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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lagersensorring. Die Erfindung betrifft außerdem eine Sensorlageranordnung, welche den Lagersensorring umfasst.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen der Sensorlageranordnung.
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In Wälzlagern kommen Sensoren zum Einsatz, um beispielsweise die Temperatur, die Drehzahl, die Kräfte oder andere Parameter, welche im Lager bestehen, zu ermitteln. Allgemein werden diese Art Lager als Sensorlager bezeichnet. Die Sensoren sind regelmäßig auf einem Trägerring bzw. Supporting-Ring angeordnet, der Bestandteil eines Sensorlagers ist. Mit Hilfe eines Trägerrings kann ein nicht Sensor bestücktes Lager zu einem Sensorlager aufgerüstet werden. Vorwiegend ist der Trägerring aus Stahl gefertigt, insbesondere zur Abschirmung darauf angeordneter Sensoren. Zur Aufnahme der Sensoren weist der Ring Ausnehmungen auf, welche vor allem durch Fräsen erzeugt werden. In die Ausnehmungen werden die Sensoren eingebracht und anschließend mit Silikon oder einem flüssigen Kunststoff verklebt und/oder abgedichtet. Die Herstellung des Trägerrings für ein Sensorlager, durch Bereitstellung und Ausfräsung des Rings sowie durch Einsetzen und anschließendes Abdichten der Sensoren ist kostenintensiv.
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Die
DE 10 2009 021 469 A1 beschreibt eine Sensorlagereinheit umfassend ein Wälzlager mit einem an einem Lagerring angeordneten Sensorgehäuse mit einer integrierten Sensoreinrichtung zum Erfassen von Lagerbetriebszuständen. Das Sensorgehäuse ist als ein Adapterring ausgebildet.
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Aus der
DE 10 2015 202 130 A1 ist ein Baukasten für Lager bekannt, der eine Vielzahl von Modulen umfasst. Die Module sind Versorgungsmanagementmodule, Funktionsmodule zum Messen von Lagerzustandsgrößen und Infrastrukturmodule.
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In der
WO 2017/054810 A2 wird ein Sensorsatz für Lager, umfassend eine Vielzahl von Modulen, beschrieben. Die Module sind Funktionsmodule zum Messen von Lagerzustandsgrößen und Infrastrukturmodule.
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Aus der
DE 10 2015 203 861 A1 ist eine Sensoreinrichtung für ein Wälzlager bekannt. Die Sensoreinrichtung umfasst zwei zueinander rotierbare Lagerringe, einen mit mindestens einem der beiden Lagerringe verbindbaren Sensor und einen mit dem anderen der beiden Lagerringe verbindbaren Signalgeber. Die Bauelemente und/oder Sensoren sind auf einer Leiterplatte angeordnet, welche wiederrum auf einem äußeren Ring, insbesondere aus Metall, angeordnet ist. In dem äußeren Ring ist eine Vergussmasse vorgesehen. Die Sensoreinrichtung bzw. der äußere Ring ist mittels Klebefolie an dem Wälzlager angeordnet.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, einen verbesserten Lagersensorring zur Verfügung zu stellen, der eine präzise Positionierung eines oder mehrere Sensoren Wälzlager gestattet und zu geringen Kosten herstellbar ist. Der Lagersensorring soll einen oder mehrere Sensoren tragen, diese vor Umwelteinflüssen schützen und Vorspannkräfte im Lager aufnehmen können. Weiterhin ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensorlageranordnung bereit zu stellen, welche einen derartigen Lagersensorring sowie weitere Komponenten eines Wälzlagers umfasst. Des Weiteren ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Sensorlageranordnung bereit zu stellen.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch einen Lagersensorring gemäß dem beigefügten Anspruch 1, durch eine Sensorlageranordnung gemäß Anspruch 8 und durch ein Verfahren zum Herstellen einer Sensorlageranordnung gemäß dem Anspruch 10.
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Der erfindungsgemäße Lagersensorring ist zum Einbau in ein Wälzlager vorgesehen, um die am Lager bestehenden Vorspannkräfte aufzunehmen. Der Lagersensorring ist um eine Rotationsachse der Lagerbestandteile positionierbar. Der Lagersensorring besteht aus Kunststoff und umfasst mehrere Abstandshalter. Die Abstandshalter sind bevorzugt Wälzkörper, insbesondere zylindrische Wälzkörper bzw. Nadeln. Weiterhin umfasst der Lagersensorring mindestens einen Sensor, der der Erfassung von Messdaten, insbesondere von Kräften, Drehzahlen, Temperaturen oder dergleichen im Lager dient. In dem Lagersensorring sind an dessen radial außen liegendem Umfang die Abstandshalter in dem Kunststoff eingelassen. Die Abstandshalter sind axial ausgerichtet und entlang einer Umfangslinie zueinander beabstandet angeordnet. Bevorzugt an dem radial innen liegenden Umfang des Lagersensorrings ist in dem Kunststoff der mindestens eine Sensor angeordnet. Bevorzugt wird der Lagersensorring durch ein Spritzgussverfahren hergestellt. Der Sensor ist vollständig von dem Kunststoff umgeben, wodurch ein Schutz vor äußeren Umwelteinflüssen gegeben ist. Die Abstandshalter sind zumindest teilweise von dem Kunststoff umgossen, sodass zumindest jeweils ein axiales Ende der Abstandshalter nicht mit Kunststoff bedeckt ist. Gemeinsam mit jeweils einer der beiden Seitenflächen des Lagersensorrings bilden die axialen Enden der Abstandshalter, welche an der entsprechenden Lagersensorringseitenfläche plan mit dieser liegen, eine Anlagefläche aus. Die Anlagefläche ist vorzugsweise radial ausgerichtet. Die Anlagefläche dient bevorzugt als Fläche, mittels der der Lagersensorring an ein Wälzlager angelegt werden kann.
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Damit die Anlagefläche planar ausgebildet ist, werden die Abstandshalter vorzugsweise an dem entsprechenden, als Bestandteil der Anlagefläche vorgesehenen, axialen Ende plan geschliffen. Nadeln weisen bekanntermaßen Kuppen an ihren Enden auf, welche plan geschliffen werden müssen. Die Abstandshalter dienen dazu, den Abstand zwischen dem Lagersensorring und Wälzlagerringen zu halten. Weiterhin können die Abstandshalter im Lager bestehende Vorspannkräfte aufnehmen.
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Die Abstandshalter, die bevorzugt Wälzkörper sind, sind vorzugsweise aus einem Metall, insbesondere aus Edelstahl gebildet. Alternativ bevorzugt sind die Abstandshalter aus einem keramischen Material. Weiter alternativ bevorzugt sind die Abstandshalter aus Kunststoff oder Carbon.
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Der Kunststoff des Lagersensorrings ist bevorzugt ein Thermoplast.
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In einer Ausführungsform weist der Lagersensorring weitere Bauelemente auf, beispielsweise Versorgungselektronik, die mit dem mindestens einem Sensor an dem radial innen liegenden Umfang des Lagersensorrings angeordnet sind.
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Bevorzugt sind in dem Lagersensorring zwei bis zehn Sensoren oder Bauelemente eingegossen und an dem radial innen liegenden Umfang des Lagersensorrings angeordnet. Besonders bevorzugt sind in dem Lagersensorring vier bis acht Sensoren oder Bauelemente eingegossen und an dem radial innen liegenden Umfang des Lagersensorrings angeordnet. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Lagersensorring sechs Sensoren aufweist.
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Die mehreren Sensoren sind vorzugsweise untereinander elektrisch verbunden, um Messsignale weiter zu leiten. Bevorzugt sind die Sensoren in Reihe elektrisch verbunden und ein am Ende der Reihe befindlicher Sensor ist mit einem elektrischen Anschlusskabel verbunden, welches mit einer externen Auswerteeinheit verbindbar ist und/oder der Versorgung der Sensoren bzw. Bauelemente dient.
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In einer Ausführungsform weist der Kunststoff des Lagersensorrings autokatalytische Partikel auf, die vor dem Gießen in das Kunststoffgranulat einzubringen sind. Die autokatalytischen Partikel dienen der Erzeugung einer Abschirmung, die den mindestens einen Sensor vor elektromagnetischen Einflüssen schützt.
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Der Lagersensorring umfasst bevorzugt sechs bis vierzehn Abstandshalter. Alternativ bevorzugt umfasst der Lagersensorring acht bis zwölf Abstandshalter. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Lagersensorring zehn Abstandshalter aufweist, die gleichmäßig über den Umfang des Lagersensorrings verteilt sind.
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Die Abstandshalter, welche insbesondere Nadeln sind, haben vorzugsweise einen Durchmesser von 2 mm. Kleinere und/oder größere Abstandshalterdurchmesser können alternativ bevorzugt in dem Lagersensorring zur Anwendung kommen.
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In einer Ausführungsform sind in dem Lagersensorring Bohrlöcher vorgesehen, in die Verbindungselemente zum Verbinden des Lagersensorrings mit dem Wälzlager einbringbar sind.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Lagersensorrings ist, dass dieser kostenarm im Spritzgussverfahren erzeugt werden kann und kein Metallring oder ausgefräster Metallring zur Aufnahme von Sensoren mehr notwendig ist. Auch ist mittels des erfindungsgemäßen Lagersensorrings die Aufnahme von Vorspannkräften möglich, sodass dieser in Wälzlager einbaubar ist. Der mindestens eine Sensor ist durch den umgebenden Kunststoff vor Umwelteinflüssen, wie Feuchtigkeit oder Schmutz geschützt sowie durch die im Kunststoff befindlichen autokatalytischen Partikel von elektromagnetischen Einflüssen abgeschirmt.
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Die erfindungsgemäße Sensorlageranordnung umfasst ein Wälzlager mit einem äußeren und einem koaxial dazu befindlichen inneren Lagerring. Zwischen den Lagerringen sind Hauptwälzkörper eingebracht, auf denen die Lagerringe abrollen können. Die Lagerringe sind zueinander um eine gemeinsame Rotationsachse rotierbar. Weiterhin umfasst die Sensorlageranordnung einen Lagersensorring, der dem zuvor beschriebenen Lagersensorring sowie dessen Ausführungsformen entspricht. Des Weiteren umfasst die Sensorlageranordnung mindestens zwei Verbindungsmittel. Bevorzugt sind die Verbindungsmittel Schrauben. Die an dem Lagersensorring ausgebildete Anlagefläche liegt an einer der beiden Wälzlagerstirnseiten unmittelbar an. Insbesondere liegt die Anlagefläche des Lagersensorrings an einer Fläche des Wälzlagers an, an der das Wälzlager nahezu vollflächig ausgebildet ist. Die Wälzlagerstirnseite ist vorzugsweise ebenso wie die Anlagefläche des Lagersensorrings radial ausgerichtet. Die Wälzlagerstirnseite umfasst unter anderem bevorzugt je eine Stirnseite des inneren und des äußeren Lagerrings, die unmittelbar aneinander anliegen. Das Wälzlager und der Lagersensorring weisen gemeinsam mindestens zwei Gewindebohrungen auf, in die die mindestens zwei Verbindungsmittel eingebracht sind, sodass der Lagersensorring und ein Teil des Wälzlagers miteinander drehfest verbunden sind. Vorzugsweise ist der Lagersensorring mit dem nicht rotierenden Lagerring des Wälzlagers drehfest verbunden. Der Lagersensorring ist dazu ausgebildet, die im Wälzlager bestehenden Vorspannkräfte aufzunehmen.
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In einer Ausführungsform weist die Sensorlageranordnung drei oder vier Verbindungselemente und vier Bohrungen auf, in die je ein Verbindungselement eingebracht ist.
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Die Dimensionierung und Anzahl der Abstandshalter ist gemäß des gewählten Wälzlagers, an dem der Lagersensorring zum Anliegen kommt, zu berechnen, sodass die entsprechenden Vorspannkräfte aufgenommen werden können.
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Bevorzugt ist der äußere Durchmesser des Lagersensorrings gleich dem äußeren Durchmesser des Wälzlagers. Besonders bevorzugt ist der äußere Durchmesser des Lagersensorrings geringfügig größer dem äußeren Durchmesser des Wälzlagers.
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Die Form des Lagersensorring wird bevorzugt gemäß der Form des Wälzlagers gewählt.
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In bekannten Sensorlageranordnungen ersetzt der Lagersensorring vorteilhafterweise folgende Bauteile: eine Leiterplatte mit darauf befindlichen Sensoren bzw. Bauelementen, ein Vergussmassering mit Anschlusskabel, einen äußeren Ring sowie eine Klebefolie. Durch diese integrierte Bauweise können Kosten eingespart werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Sensorlageranordnung, welche der zuvor beschriebenen Sensorlageranordnung sowie deren Ausführungsformen entspricht, sieht mehrere Verfahrensschritte vor.
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In einem ersten Verfahrensschritt wird eine Gussform, vorzugsweise eine runde Gussform, sowie eine Wälzlager bereitgestellt. Der Durchmesser der Gussform entspricht bevorzugt dem Außendurchmesser des Wälzlagers. Das Wälzlager weist einen äußeren Lagerring und einen zu dem äußeren Lagerring koaxial befindlichen inneren Lagerring auf. Weiterhin weist das Wälzlager zwischen den Lagerringen Hauptwälzkörpern auf, auf denen die Lagerringe um eine gemeinsame Rotationsachse abrollbar sind. Das Wälzlager kann ein bekanntes Standardwälzlager sein, welches zu einem Sensorwälzlager aufgerüstet werden soll.
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Im nachfolgenden Verfahrensschritt werden die Abstandshalter in die Gussform an einem radial äußeren Umfang eingelegt, wobei die Abstandshalter zu dem äußersten Umfang beabstandet sind. Die Abstandshalter weisen je zumindest ein axiales Ende auf, welches plan ist oder in einem zusätzlichen vorhergehenden Verfahrensschritt plan geschliffen wurde. Die Abstandshalter werden so in der Gussform positioniert, dass zumindest ein planes axiales Ende der Abstandshalter auf zumindest einer der Grundflächen der Gussform plan liegt.
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird mindestens ein Sensor in die Gussform an einem radial inneren Umfang eingelegt, wobei der mindestens eine Sensor bevorzugt zu dem innersten Umfang beabstandet liegt.
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Ein weiterer Verfahrensschritt sieht vor, dass Kunststoff, insbesondere thermoplastischer Kunststoff in verflüssigter Form in die Gussform eingebracht wird und dabei die Abstandshalter sowie der mindestens eine Sensor umspritzt werden. Die Abstandshalter werden zumindest teilweise, der mindestens eine Sensor vollständig von dem Kunststoff umschlossen. Dadurch wird ein Lagersensorring, welcher dem beschriebenen erfindungsgemäßen Lagersensorring sowie dessen Ausführungsformen entspricht, erzeugt. Zumindest jeweils ein axiales Ende der Abstandshalter bildet gemeinsam mit einer der beiden Seitenfläche des Lagersensorrings eine Anlagefläche aus.
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Im weiteren Verfahrensschritt wird der Lagersensorring mit seiner Anlagefläche an einer der beiden Seitenflächen des Wälzlagers positioniert.
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Ein nächster Verfahrensschritt sieht vor, dass durch den Lagersensorring und durch einen Lagerring des Wälzlagers mindestens zwei Bohrungen erzeugt werden, welche durch beide Bauteile gemeinsam verläuft. Alternativ können diese Durchgangsöffnung auch bereits während des Spritzvorgangs offen gelassen werden.
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Im letzten Verfahrensschritt werden die unmittelbar aneinander positionierten Bauteile, der Lagersensorring und das Wälzlager, mittels Verbindungsmittel verschraubt.
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In einem alternativen Verfahrensschritt sind mehrere Sensoren und/oder Module bzw. Bauelemente in der Gussform angeordnet, die untereinander elektrisch verbunden werden.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
- 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Lageranordnung mit einem erfindungsgemäßen Lagersensorring,
- 2 eine Seitenansicht der in 1 gezeigten Ausführungsform der Lageranordnung.
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1 zeigt eine Schnittansicht einer Lageranordnung 01 mit einem Lagersensorring 02. Der Lagersensorring 02 besteht aus Kunststoff, insbesondere aus thermoplastischem Kunststoff, und umfasst in dem dargestellten Beispiel zehn zylindrische Abstandshalter 03, die aus Wälzkörpern gebildet sind. Die Abstandshalter 03 sind insbesondere Nadeln, die zueinander gleichmäßig beabstandet in dem Kunststoff des Lagersensorrings 02 an dessen radial außen liegenden Umfang angeordnet sind. Die zylindrischen Abstandshalter 03 sind jeweils im gleichen radialen Abstand um eine Lagerrotationsachse (2: 06) angeordnet. Der Durchmesser der Abstandshalter 03 beträgt beispielsweise 2 mm, wobei andere Abstandshalterdurchmesser, -arten und -anzahlen im Lagersensorring gemäß den aufzunehmenden Kräften wählbar sind. Da die Abstandshalter 03 Wälzkörpern entsprechen, können sie aus Keramik, Kunststoff, Carbon oder Metall, insbesondere Edelstahl bestehen.
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Der Lagersensorring 02 umfasst weiterhin einen Sensor 07, der in dem Kunststoff an dem radial innen liegenden Umfang des Lagersensorrings 02 angeordnet ist. Die zylindrischen Abstandshalter 03 und der Sensor 07 sind gemeinsam in dem Lagersensorring 02 eingegossen, sodass der Sensor 07 vollständig vom Kunststoff umgeben ist und die zylindrischen Abstandshalter 03 zumindest teilweise vom Kunststoff umschlossen sind. Somit dient der Kunststoff als Schutz des Sensors 07 vor Umwelteinflüssen wie Staub oder Feuchtigkeit und zum Abfedern von leichten Stößen. Wird das Kunststoffgranulat, vor dem Gießen bzw. Spritzen zu dem Lagersensorring 02, mit autokatalytischen Partikeln versetzt, so erzeugen diese eine Abschirmung des Sensors 07 gegen elektromagnetische Störeinflüsse. Elektromagnetische Störeinflüsse können Messsignale beeinflussen und verändern. Der Sensor 07 dient der Erfassung von Lagerzustandsgrößen und kann beispielsweise ein Kraftmesssensor, ein Drehzahlsensor oder ein Temperatursensor sein.
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Werden mehrere Sensoren 07 in dem Lagersensorring 02, insbesondere beabstandet zueinander an dessen inneren Umfang im Kunststoff angeordnet, so sind diese bevorzugt umlaufend miteinander elektrisch verbunden. Beispielsweise durch elektrische Leiterbahnen (nicht gezeigt). Somit können Messsignale weiter geleitet und die Stromversorgung der Sensoren 07 gewährleistet werden.
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Die Lageranordnung 01 umfasst weiterhin ein Sensoranschlusskabel 08, mittels welchem der Sensor 07 mit einem externen Versorgungs- und Auswertegerät (nicht gezeigt) verbunden ist.
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Die zylindrischen Abstandshalter 03 sind nur teilweise von dem Kunststoff des Lagersensorrings 02 umgeben, sodass zumindest ein axiales Ende jedes Abstandshalters 03 nicht vom Kunststoff bedeckt ist. Dieses axiale Ende der Abstandshalter 03 ist jeweils plan ausgebildet, dies kann beispielsweise durch Abschleifen von Kuppen der Wälzkörper oder bei der Abstandshalterherstellung erzeugt werden. Die axial im Lagersensorring 02 ausgerichteten Abstandshalter 03 und insbesondere deren flache axiale Enden bilden mit einer der beiden Seitenflächen 09 des Lagersensorring 02 eine planare Anlagefläche 11.
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Die Lageranordnung 01 umfasst weiterhin ein Wälzlager 12. Das Wälzlager 12 umfasst einen Außenlagerring 13 (2) und einen Innenlagerring 14, welche koaxial zueinander um die gemeinsame Lagerrotationsachse 06 angeordnet sind. Um die Lagerrotationsachse 06 sind die beiden Lagerringe 13, 14 zueinander rotierbar. Zwischen den beiden Lagerringen 13, 14 sind Hauptwälzkörper (nicht gezeigt) zum Abrollen der Lagerringe 13, 14 angeordnet. Verschiedene Ausführungsformen des Wälzlagers 12 sind möglich.
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An einer Seitenfläche 16 (2) des Wälzlagers 12, insbesondere der Stirnfläche, ist der Lagersensorring 02 unmittelbar mit seiner Anlagefläche 11 angeordnet. Das Wälzlager 12 und der Lagersensorring 02 sind drehfest durch Verschrauben mittels Schrauben (nicht gezeigt) verbunden. Durch die Schrauben werden Vorspannkräfte von dem Wälzlager 12 auf den Lagersensorring 02 übertragen. Der Lagersensorring 02 ist so ausgebildet, dass er die Vorspannkräfte aufnehmen kann. Insbesondere dienen die Abstandshalter 03 der Kraftaufnahme.
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2 zeigt eine Seitenansicht der in 1 gezeigten Ausführungsform der Lageranordnung 01 mit dem Wälzlager 12 und dem Lagersensorring 02.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Lageranordnung
- 02
- Lagersensorring
- 03
- Abstandshalter
- 04
- -
- 05
- -
- 06
- Lagerrotationsachse
- 07
- Sensor
- 08
- Sensoranschlusskabel
- 09
- Seitenfläche des Lagersensorrings 02
- 10
- -
- 11
- Anlagefläche
- 12
- Wälzlager
- 13
- Außenlagerring
- 14
- Innenlagerring
- 15
- -
- 16
- Seitenfläche des Wälzlagers 12
