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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wälzlageranordnung mit einem Außenring und einem zumindest teilweise innerhalb des Außenrings gelagerten Innenring, wobei der Außenring und der Innenring um eine Drehachse relativ zueinander drehbar sind, wobei zwischen dem Außenring und dem Innenring eine Mehrzahl von Wälzkörpern angeordnet sind.
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Derartige Wälzkörperanordnungen sind in zahlreichen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt und werden im Besonderen auch bei Windkraftanlagen eingesetzt. So kommen solche Wälzlager zum Beispiel bei der drehbaren Lagerung des Rotors und seiner Welle zum Einsatz. Um eine optimale Energieübertragung zwischen der strömenden Luft und den Rotorblättern zu erreichen ist außerdem eine veränderbare Blattstellung nötig, die eine drehbare Verbindung des Blatts mit der Nabe erfordert. Besonders bei größeren Anlagen wird diese Verbindung ebenfalls mit einem Wälzlager realisiert, das bei der Anpassung der Blattstellung eine Drehbewegung ausführt. Die damit verbundene Belastungssituation stellt hier besondere Anforderungen an das verwendete Wälzlager, da es ständig die großen, auf das Blatt wirkenden Kräfte und Momente auf die Nabe übertragen muss, so dass das Lager hohen Spannungen ausgesetzt ist. Insbesondere entstehen dabei Spreizkräfte, die zu einer Ovalisierung des Außenrings führen, wobei es sich hier zudem um eine dynamische Verformung handelt, bei der sich die Richtung der Ovalisierung beim Umlauf der Flügel um die Nabe zyklisch ändert.
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In der Druckschrift
US 2013/0202234 A1 wird zur Verminderung von lastbedingten Verformungen ein Wälzlager vorgeschlagen, bei dem ein oder beide Lagerringe entlang des Umfangs in bestimmten, besonders belasteten Bereichen verstärkt werden. Um die Steifigkeit der Lagerringe an diesen Stellen zu erhöhen, werden in der Druckschrift verschiedene Ausführungsformen diskutiert, so zum Beispiel eine lokale Vergrößerung des Ringquerschnitts oder außen am Ring befestigte Platten bzw. Verstärkungsrippen. Die Anwendung dieses Konzepts setzt dabei voraus, dass die Belastung unter Betriebsbedingungen Vorzugsrichtungen aufweist, also in bestimmten Bereichen entlang des Umfangs besonders groß ist. Die oben genannte, umlaufende Ovalisierung, bei der sich die Belastungs- und Verformungsrichtung kontinuierlich ändert, lässt sich dagegen nicht durch eine solche lokale Verstärkung vermindern.
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Offenbarung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei den aus dem Stand der Technik bekannten Wälzlagern auftretenden Ovalisierungen zu vermindern.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Wälzlageranordnung mit einem Außenring und einem zumindest teilweise innerhalb des Außenrings gelagerten Innenring, wobei der Außenring und der Innenring um eine Drehachse relativ zueinander drehbar sind, wobei zwischen dem Außenring und dem Innenring eine Mehrzahl von Wälzkörpern angeordnet sind, wobei der Außenring einen zusätzlichen Stützring aufweist, der sich mindestens über einen, konzentrisch zur Drehachse verlaufenden, axialen Teilbereich des Außenrings erstreckt.
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Erfindungsgemäß lässt sich eine Verformung des Außenrings durch den Stützring auf zweierlei Weise vermindern. Zum einen trägt der Stützring aufgrund seiner eigenen Steifigkeit zum Verformungswiderstand des Außenrings bei. Übt der Stützring zum anderen auf den von ihm umschlossenen Außenring eine radial nach innen gerichtete Kraft aus, so entsteht im Außenring eine Druckvorspannung, die den durch äußere Belastungen hervorgerufenen Spannungen zumindest teilweise entgegenwirkt.
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Erfindungsgemäß bevorzugt wird der Stützring durch eine Bandage aus Fasern gebildet. Bevorzugt handelt es sich hierbei um Kohlenstofffasern wobei aber je nach Verwendungszweck auch Kunststofffasern, Aramidfasern oder Glasfasern denkbar sind. Besonders bevorzugt sind die Fasern dabei in einen Matrixwerkstoff eingebettet, so dass die Fasern zusammen mit der Matrix einen Verbundwerkstoff bilden. Im Falle von Kohlenstofffasern steht dem Fachmann zum Beispiel eine Bandbreite von thermoplastischen und duroplastischen Kunststoffen sowie Hybridsystemen, insbesondere Kunstharzen zur Verfügung, die zusammen mit den Kohlenstofffasern die aus dem Stand der Technik geläufigen kohlenstoffverstärkten Kunststoffe bilden.
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Erfindungsgemäß ist es möglich, dass die Fasern ein Gewebe bilden, das zum Beispiel in Form von Bändern auf den Außenring aufgebracht werden kann. Alternativ ist es möglich, dass die Fasern eine geflochtene Struktur bilden, bei der mehrere Faserstränge in regelmäßiger Weise ineinander geschlungen sind. Alternativ ist es möglich, dass die Fasern als vorimprägnierte oder vorkonsolidierte Rovinge oder Bänder eingesetzt werden können. Diese Möglichkeiten, die Fasern anzuordnen, können selbstverständlich mit einer Einbettung in einen Matrixwerkstoff kombiniert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Stützring durch eine Bandage aus Fasern gebildet, die unter Zugspannung steht und so eine Vorspannung im Außenring erzeugt. Im Falle von Kohlenstofffaserverbundstoffen hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn diese Zugspannung im Bereich von 300 N/mm2 bis 2000 N/mm2, bevorzugt zwischen 500 N/mm2 und 1800 N/mm2 liegt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Stützring durch eine Bandage aus Fasern gebildet, bei der der Stützring eine Ringwandstärke aufweist, die zur Wandstärke des Außenrings in einem Verhältnis im Bereich von 1:2,5 bis 1:7, besonders bevorzugt im Verhältnis von 1:4 bis 1:5 steht.
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Der Stützring nimmt einen axialen Teilbereich des Außenrings ein und verläuft dabei konzentrisch zur Drehachse. Damit besitzt er zum einen eine Erstreckung in azimutaler Richtung, in der er die Drehachse vollständig umschließt. Außerdem besitzt er parallel zur Drehachse eine axiale Erstreckungsrichtung und schließlich aufgrund seiner endlichen Dicke eine radiale Erstreckungsrichtung. Gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist die letztgenannte radiale Erstreckung konstant, der Ring weist also eine gleichförmige Dicke auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform variiert die radiale Erstreckung in axialer Richtung, d.h. parallel zur Drehachse. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, dass die Gestaltung des Rings an Beanspruchungen angepasst werden kann, die in axialer Richtung ungleichförmig verteilt sind. So kann zum Beispiel in den weniger belasteten axialen Bereichen die radiale Ausdehnung abnehmen, während der Stützring in den stärker belasteten axialen Bereichen durch eine größere radiale Ausdehnung verstärkt werden kann.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung kann der Stützring an der Außenfläche des Außenrings anliegen. Gemäß einer bevorzugten weiteren Ausführungsform kann der Außenring Aussparungen aufweisen, um den Stützring zumindest teilweise aufzunehmen und zu führen. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, dass der Stützring in radialer Richtung gegenüber dem Außenring nicht oder zumindest weniger hervorsteht und damit den äußeren Umfang des Außenrings nicht störend vergrößert. Dabei kann die Tiefe dieser Aussparung in axialer Richtung variieren, wodurch es vorteilhaft möglich ist, die Aussparung an eine axial variierende radiale Erstreckung des Stützrings anzupassen. Dabei ist es auch besonders bevorzugt möglich, die Aussparung und den Stützring so zu gestalten, dass die Außenfläche des Stützrings mit der Außenfläche des Außenrings bündig abschließt und eine in radialer Richtung gleichmäßige gemeinsame Außenfläche bildet. Dadurch weist die Außenfläche im Wesentlichen die gleiche Form auf wie ein Außenring ohne Stützring, so dass der mit Stützring versehene Außenring in gleicher Weise wie ein Außenring ohne Stützring eingebaut werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Stützring aus hochfestem Stahl gefertigt. Dadurch lassen sich die Vorteile solcher Materialien nutzen, wie zum Beispiel die, im Vergleich zu Kohlenstofffasern, niedrigeren Kosten und die gute Wiederverwertbarkeit.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Stützrings für eine Wälzlageranordnung mit einem Außenring und einem zumindest teilweise innerhalb des Außenrings gelagerten Innenring vorgeschlagen, wobei der Außenring und der Innenring um eine Drehachse relativ zueinander drehbar sind, wobei zwischen dem Außenring und dem Innenring eine Mehrzahl von Wälzkörpern angeordnet sind und der Außenring einen zusätzlichen Stützring aufweist, wobei sich der Stützring mindestens über einen, konzentrisch zur Drehachse verlaufenden, axialen Teilbereich des Außenrings erstreckt und der Stützring durch Anordnen von Fasern an den Außenring hergestellt wird oder der Stützring in einem ersten Schritt aus Fasern geformt und in einem zweiten Schritt an den Außenring angeordnet wird
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens werden Rovinge mit einem zunächst flüssigen Matrixwerkstoff getränkt und unter einer definierten Zugspannung auf den Außenring gewickelt. Anschließend wird der Matrixwerkstoff ausgehärtet, so dass der feste Matrixwerkstoff mit den Fasern ein Verbundmaterial bildet. Erfindungsgemäß bevorzugt wird dabei als Matrixwerkstoff ein kalthärtendes Harzsystem eingesetzt, das bei Temperaturen bis maximal 80°C aushärtet. Bei dieser Ausführungsform des Herstellungsverfahrens muss sichergestellt werden, dass beim Aushärteprozess die Zugspannung der einzelnen Rovinge in der Wicklung aufrecht gehalten wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform, werden Rovinge zuerst unter einer definierten Zugspannung auf den Außenring gewickelt, anschließend mit einem zunächst flüssigen Matrixwerkstoff getränkt und schließlich ausgehärtet. Bei dieser Ausführungsform muss sichergestellt sein, dass die Zugspannung der einzelnen Rovinge in der Wicklung sowohl während der Benetzung durch den Matrixwerkstoff, als auch während des anschließenden Aushärteprozesses aufrecht gehalten wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform, werden die getränkten oder trockenen Rovinge unter einer definierten Zugspannung auf einen vorgespannten Außenring gewickelt, anschließend ausgehärtet oder infiltriert und dann ausgehärtet. Der Außenring wird derart vorgespannt, dass sich bei Entlastung des Außenrings eine radial nach innen gerichtet Kraft zwischen Stützring und umschlossenen Außenring einstellt, die eine Druckspannung im Außenring hervorruft. Bei dieser Ausführungsform muss sichergestellt sein, dass die Zugspannung der einzelnen Rovinge in der Wicklung sowohl während der Benetzung durch den Matrixwerkstoff, als auch während des anschließenden Aushärteprozesses aufrecht gehalten wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Fasern nicht direkt auf den Außenring gewickelt, sondern in einem ersten Schritt zu einem Stützring geformt und anschließend in einem zweiten Schritt auf den Außenring gefügt. Im ersten Schritt wird die Bandage durch Wickeln trockener Rovinge mit anschließender Infiltration oder durch Wickeln getränkter Rovinge zu einem Stützring geformt. Die getränkten oder ungetränkten Rovinge werden dafür auf einen Kern gewickelt und ausgehärtet. Dabei ist der Kern so bemessen, dass der dadurch geformte Stützring einen Innendurchmesser aufweist, der kleiner ist als der Außendurchmesser des Außenrings. Alternativ kann der Stützring auch mittels eines Harzinjektionsverfahrens (Resin Transfer Moulding, RTM) hergestellt werden, bei dem die Fasern in einen Hohlraum eingelegt werden und das Matrixmaterial in den Hohlraum gespritzt wird. Auch hier werden die Abmessungen so gewählt, dass der so geformte Stützring einen Innendurchmesser aufweist, der kleiner ist als der Außendurchmesser des Außenrings.
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Wird der Stützring in einem ersten Schritt geformt, ohne während des Formungsprozesses am Außenring anzuliegen, ist ein zweiter Prozessschritt nötig, in dem der Stützring auf den Außenring gefügt wird. Hierzu stehen erfindungsgemäß zwei bevorzugte Alternativen zu Verfügung. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird der Außenring abgekühlt, wobei durch die thermische Kontraktion sein Außendurchmesser soweit verringert wird, dass der Stützring auf den Außenring gefügt werden kann. Nach der anschließenden Erwärmung auf Normaltemperatur sitzt der Stützring mit der gewünschten Zugspannung auf dem Außenring.
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Wird der Stützring aus hochfestem Stahl gefertigt, ist es erfindungsgemäß möglich, dass der Innendurchmesser kleiner ist als der Außendurchmesser des Außenrings. Um den Stützring nach der Fertigung auf den Außenring zu fügen, stehen erfindungsgemäß ebenfalls zwei bevorzugte Möglichkeiten zu Verfügung. Der Stützring kann gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform durch thermisches Schrumpfen des Außenrings auf den Außenring gefügt werden. Umgekehrt kann der Stützring auch gemäß einer zweiten Ausführungsform durch thermische Ausdehnung auf den Außenring gefügt werden. Denkbar ist auch eine Kombination dieser beider Möglichkeiten, bei der der Außenring thermisch geschrumpft und der Stützring erwärmt und nach einer thermischen Ausdehnung auf den Außenring gefügt wird. Vorteilhafterweise lassen sich durch diese Kombination von thermischer Schrumpfung und thermischer Ausdehung besonders hohe Spannungen erzeugen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch einen auf den Außenring gefügten Stützring gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Wälzlagers mit einem auf den Außenring gefügten Stützring gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Wälzlagers mit einem auf den Außenring gefügten Stützring gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Wälzlagers mit einem auf den Außenring gefügten Stützring gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist schematisch ein auf den Außenring 2 gefügter Stützring 5 gemäß einer möglichen Ausführung der Erfindung dargestellt. In dieser Ausführungsform liegt der Stützring 5 an einer Außenfläche 9 des Außenrings 2 an, so dass die Außenfläche 10 des Stützrings 5 einen größeren Radius aufweist als die Außenfläche 9 des Außenrings 2. Der Stützring 5 steht dabei unter einer Zugspannung, wodurch der Außenring 2 von außen zusammengepresst und so unter Druckspannung gehalten wird. Diese Druckspannung dient dazu, die äußeren Belastungen, insbesondere in Form von Spreizkräften zumindest teilweise zu kompensieren und dadurch eine Ovalisierung des Außenrings 2 zu vermindern. Zur Orientierung ist zusätzlich die Drehachse 7 markiert, die hier senkrecht auf der Zeichenebene steht.
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In 2 ist schematisch ein Wälzlager 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Dabei ist der Außenring 2 gegenüber dem Innenring 3 in radialer Richtung 8 nach außen versetzt. Die drehbare Lagerung des Außenrings 2 gegenüber dem Innenring 3 wird durch zwei Reihen von Wälzkörpern 4 geleistet, die jeweils mit einer Lauffläche des Außenrings 2 und des Innenrings 3 in Kontakt stehen und auf diesen Laufflächen abrollen. Die Drehachse 7 zeigt dabei in der Darstellung in die vertikale Richtung der Blattebene.
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Wird das Wälzlager 1 bei einer Windkraftanlage als drehbare Verbindung eines Blatts mit der Nabe eingesetzt, entstehen sowohl radiale als auch axiale Belastungen in Innenring 3 und Außenring 2. Dabei kommt es insbesondere zu Spreizkräften, die die Ringe zu Ovalen verformen. Um diesen Verformungen entgegen zu wirken, ist am Außenring 2 ein zusätzlicher Stützring 5 angebracht, der zum einen aufgrund der eigenen Steifigkeit den Außenrings 2 verstärkt, der auf diese Weise den Verformungen einen größeren Widerstand entgegen setzt. Zum anderen kann der Stützring 5 unter Zugspannung stehen und so auf den Außenring 2 eine radial nach innen gerichtete Kraft ausüben, die eine Spannung im Außenring 2 erzeugt und die ebenfalls dabei hilft, Verformungen zu vermeiden.
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In der dargestellten Ausführungsform ist der Querschnitt des Stützrings 5 rechteckig und weist damit in radialer Richtung 8 eine gleichförmige Dicke auf und erstreckt sich über einen axialen Teilbereich 6. Der Außenring 2 besitzt an seiner Außenfläche 9 eine umlaufende Aussparung, die den Stützring 5 aufnimmt. Dadurch wird ein Verrutschen des Stützrings 5 vermieden und zudem gewährleistet, dass die Außenfläche 10 des Stützrings 5 weniger stark gegenüber der Außenfläche 9 des Außenrings 2 hervorsteht. Die Position der Aussparung und des Stützrings 5 kann dabei so gewählt werden, dass sie in der Ebene der größten Beanspruchung liegt und so durch eine lokale Verstärkung einen möglichst effizienten Widerstand gegen Verformungen gewährleistet.
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In 3 ist schematisch ein Wälzlager 1 gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Gegenüber dem in dargestellten Wälzlager 1 bei dem der Stützring 5 einen rechteckigen Querschnitt aufweist, besitzt der Stützring 5 hier einen dreieckigen Querschnitt. Dadurch variiert die radiale Erstreckung des Stützrings 5 über den axialen Teilbereich 6 des Außenrings 2. Dadurch ist es vorteilhafter Weise möglich, den Außenring 2 gezielt gegenüber Belastungen zu verstärken, die in axialer Richtung ungleichförmig verteilt sind. Die radiale Erstreckung kann dabei in den Bereichen vergrößert werden, in denen die Beanspruchung besonders groß ist. Nimmt die Belastung zum Beispiel in axialer Richtung nach außen hin zu, leistet der abgebildete dreieckige Querschnitt in diesen Bereichen durch seine größere radiale Erstreckung eine maximale Verstärkung, während die radiale Erstreckung in den weniger belasteten Bereichen zur Mitte hin abnimmt. Der Außenring 2 weist an seiner Außenfläche 9 wieder eine umlaufende Aussparung auf, die zur Aufnahme und Führung des Stützrings 5 dient. Die Tiefe der Aussparung ist in dieser Ausführungsform an die radiale Erstreckung des Stützrings 5 angepasst, so dass die Außenfläche 10 des Stützrings 5 mit der Außenfläche 9 des Außenrings 2 bündig abschließt und der Stützring 5 in radialer Richtung 8 nicht aus dem Außenring 2 hervorragt. Dadurch bilden der Stützring 5 und der Außenring 2 eine gleichförmige gemeinsame Außenfläche, so dass sich der mit Stützring 5 versehene Außenring 2 in gleicher Weise einbauen lässt wie ein Außenring 2 ohne Stützring 5.
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In 4 ist schematisch ein Wälzlager 1 gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der Stützrings 5 weist hier einen Querschnitt mit der Form eines rechtwinkligen Trapezes auf. Auch in dieser Ausführungsform variiert also die radiale Erstreckung des Stützrings 5 über den axialen Teilbereich 6 des Außenrings 2 und erlaubt dadurch eine an die Belastung angepasste Verstärkung, bei der die radiale Erstreckung in den besonders beanspruchten axialen Bereichen zunimmt und in den weniger beanspruchten Bereichen abnimmt. Der Außenring 2 weist an seiner Außenfläche 9 wiederum eine umlaufende Aussparung auf, die zur Aufnahme und Führung des Stützrings 5 dient.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wälzlageranordnung
- 2
- Außenring
- 3
- Innenring
- 4
- Wälzkörper
- 5
- Stützring
- 6
- axialer Teilbereich
- 7
- Drehachse
- 8
- radiale Richtung
- 9
- Außenfläche des Außenrings
- 10
- Außenfläche des Stützrings
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013/0202234 A1 [0003]
