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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Dichtungsscheibe für ein Wälzlager, die eine scheibenförmige Armierung aus einem biegesteifen Material aufweist und die zumindest teilweise von einem Elastomermaterial fest umgeben ist, welches wenigstens radial innen die Dichtungsgeometrie der Dichtungsscheibe bildet, wobei das Elastomermaterial mit einem elektroaktiven Polymerelement verbunden ist, welches zum stufenlosen Einstellen der Dichtungsgeometrie und/oder einer Anpresskraft der Dichtungsscheibe in Abhängigkeit von der relativen Drehgeschwindigkeit von zwei Lagerringen des Wälzlagers zueinander durch Anlegen einer von der relativen Drehgeschwindigkeit abhängigen elektrischen Spannung an dem Polymerelement dient.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine derartige Dichtungsscheibe für ein Wälzlager ist aus der
DE 10 2008 017 306 A1 bekannt. Unter einem elektroaktiven Einstellelement ist gemäß dieser Druckschrift ein Element oder Bereich der Dichtungsscheibe zu verstehen, der unter der Wirkung eines elektrischen Feldes, eines magnetischen Feldes oder eines elektrischen Stromes zumindest eine der Eigenschaften der Dichteinheit verändert. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, einen durch die Drehbewegung eines Wälzlagers verursachten Verschleiß der Dichtungsscheibe automatisch zu kompensieren. Dadurch wird die Gebrauchsdauer der Dichtungsscheibe erhöht und eine gleichmäßige Dichtwirkung über die gesamte Gebrauchsdauer des Wälzlagers gewährleistet. Eine solche Dichtungsscheibe kann eine bei hohen Drehzahlen ohne andere Maßnahmen veränderte Dichtwirkung ausgleichen. Hierfür ist eine Steuereinheit vorgesehen, welche die Dichteigenschaften der Dichtungsscheibe automatisch auf sich ändernde Funktionsanforderungen bei unterschiedlichen Umgebungsparametern anpasst und das elektroaktive Einstellelement hierzu steuert. Der Umgebungsparameter soll eine Eigenschaft der Umgebung der Dichtungsscheibe erfassen, beispielsweise eine Temperatur, eine Feuchtigkeit, einen Druck, eine Oberflächenbeschaffenheit der Dichtfläche und/oder eine Betriebsbedingung des Wälzlagers.
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Aufgabe der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer Dichtungsscheibe der eingangs erwähnten Art die automatische Anpassung derer Dichtungseigenschaften an sich verändernde Umgebungsparameter zu vereinfachen.
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Beschreibung der Erfindung
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Dichtungsscheibe, welche die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
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Demnach betrifft die Erfindung eine Dichtungsscheibe für ein Wälzlager, die eine scheibenförmige Armierung aus einem biegesteifen Material aufweist und die zumindest teilweise von einem Elastomermaterial fest umgeben ist, welches wenigstens radial innen die Dichtungsgeometrie der Dichtungsscheibe bildet, wobei das Elastomermaterial mit einem elektroaktiven Polymerelement verbunden ist, welches zum stufenlosen Einstellen der Dichtungsgeometrie und/oder einer Anpresskraft der Dichtungsscheibe in Abhängigkeit von der relativen Drehgeschwindigkeit von zwei Lagerringen des Wälzlagers zueinander durch Anlegen einer von der relativen Drehgeschwindigkeit abhängigen elektrischen Spannung an dem Polymerelement dient.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist bei dieser Dichtungsscheibe vorgesehen, dass in dem Elastomermaterial ein elektrisches Bauelement angeordnet ist, welches mit Elektroden des elektroaktiven Polymerelements elektrisch verbunden ist, und dass das elektrische Bauelement mit einem außerhalb der Dichtungsscheibe angeordneten magnetisierten Bauelement elektromagnetisch zusammenwirkt, derart, dass bei einer Drehbewegung der Dichtungsscheibe durch das magnetische Feld des magnetisierten Bauelements in dem elektrischen Bauelement ein drehzahlabhängiger Strom induziert wird, mittels dem das elektroaktive Polymerelement betätigbar ist.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass der wichtigste Parameter hinsichtlich einer Dichtungsscheibe für ein Wälzlager die relative Drehgeschwindigkeit des Außenrings zu dem Innenring des Wälzlagers ist, da durch diese relative Drehgeschwindigkeit die Temperatur und die Abnutzung der Dichtungsgeometrie der Dichtungsscheibe, also beispielsweise deren Dichtlippe, wesentlich beeinflusst werden. Hierzu genügt es, eine von der relativen Drehgeschwindigkeit des Außenrings zum Innenring abhängige elektrische Spannung zu erzeugen, welche kontaktlos durch Induktion zwischen einem magnetisierten, feststehenden Bauelement und einem zusammen mit dem Außenring oder dem Innenring des Wälzlagers rotierenden elektrischen Bauelement erreicht wird, welches mittels elektrischer Leitungen mit Elektroden eines elektroaktiven Polymerelements verbunden ist. Das mit dem Außenring oder mit dem Innenring des Wälzlagers rotierende elektrische Bauelement kann aus einer einzigen oder aus mehreren Magnetspulen bestehen, in denen der Steuerungsstrom für das elektroaktive Polymerelement induziert wird.
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Auf einfachste Weise kann das magnetisierte, feststehende Bauelement aus einem oder mehreren, ringförmig gegenüber dem mit dem Außenring oder dem Innenring des Wälzlagers drehbaren elektrischen Bauelement angeordneten Permanentmagneten bestehen. Derartige Permanentmagnete lassen sich als beliebig große beziehungsweise kleine Bauteile herstellen und in der beschriebenen Weise gegenüber dem elektrischen Bauelement am Wälzlager anordnen. Hierdurch wird erfindungsgemäß die von der relativen Drehgeschwindigkeit des Außenrings zum Innenring des Wälzlagers abhängige, induzierte elektrische Spannung ohne eine zusätzliche Steuereinheit erzeugt, und die Verformung des elektroaktiven Polymerelements sowie der damit verbundenen Dichtungsgeometrie lässt sich in Abhängigkeit von der relativen Drehgeschwindigkeit des Außenrings zum Innenring des Wälzlagers ohne äußere Beeinflussung im Sinne einer Vergrößerung oder einer Herabsetzung der Anpresskraft an der Dichtungsgeometrie der Dichtungsscheibe bewirken.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform kann das magnetisierte, feststehende Bauelement aus einer oder mehreren, ringförmig gegenüber dem mit dem Außenring oder dem Innenring des Wälzlagers drehbaren elektrischen Bauelement angeordnete, von einer Spannungsquelle beaufschlagte, ein Magnetfeld erzeugende Magnetspule bestehen. Selbstverständlich können auch mehrere Spulen angeordnet sein. In diesem Fall hängt die in dem mit dem Außenring oder dem Innenring des Wälzlagers drehbare elektrischen Bauelement erzeugte Spannung nicht nur von der relativen Drehgeschwindigkeit des Außenrings zum Innenring sondern auch von der Stärke des durch die Spannungsquelle in der oder in den Magnetspulen erzeugten Magnetfeldes ab. Diese Spannungsquelle ist einstellbar und auch umpolbar, wenn es sich um eine Gleichspannungsquelle handelt. Wesentlich ist auch in diesem Fall, dass die Generierung der elektrischen Spannung in dem mit dem Außenring oder dem Innenring des Wälzlagers rotierenden elektrischen Bauelement in Form einer oder mehrerer Magnetspulen kontaktlos induktiv erfolgt, und somit keine Leitungsverbindungen, beispielsweise über Schleifkontakte, mit dem rotierenden Außenring oder dem rotierenden Innenring des Wälzlagers erforderlich sind.
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Das mit dem Außenring oder dem Innenring des Wälzlagers rotierende, elektrische Bauelement kann beispielsweise in einem radial äußeren, aus einem Elastomermaterial bestehenden Wulst der Dichtungsscheibe eingebettet sein, der zur Befestigung in einer dafür vorgesehenen Ringnut im Außenring oder im Innenring des Wälzlagers vorgesehen ist. Hierbei ist allerdings darauf zu achten, dass das außen erzeugte elektrische Feld durch den Lagerring nicht abgeschirmt wird.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass das zusammen mit dem Außenring oder mit dem Innenring des Wälzlagers drehbare elektrische Bauelement aus einer oder mehreren ringförmig gegenüber dem magnetisierten, feststehenden Bauelement angeordneten Spulen besteht, die mit den Elektroden des elektroaktiven Polymerelements über elektrische Leitungen verbunden sind.
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Die Dichtungsscheibe weist eine Armierung aus Metall oder Hartkunststoff auf, welche zumindest teilweise mit dem erwähnten Elastomermaterial fest verbunden abgedeckt ist. Das Elastomermaterial bildet dabei den beispielsweise radial außen ausgebildeten Wulst und die Dichtungsgeometrie der Dichtungsscheibe, Die sich radial erstreckende Armierung ist zumindest teilweise mit Elastomermaterial stoffschlüssig verbunden.
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Die aus Elastomermaterial gebildete Dichtungsgeometrie der Dichtungsscheibe kann die Form eines liegenden V aufweisen, dessen erster Schenkel mit der Armierung verbunden ist und dessen einen Dichtvorsprung aufweisender, eine Dichtlippe bildender zweiter Schenkel über einen den ersten Schenkel mit dem zweiten Schenkel verbindenden Verbindungsbereich elastisch beweglich ist, sodass zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel eine innere Ringnut gebildet ist, in deren elastomeren Bereich das elektroaktive Polymerelement angeordnet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das zusammen mit dem Außenring oder mit dem Innenring des Wälzlagers drehbare elektrische Bauelement radial innen, nahe einer Dichtlippe der Dichtungsscheibe in dem Elastomermaterial eingebettet angeordnet ist.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das elektroaktive Polymerelement als V-förmiger Ring ausgebildet ist, und dass das Polymerelement mit dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel der Dichtungsscheibe stoffschlüssig verbunden oder darin eingebettet ist.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das elektroaktive Polymerelement als flache Ringscheibe ausgebildet sowie in dem Verbindungsbereich eingebettet ist, welcher den ersten Schenkel und den zweiten Schenkel des V-förmigen Rings miteinander verbindet.
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Gemäß einer dritten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das elektroaktive Polymerelement als flache Ringscheibe ausgebildet ist sowie an der Außenseite des Verbindungsbereichs stoffschlüssig befestigt ist.
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Alle vorgestellten elektroaktiven Polymerelemente bestehen bevorzugt aus dem Werkstoff Polyvinylidenfluorid.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Dichtungsscheibe für ein Wälzlager gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Dichtungsscheibe für ein Wälzlager gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 3 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Dichtungsscheibe für ein Wälzlager gemäß einer dritten Ausführungsform, und 4 einen Teilschnitt durch ein Wälzlager, in dem die Dichtungsscheibe gemäß 2 eingebaut ist.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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4 zeigt ein als Kugellager ausgebildetes Wälzlager 20, welches einen drehbaren Innenring 21, einen feststehenden Außenring 22 und radial dazwischen angeordnete kugelförmige Wälzkörper 23 aufweist. Die Wälzkörper 23 sind in einem Kä24 angeordnet und werden durch diesen zueinander auf Abstand gehalten. Das Wälzlager 20 ist zumindest an seinem einen sichtbaren axialen Ende mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Dichtungsscheibe 1 abgedichtet.
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Die Dichtungsscheibe 1 besteht aus einer biegesteifen, scheibenförmigen Armierung 2, welche an ihrer Außenseite rundherum mit einem Elastomermaterial 6 beschichtet ist. Hierbei ist durch das Elastomermaterial radial außen ein Wulst 7 ausgebildet, der als Dichtungssitz dient und in eine zugeordnete Ringnut 25 an der radialen Innenseite des Außenrings 22 eingreift sowie die Dichtungsscheibe 1 hierdurch an dem unbeweglich angeordneten Außenring 22 festlegt. Die Dichtungsscheibe 1 weist radial innen eine durch das Elastomermaterial 6 gebildete Dichtungsgeometrie auf, an deren radial innerem Ende eine Dichtlippe 9 ausgebildet ist. Diese Dichtlippe 9 sitzt abdichtend auf der Außenmantelfläche des drehbaren Innenrings 21. Auch die in den 1 bis 3 dargestellten Dichtungsscheiben 1 weisen diesen grundsätzlichen Aufbau auf, jedoch ist bei diesen deren Radialbereich 3 frei von Elastomermaterial 6, was aber keinen Einfluss auf die erfindungsgemäße Ausbildung der Dichtungsscheibe 1 hat.
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Der Aufbau einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Dichtungsscheibe 1 wird nachfolgend zunächst anhand der 2 und 4 beschrieben. Um eine Veränderung der Eigenschaften der Dichtungsscheibe 1 im Bereich derer Dichtungsgeometrie zu erreichen, ist in das Dichtungsmaterial 6 der Dichtungsscheibe 1 nahe zur Dichtlippe 9 ein elektroaktives Einstellelement in Form eines Polymerrings 11a angeordnet, welches stoffschlüssig von dem Dichtungsmaterial 6 umgeben ist. Der elektroaktive Polymerring 11a verändert beim Anlegen einer elektrischen Spannung seine elastischen Eigenschaften und/oder seine Geometrie, wodurch die Dichtungseigenschaften sowie die Anpresskraft des Dichtungsrings 1 veränderbar ist. Zur Aktivierung des elektroaktiven Polymerrings 11a ist in dem Dichtungsmaterial 6 des Dichtungsrings 1 ein elektrisches Bauelement 16 angeordnet, welches als wenigstens eine Spule ausgebildet ist und über elektrische Leitungen mit dem elektroaktiven Polymerring 11a in Verbindung steht. Das elektrische Bauelement 16 wirkt mit einem unmittelbar benachbart angeordneten Permanentmagneten 12 zusammen, der über ein Verbindungselement 17 fest mit dem drehbaren Innenring 21 verbunden ist. Bei einer Drehung des Innenrings 21 wird daher auch der Permanentmagnet 12 gedreht, sodass in dem als wenigstens eine Spule ausgebildeten elektrischen Bauelement 16 eine elektrische Spannung in deren Folge ein elektrischer Strom induziert wird, welcher an den elektroaktiven Polymerring 11a weitergeleitet wird. Da die Stromstärke von der Drehzahl des Innenrings 21 abhängt, wird auch der elektroaktive Polymerring 11a bei steigender Drehzahl in seinem Eigenschaften stärker beeinflusst, so dass im Ergebnis die gemäß der Erfindung ausgebildete Dichtungsscheibe 1 drehzahlabhängig selbsttätig, also ohne Nutzung eines Steuergeräts, seine Dichtungs- und/oder Anpresskrafteigenschaften verändert.
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Die 1 und 3 zeigen weitere Ausführungsformen von Dichtungsschieben 1, welche die Merkmale der Erfindung aufweisen.
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1 zeigt eine Dichtungsscheibe 1 für ein Wälzlager 20, deren Armierung 2 einen Radialbereich 3, einen davon um 90° abgebogenen radial äußeren Bereich 4 und einen um etwa 45° abgebogenen radial inneren Bereich 5 aufweist, die von dem erwähnten Elastomermaterial 6 zumindest teilweise stoffschlüssig abgedeckt sind. An den inneren Bereich 5 der Armierung 2 schließt sich eine durch das Elastomermaterial 6 gebildete Dichtungsgeometrie an, welche die Form eines liegenden V aufweist. Diese Dichtungsgeometrie besteht aus einem den inneren Bereich 5 der Armierung 2 umgreifenden ersten Schenkel 8 und einem den ersten Schenkel 8 mit einem zweiten Schenkel 9 verbindenden Verbindungsbereich 10a. Durch die beiden Schenkel 8, 9 sowie den Verbindungsbereich 10a ist eine nach axial außen offene Ringnut 10 gebildet. Bei dieser ersten Ausführungsform ist in dem Elastomermaterial 6 im Bereich der Ringnut 10 ein V-förmiger elektroaktiver Polymerring 11 angeordnet, der mit dem ersten Schenkel 8, dem zweiten Schenkel 9 und dem die beiden Schenkel 8, 9 verbindenden Verbindungsbereich 10a stoffschlüssig verbunden ist.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das elektrische Bauelement 16 benachbart zu dem V-förmigen, elektroaktiven Polymerring 11 angeordnet, und dabei in dem aus Elastomermaterial 6 gebildeten Verbindungsbereich 10a eingebettet. Das elektrische Bauelement 16 ist erkennbar über nicht bezeichnete elektrische Leitungen mit Elektroden des V-förmigen, elektroaktiven Polymerring 11 elektrisch verbunden. Ebenso ist es möglich, den V-förmigen elektroaktiven Polymerring 11 zu segmentieren und jedes Ringsegment mit dem elektrischen Bauelement 16 in Form von mehreren Magnetspulen durch unterschiedliche Leitungen zu verbinden. Räumlich gegenüber und benachbart zu dem einen elektrischen Bauelement 16 in Form zumindest einer Magnetspule ist wenigstens ein Permanentmagnet 12 angeordnet, welche über ein Verbindungselement 17 drehfest mit dem Innenring 21 des Wälzlager 20 verbunden ist. Die Wirkungsweise des Dichtungsringes 1 gemäß 1 ist so wie bereits im Zusammenhang mit den 2 und 4 beschrieben. Sobald der wenigstens eine Permanentmagnet 12 relativ zu dem elektrischen Bauelement 16 in Form zumindest einer Magnetspule bewegt wird, wird in letzterer ein elektrischer Strom erzeugt, der selbsttätig zur Steuerung des elektroaktiven Polymerrings 11 genutzt wird.
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Die Ausführungsform gemäß 3 zeigt eine Dichtungsscheibe 1 mit einem als flache Ringscheibe ausgebildeten elektroaktiven Polymerelement 11b, welches auf der von der Ringnut 10 abgewandten Oberfläche des Verbindungsbereichs 10a der Dichtungsscheibe 1 stoffschlüssig befestigt ist. Zur Aktivierung des elektroaktiven Polymerelements 11b sind eine oder mehrere von einer elektrischen Spannungsquelle 14 beaufschlagbare, in einem Gehäuse 15 angeordnete Magnetspulen 13 benachbart zu der Ringnut 10 am Dichtungsbereich der Dichtungsscheibe 1 angeordnet. Die elektrische Spannungsquelle 14 und das Gehäuse 15 mit der wenigstens einen Magnetspule 13 sind mit dem drehbaren Innenring 21 drehfest verbunden. Die wenigstens eine Magnetspule 13 erzeugt ein elektrisches Feld, welches in dem elektrischen Bauelement 16 in Form zumindest einer Magnetspule einen elektrischen Strom induziert, welcher zur Betätigung beziehungsweise Aktivierung des elektroaktiven Polymerelements 11b genutzt wird.
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Die drei beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen veranschaulichen, dass es dem Konstruktionsprinzip der Erfindung folgend möglich ist, die Verformung der Dichtungsgeometrie einer Dichtungsscheibe 1 durch Induktion im vorgegebenen beziehungsweise erforderlichen Sinne zu verändern, ohne dass im Betrieb eine gesonderte Steuervorrichtung erforderlich ist.
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Gemäß einer nicht dargestellten letzten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass ein elektrisches Bauelement 16 in Form einer Magnetspule in dem Wulst 7 einer Dichtungsscheibe 1 eingebettet ist, welches über elektrische Leiter mit Elektroden eines elektroaktiven Polymerrings verbunden ist, der im Bereich der beschriebenen Dichtungsgeometrie der Dichtungsscheibe in oder am Elastomermaterial derselben angeordnet ist. Dieses Ausführungsbeispiel wird als weniger vorteilhaft beurteilt, weil sichergestellt sein muss, dass das in dem Wulst 7 eingebettete elektrische Bauelement 16 durch die den Wulst 7 aufnehmende Ringnut 25 des zugeordneten Lagerings 22 nicht elektromagnetisch abgeschirmt. Zudem müsste der mit dem drehbaren Außenring 21 fest verbundene Permanentmagnet 12 radial bis dicht an den Wulst 7 des Dichtungsrings geführt sein.
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Alle in der vorstehenden Figurenbeschreibung, in den Ansprüchen und in der Beschreibungseinleitung genannten Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen und beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dichtungsscheibe für ein Wälzlager
- 2
- Armierung
- 3
- Radialbereich der Armierung
- 4
- Um 90° abgebogener äußerer Bereich
- 5
- Um 45° abgebogener innerer Bereich
- 6
- Elastomermaterial
- 7
- Radial äußerer Wulst, Dichtungssitz
- 8
- Erster, radial innerer Schenkel der Dichtungsscheibe
- 9
- Zweiter, radial innerer Schenkel der Dichtungsscheibe, Dichtlippe
- 10
- Ringnut der Dichtungsscheibe
- 10a
- Verbindungsbereich im Elastomermaterial der Dichtungsscheibe
- 11
- Einstellelement, elektroaktives Polymerelement (erste Ausführungsform)
- 11a
- Einstellelement, elektroaktives Polymerelement (zweite Ausführungsform)
- 11b
- Einstellelement, elektroaktives Polymerelement (dritte Ausführungsform)
- 12
- Permanentmagnet, magnetisches Bauelement
- 13
- Magnetspule, magnetisches Bauelement
- 14
- Spannungsquelle
- 15
- Gehäuse
- 16
- Magnetspule, elektrisches Bauelement
- 17
- Verbindungselement
- 20
- Wälzlager
- 21
- Innenring
- 22
- Außenring
- 23
- Wälzkörper
- 24
- Käfig
- 25
- Ringnut im Außenring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008017306 A1 [0002]
