschen/Rollenelement-Radialspiel in Bezug auf den Teilkreisdurchmesser in Richtung nach radial außen größer ist als in Richtung nach radial innen. Durch das Ausgestalten der Käfigtaschen auf diese Weise ist der Kontakt zwischen den Rollenelementen und dem Käfig ein Kontakt unterhalb des Teilkreises, d. h. der Kontakt ist radial innerhalb des Teilkreisdurchmessers des Lagers.
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In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, ist ein Pendelrollenlager gezeigt, wobei das Lager weiterhin axial zwischen der ersten und zweiten Rollenreihe weder einen Abstandsring (wie beispielsweise einen Führungsring), noch einen Mittelflansch auf. Es ist altbekannt, von einem Führungsring axial zwischen den zwei Rollenreihen des Lagers Gebrauch zu machen. Der Führungsring ist besonders nützlich, wenn das Lager bei Einsätzen mit größeren Hochgeschwindigkeiten verwendet wird. Zudem wird der Käfig oft an dem Führungsring zentriert, der wiederum mit dem Innenring in Kontakt ist. Durch das Entfernen des Führungsrings von dem Lager gibt es weniger Bauteile. Dieses ist natürlich in Bezug auf die Kosten vorteilhaft, kann aber auch zu einer robusteren Lagerausgestaltung führen, da weniger Bauteile in dem Lager sind. Darüber hinaus ist auch ein Mittelflansch, der häufig in den Ausgestaltungen im Stand der Technik verwendet wird, kostspielig, da die Fertigung eines Innenrings mit einem Mittelflansch komplizierter ist. Auch das Vorhandensein eines Mittelflansches hat mehr Material zur Folge, was zu einem größeren Gewicht und auch zu höheren Materialkosten führt. Zudem führt die Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung dazu, dass es zwischen dem Käfig und dem Innenring zwischen der ersten und zweiten Rollenreihe einen freien Raum gibt. Dieser Raum kann für Schmiermittel genutzt werden, wie beispielsweise Fett oder Öl. Dieses kann dazu führen, dass die Schmierung der Kontakte zwischen den Laufflächen des Innenrings und der Rollenelemente verbessert ist, da das Schmiermittel in der Nähe dieser Kontaktzone gelagert werden kann.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel ist axial zwischen der ersten und zweiten Rollenreihe ein Abstandsring oder ein Führungsring zum Führen der Rollenelemente vorgesehen. Ein Abstandsring kann bei Einsätzen gebraucht werden, bei denen es höhere Rotationsgeschwindigkeiten gibt. Zum Beispiel kann der Abstandsring die Rollenelemente in der ersten und zweiten Rollenreihe führen.
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In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Pendelrollenlager vorgestellt, wobei zumindest eine der mehreren Käfigtaschen die darin aufgenommene Rolle radial außen umschließt, so dass das Rollenelement beschränkt ist, sich nach radial außen aus der zumindest einen Käfigtasche herauszubewegen. Durch eine solche Ausgestaltung können die Rollenelemente an einem Herausfallen aus dem Lager, beispielsweise während des Lagerzusammenbaus, gehindert werden. In einem anderen Ausführungsbeispiel weist der Innenring weiterhin auf gegenüberliegenden axialen Seiten des Lagers einen ersten und zweiten axialen Außenbereich auf, wobei der entsprechende erste und zweite axiale Außenbereich einen entsprechenden ersten und zweiten Bord aufweist. Der Bord kann weiterhin verbessern und verhindern, dass die Rollen aus dem Lager herausfallen.
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In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, ist ein Pendelrollenlager gezeigt, wobei der Käfig ein kammförmiger Käfig (auch bekannt als ein Kammkäfig) ist. In einem Ausführungsbeispiel ist der Käfig aus einem Polymer, einem Metall, wie beispielsweise Messing, Stahl oder Eisen, oder aus irgendeinem anderen vom Fachmann erkannten geeigneten Material, hergestellt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung werden die Aufgaben durch eine Lageranordnung für Anwendungen, die mit geringen Geschwindigkeiten rotieren, gelöst, wobei die Lageranordnung ein Lager gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung umfasst. Es sollte beachtet werden, dass irgendein Ausführungsbeispiel des ersten Aspekts der Erfindung auf irgendein Ausführungsbeispiel des zweiten Aspekts der Erfindung und umgekehrt, anwendbar ist. Die Erfinder haben erkannt, dass die Lagerausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung besonders vorteilhaft bei Einsätzen mit geringen Geschwindigkeiten ist. Zudem haben die Erfinder weiterhin erkannt, dass diese Ausgestaltung für Einsätze geeignet ist, bei denen die Belastungszone des Lagers in Bezug auf die Richtung der Gravitationskraft in dem radial unteren Bereich des Lagers ist. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Lageranordnung eine im Prinzip horizontale Lageranordnung.
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In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Lageranordnung für mit geringer Geschwindigkeit rotierende Anwendungen vorgestellt, wobei die Lageranordnung dazu bestimmt ist, sich mit einer Geschwindigkeit von weniger als 50 Umdrehungen pro Minute zu drehen. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Rotationsgeschwindigkeit geringer als irgendeine von 40, 30, 20 oder 10 Umdrehungen pro Minute. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Rotationsgeschwindigkeit derart, dass die Rotationsgeschwindigkeit niedriger ist als der Schwellenwert der Umlaufgeschwindigkeit, bei welcher die Rollenelemente von Zentrifugalkräften betroffen sind, die über die Gravitationskraft hinausgehen.
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Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung werden die Aufgaben durch eine Windturbinenlageranordnung zum Lagern einer Hauptwelle der Windturbine gelöst, wobei die Lageranordnung ein Lager gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung umfasst. Es sollte beachtet werden, dass ein beliebiges Ausführungsbeispiel des ersten Aspekts der Erfindung auf ein beliebiges Ausführungsbeispiel des zweiten und des dritten Aspekts der Erfindung und umgekehrt, anwendbar ist. Die Erfinder haben erkannt, dass die Lagerausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung besonders vorteilhaft für Windturbinenlageranordnungen ist. Zudem haben die Erfinder weiterhin erkannt, dass diese Ausgestaltung für Einsätze geeignet ist, bei denen die Belastungszone des Lagers in dem radial unteren Bereich der Lagers in Bezug auf die Richtung der Gravitationskraft ist, was bei Windturbinen oft der Fall ist.
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In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Windturbinenlageranordnung eine 2-Punkt-Lagerungs-Lageranordnung. In einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Windturbinenlageranordnung eine 3-Punkt-Lagerungs-Lageranordnung.
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Andere Ausführungsbeispiele und Modifikationen der vorliegenden Ausführungsbeispiele, die hier innerhalb des Rahmens der Ansprüche dargestellt sind, sind für den Fachmann offensichtlich. Zum Beispiel wird der Fachmann verstehen und realisieren, dass die Käfigtaschengeometrie unterschiedlich ausgestaltet sein kann, um dennoch den gleichen Effekt zu erreichen, d. h. dass der Käfig unterhalb des Teilkreises rollenzentriert ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Beispielhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, wobei:
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1a eine Querschnittsansicht eines Pendelrollenlagers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
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1b zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Käfigs und der Rollenelemente des Lagers der 1a, und von einer axialen Seite des Lagers gesehen.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Pendelrollenlagers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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3 zeigt eine axiale Stirnfläche eines Pendelrollenlagers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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4 zeigt eine Querschnittsansicht eines Innenrings, einen Käfig und ein Rollenelement eines Pendelrollenlagers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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5 zeigt eine Querschnittsansicht einer Lageranordnung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.
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6 zeigt eine Querschnittsansicht einer Windturbinenlageranordnung gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung.
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Die Zeichnungen zeigen schematische beispielhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und sind somit nicht notwendigerweise maßstäblich gezeichnet. Es sollte verstanden werden, dass die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beispielhaft sind, und dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Es wird auch bemerkt werden, dass einige Details in den Zeichnungen übertrieben sein können, um die Erfindung besser zu beschreiben und darzustellen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1a zeigt eine Querschnittsansicht eines Lagers 1 gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und 1b zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Käfigs 5 aus 1a, und weiterhin umfassend, zwei Rollentaschen 51, die zwei Rollen 4 enthalten. In 1a umfasst das Lager 1 einen Außenring 2, der eine innere ballige Lauffläche 21 aufweist. Darüber hinaus umfasst das Lager 1 einen Käfig 5, Rollenelemente 4, die in einer ersten und zweiten Rollenreihe 41 und 42 angeordnet sind, und einen Innenring 3, der eine erste und eine zweite äußere Lauffläche 31 und 32 aufweist. Die Rollenreihen 41 und 42 sind zwischen der entsprechenden ersten und zweiten Lauffläche 31 und 32 und der inneren balligen Lauffläche 21 angeordnet. Der Käfig 5 ist derart ausgestaltet, dass der Käfig 5 unterhalb des Teilkreises rollenzentriert ist. Dieses ist in 1a durch den Kontaktbereich 511 an dem Käfig 5 dargestellt, wo der Käfig 5 die Rollenelemente 4 kontaktiert. Wie weiterhin in 1a dargestellt, gibt es keinen Führungsring oder Mittelflansch, der zwischen der ersten und der zweiten Rollenreihe 41 und 42 angeordnet ist. Jetzt im Wechsel zu 1b ist deutlich zu sehen, wie der Kontaktbereich 511 in der Käfigtasche 51 mit dem Rollenelement 4 in Kontakt kommt. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel ist das radiale Spiel der Käfigtasche 51 derart ausgestaltet, dass das Radialspiel in Bezug auf den Teilkreisdurchmesser PCD des Lagers 1 in der Richtung nach radial außen größer ist als in der Richtung nach radial innen. Dieses resultiert darin, dass, wie in 1b gezeigt, die Rollen den Käfig 5 an dem Kontaktbereich 511 kontaktieren. Es führt weiterhin dazu, dass es an der gegenüberliegenden Seite des Käfigs 5 zwischen der Käfigtasche 51 und den Rollenelementen 4 eine Lücke 513 gibt.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Lagers 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Lager 1 umfasst einen Außenring 2, der eine innere ballige Lauffläche 21 aufweist. Darüber hinaus weist das Lager 1 einen Käfig 5, Rollenelemente 4, die in einer ersten und einer zweiten Rollenreihe 41 und 42 angeordnet sind, und einen Innenring 3, der eine erste und zweite äußere Lauffläche 31 und 32 aufweist. Die Rollenreihen 41 und 42 sind zwischen der entsprechenden ersten und zweiten Lauffläche 31 und 32 und der inneren balligen Lauffläche 21 angeordnet. Der Käfig 5 ist derart ausgestaltet, dass der Käfig 5 unterhalb des Teilkreises rollenzentriert ist. Hier kann man sehen, dass auch das Lager eine bestimmte Lagerlücke aufweist. In dem oberen Bereich des Lagers 1 kann man sehen, dass es keinen (oder fast keinen) Kontakt zwischen den Rollenelementen 4 und der inneren Lauffläche 21 gibt. Das liegt an der Lagerlücke und daran, dass es auch eine radiale Last Fr gibt, die auf den Innenring und auf den radial unteren Bereich des Lagers wirkt. Die Belastungszone L ist demnach in dem unteren Bereich des Lagers 1. Wie man sehen kann, neigen die Rollenelemente 4 dazu, axial nach außen aus dem oberen Bereich der Lagers 1 zu fallen (was in dieser Figur zum besseren Verständnis der Erfindung übertrieben ist). Dieses wird besonders dann auftreten, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Lagers 1 gering ist, da die Zentrifugalkräfte der Rollenelemente nicht groß genug sind, um die Rollen 4 daran zu hindern, sich axial nach außen zu bewegen. In dieser Hinsicht ist es vorteilhaft, den Rollen in der Belastungszone L zu ermöglichen, den Käfig 5 zu zentrieren, und dieses wird durch eine unterhalb des Teilkreises zentrierende Funktion erreicht.
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3 zeigt eine axiale Seitenflächenansicht eines Lagers 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Lager 1 umfasst einen Außenring 2, der eine innere ballige Lauffläche 21 bietet. Darüber hinaus weist das Lager 1 einen Käfig 5, Rollenelemente 4, die in einer ersten und zweiten Rollenreihe 41 und 42 angeordnet sind, und einen Innenring 3 auf, der eine erste und zweite äußere Lauffläche 31 und 32 aufweist. Die Rollenreihen 41 und 42 sind zwischen der entsprechenden ersten und der zweiten Lauffläche 31 und 32 und der inneren balligen Lauffläche 21 angeordnet. Der Käfig 5 ist derart ausgestaltet, dass der Käfig 5 unterhalb des Teilkreises rollenzentriert ist. In dieser Ansicht kann man weiterhin sehen, dass es zwischen den Rollen 4 und dem Käfig 5 Kontaktbereiche 511 gibt, in denen der Kontakt radial innerhalb des Teilkreisdurchmessers PCD auftritt, d. h. der Käfig ist unterhalb des Teilkreises rollenzentriert. Wie weiterhin in dieser Figur dargestellt, gibt es in dem Lager die Belastungszone L, die in dem radial unteren Bereich des Lagers 1 ist. Dadurch, dass es einen unterhalb des Teilkreises rollenzentrierten Käfig 5 gibt, wird der Käfig 5 somit durch die Rollen 4 in der Belastungszone L zentriert, was zu einem stabileren Verhalten des Käfigs 5 im Betrieb führt.
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4 zeigt einen Teil einer Querschnittsansicht eines Lagers 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In dieser Ansicht ist ein Teil eines Innenrings 3, ein Käfig 5, eine Rolle 4 und ein Bord 33 des Innenrings 3 dargestellt. Weiterhin kann man hier sehen, dass die Käfigtasche 51 die Rolle nach außen umschließt, so dass die Rolle 4 nicht in der Lage ist, sich nach radial außen aus der Käfigtasche 51 hinaus zu bewegen. Dieses geschieht durch ein gekrümmtes Profil in der Käfigtasche 51, so dass die Rolle 4 letztendlich einen Kontaktbereich 512 der Käfigtasche 51 kontaktiert. Der Bord 33 hindert die Rolle 4 zudem daran, axial aus dem Lager 1 herauszufallen. Dieses führt dazu, dass die Rollen 4 in dem Lager 1 selbst haltend sind. Daher gibt es keinen Bedarf für einen beispielsweise fensterartigen Käfig. Die Rollen 4 können trotzdem zu keiner Zeit aus dem Lager herausfallen. Dieses ist, insbesondere aus Sicherheitsgründen, vorteilhaft.
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5 zeigt eine Querschnittsansicht einer Lageranordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung 10 umfasst ein Lager 1 gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und eine Welle 6. Weiterhin kann man in diesem Beispiel sehen, dass eine Kraft Fr auf den Innenring 3 des Lagers 1 wirkt. Die Kraft Fr wirkt auf den radial unteren Bereich des Lagers 1, wodurch eine Belastungszone in dem radial unteren Bereich des Lagers erzeugt wird.
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6 zeigt eine Querschnittsansicht einer Windturbinenlageranordnung 100 gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Die Windturbinenlageranordnung 100 umfasst ein Lager 1 gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und eine Hauptwelle 6 der Windturbine.
