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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Wälzlageranordnung, umfassend ein Wälzlager mit einem Innenring, einem Außenring, Wälzkörpern und einem Käfig, wobei der Innenring eine Innenringlaufbahn aufweist und der Außenring eine Außenringlaufbahn aufweist, wobei die Wälzkörper zwischen Innenring und Außenring wälzend gelagert in dem Käfig voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei zwischen dem Innenring und dem Außenring ein stromleitendes Element angeordnet ist, welches den Innenring mit dem Außenring stromleitend verbindet.
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Hintergrund der Erfindung
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Beim Einsatz von Wälzlagern z.B. in bzw. an elektrischen Maschinen oder innerhalb eines hybridisierten Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, kann es zu einem Stromdurchgang kommen. Die Schaltimpulse von Umrichtern führen beispielsweise zum Aufbau einer Spannung zwischen den Lagerringen von Wälzlagern. Diese Spannung wird durch Durchschläge immer wieder abgebaut. Unter ungünstigen Bedingungen kommt es infolge dessen zu Stromdurchgangsschäden an Laufbahnen und Wälzkörpern. Somit besteht die Gefahr eines vorzeitigen und unerwarteten Ausfalls des Lagers und damit der gesamten elektrischen Maschine. Neben dem erhöhten Wartungsaufwand entstehen durch den Stillstand der Maschine zusätzliche Kosten.
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Aus dem Stand der Technik sind stromisolierte Wälzlager bekannt, die schädliche Lagerströme unterbinden sollen. So werden beispielsweise Wälzlager mit einer Keramikisolierung am Außen- oder Innenring eingesetzt. Stromisolierte Wälzlager sind jedoch vergleichsweise teuer und werden daher nicht allzu häufig eingesetzt.
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Aufgabe der Erfindung
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Im Lichte des vorbekannten Standes der Technik ist es somit die Aufgabe der Erfindung, eine Wälzlageranordnung bereitzustellen, welche elektrischen Strom zwischen Innenring und Außenring eines Wälzlagers betriebssicher und verschleißarm überträgt und welche kostengünstig herstellbar ist.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wälzlageranordnung, umfassend ein Wälzlager mit einem Innenring, einem Außenring, Wälzkörpern und einem Käfig, wobei der Innenring eine Innenringlaufbahn aufweist und der Außenring eine Außenringlaufbahn aufweist, wobei die Wälzkörper zwischen Innenring und Außenring wälzend gelagert in dem Käfig voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei zwischen dem Innenring und dem Außenring ein stromleitendes Element angeordnet ist, welches den Innenring mit dem Außenring stromleitend verbindet, wobei das stromleitende Element als ein Kassettenelement mit einem ersten stromleitenden Kassettenring, der an dem Außenring anliegt und einem zweiten stromleitenden Kassettenring, der an dem Innenring anliegt, ausgebildet ist, und einen Kassetteninnenraum aufweist, welcher durch den ersten Kassettenring und den zweiten Kassettenring definiert ist, wobei im Kassetteninnenraum ein federelastisch vorgespanntes und elektrisch leitfähiges Verbindungselement angeordnet ist, welches den ersten Kassettenring stromleitend mit dem zweiten Kassettenring verbindet.
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Dadurch wird der Innenring mit dem Außenring elektrisch verbunden, so dass keine elektrischen Potentialunterschiede zwischen Innenring und Außenring vorhanden sind. Durch die vorgeschlagene Lösung kann ein stromableitendes Element insbesondere auch in Standardwälzlagern integriert werden, ohne dass dies zur Vergrößerung des ursprüngliches Bauraumes des Wälzlagers führen würde. Das stromleitende Element wird als ein Kassettenelement, welches innerhalb des Wälzlagers angeordnet ist, ausgebildet. Dabei werden die gegeneinander berührungslosen Kassettenringe ergänzt durch ein Verbindungselement, das sich innerhalb des Kassetteninnenraums befindet und welches die Kassettenringe stromleitend miteinander verbindet. Das Kassettenelement kann ferner eine Dicht- und/oder Trennfunktion zwischen dem Außenbereich des Wälzlagers und dem Innenbereich des Wälzlagers, insbesondere den Ringlaufbahnen und den Wälzkörpern, aufweisen.
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Um über die gesamte Lebensdauer des Wälzlagers eine gesicherte Kontaktierung und Stromdurchführung über das Kassettenelement zu gewährleisten ist das stromleitende Verbindungselement zwischen den Kassettenringen als Federelement ausgebildet und innerhalb des Kassettenelements vorgespannt.
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Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
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Wälzlager sind Lager, bei denen zwischen einem Innenring und einem Außenring rollende Körper den Reibungswiderstand verringern. Wälzlager dienen insbesondere der Fixierung von Achsen und Wellen, wobei sie, je nach Bauform, radiale und/oder axiale Kräfte aufnehmen und gleichzeitig die Rotation der Welle oder der so auf einer Achse gelagerten Bauteile ermöglichen. Es ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt, dass das Wälzlager als ein Radial-Rillen-Kugellager ausgebildet ist.
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Hierzu sind zwischen einem Innenring und einem Außenring des Wälzlagers rollende Wälzkörper angeordnet. Zwischen diesen drei Hauptkomponenten Innenring, Außenring und den Wälzkörpern tritt innerhalb des Wälzlagers in der Regel hauptsächlich Rollreibung auf. Da die Wälzkörper im Innen- und Außenring bevorzugt auf gehärteten Stahlflächen mit optimierter Schmierung abrollen können, ist die Rollreibung derartiger Lager relativ gering.
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Der Innenring kann insbesondere die vom Wälzlager aufzunehmende Welle mit dem übrigen Wälzlager bzw. den Wälzkörpern verbinden. Dabei kann insbesondere die Welle mit der der Welle zugewandten Seite der Mantelfläche des Innenrings verbunden sein, wobei auf der dieser Mantelfläche gegenüberliegenden Innenringlaufbahn die Wälzkörper des Wälzlagers wälzen. Der Innenring kann insbesondere aus einem metallischen Werkstoff gebildet sein. Es ist grundsätzlich denkbar, den Innenring einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig auszubilden.
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Der Außenring kann insbesondere die das Wälzlager aufnehmende Lageraufnahme mit dem übrigen Wälzlager bzw. den Wälzkörpern verbinden. Dabei kann insbesondere die Lageraufnahme mit der der Lageraufnahme zugewandten Seite der Mantelfläche des Außenrings verbunden sein, wobei auf der dieser Mantelfläche gegenüberliegenden Außenringlaufbahn die Wälzkörper des Wälzlagers wälzen. Der Außenring kann insbesondere aus einem metallischen Werkstoff gebildet sein. Es ist grundsätzlich denkbar, den Außenring einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig auszubilden.
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Die Wälzkörper haben abhängig von der Wälzlagerbauart die Form einer Kugel oder einer Rolle. Sie rollen auf den Laufbahnen des Wälzlagers ab und haben die Aufgabe, die auf ein Radialwälzlager wirkende Kraft vom Außenring auf den Innenring und umgekehrt zu übertragen. Bei einem Axialwälzlager übertragen die Wälzkörper die auf das Axialwälzlager wirkenden Kräfte zwischen den Laufscheiben. Rollenförmige Wälzkörper werden auch als Rollenwälzkörper und kugelförmige Wälzkörper als Lagerkugel bezeichnet.
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Ein Wälzlager kann einen Käfig aufweisen, wobei der Käfig die Wälzkörper führt. Der Käfig so ausgebildet, dass die Lagerkugeln und/oder die Rollenwälzkörper voneinander beabstandet werden, damit beispielsweise die Reibung und Wärmeentwicklung der Wälzkörper möglichst gering gehalten wird. Ferner hält der Käfig die Lagerkugeln und/oder die Rollenwälzkörper in einem gleichmäßigen Abstand zueinander, wodurch eine gleichmäßige Lastverteilung erzielt werden kann. Der Käfig kann einstückig oder mehrstückig ausgeführt sein.
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Die Wälzkörper können innerhalb des Wälzlagers insbesondere auf der Innenringlaufbahn des Innenrings abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der Innenringlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch das Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht. Die Innenringlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der Innenringlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Wälzkörper auf der Innenringlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der Innenringlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse axiale Verschiebbarkeit der Wälzkörper auf der Innenringlaufbahn erlauben.
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Die Wälzkörper können innerhalb des Wälzlagers insbesondere auf der Außenringlaufbahn des Außenrings abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der Außenringlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht. Die Außenringlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der Außenringlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Wälzkörper auf der Außenringlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der Außenringlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse axiale Verschiebbarkeit der Wälzkörper auf der Außenringlaufbahn erlauben.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass der erste Kassettenring und/oder der zweite Kassettenring im Querschnitt ein L-förmiges Profil aufweisen.
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Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, dass der Kassetteninnenraum zumindest teilweise mit einem elektrisch leitfähigen Medium gefüllt ist, wobei bevorzugt das elektrisch leitfähige Medium bei Raumtemperatur einen gasförmigen, flüssigen oder pastösen Aggregatszustand aufweist.
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In einer Weiterentwicklung der Erfindung kann es ferner bevorzugt sein, dass das elektrisch leitfähige Medium eine Suspension oder Emulsion ist. Ebenfalls bevorzugt ist es, dass das elektrisch leitfähige Medium als elektrisch leitender Wälzlagerschmierstoff, insbesondere Schmierfett, konfiguriert ist.
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Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass das Verbindungselement als Spiralfeder, Blattfeder, Torsionsfeder oder Formfeder ausgebildet ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann es bevorzugt sein, dass der erste Kassettenring und der zweite Kassettenring im Wesentlich identisch ausgebildet sind.
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Schließlich kann es auch bevorzugt sein, dass an dem Wälzlager ein Sensor zur Messung des Stromflusses durch den ersten Kassettenring und/oder den zweiten Kassettenring und/oder das Verbindungselement angeordnet ist, wobei das Messignal des Sensors einer Steuereinheit mit einer das Messignal verarbeitenden Prozessoreinheit zugeführt wird. Durch die Messung des durch das stromleitende Element fließenden Stroms lassen sich mittels der entsprechenden das Messsignal verarbeitenden Prozessoreinheit beispielsweise Rückschlüsse auf den Betriebszustand, den Belastungsgrad bzw. das Belastungsprofil und/oder den Verschleißgrad des Wälzlagers ziehen. Beispielsweise kann eine detektierte Widerstandserhöhung ein Hinweis auf Korrosion sein. Der Sensor kann als ein kontaktierender oder kontaktloser Sensor ausgeformt sein. Die Messung des Stromflusses kann kontinuierlich oder in Intervallen erfolgen.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert. Die Zeichnungen sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch können die unterschiedlichen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele innerhalb des technisch machbaren frei miteinander kombiniert werden. Es zeigen:
- 1 die erfindungsgemäße Wälzlageranordnung in einer schematischen Querschnittsansicht,
- 2 eine erste Ausführungsform des Kassettenelements und seiner Bauteile in schematischen Querschnittsansichten,
- 3 eine zweite Ausführungsform des Kassettenelements und seiner Bauteile in schematischen Querschnittsansichten,
- 4 eine dritte Ausführungsform des Kassettenelements und seiner Bauteile in schematischen Querschnittsansichten,
- 5 eine vierte Ausführungsform des Kassettenelements und seiner Bauteile in schematischen Querschnittsansichten, und
- 6 eine fünfte Ausführungsform des Kassettenelements und seiner Bauteile in schematischen Querschnittsansichten.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung 1, umfassend ein Wälzlager 2 mit einem Innenring 3, einem Außenring 4, Wälzkörpern 5 und einem Käfig 6. Der Innenring 3 weist eine Innenringlaufbahn 7 und der Außenring 4 eine Außenringlaufbahn 8 auf. Die Wälzkörper 5 sind zwischen Innenring 3 und Außenring 4 wälzend gelagert und in dem Käfig 6 voneinander beabstandet angeordnet. Zwischen dem Innenring 3 und dem Außenring 4 ist ein stromleitendes Element 9 angeordnet, welches den Innenring 3 mit dem Außenring 4 stromleitend verbindet. Das stromleitende Element 9 ist als ein Kassettenelement 10 mit einem ersten stromleitenden Kassettenring 11, der an dem Außenring 4 anliegt, und einem zweiten stromleitenden Kassettenring 12, der an dem Innenring 3 anliegt, ausgebildet. Das Kassettenelement 10 besitzt einen Kassetteninnenraum 13, welcher durch den ersten Kassettenring 11 und den zweiten Kassettenring 12 definiert ist. Innerhalb des Kassetteninnenraums 13 ist ein federelastisch vorgespanntes und elektrisch leitfähiges Verbindungselement 14 angeordnet, welches den ersten Kassettenring 11 stromleitend mit dem zweiten Kassettenring 12 verbindet.
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Der erste Kassettenring 11 und der zweiten Kassettenring 12 weisen im Querschnitt ein L-förmiges Profil auf. Wie aus der 1 gut zu erkennen ist, sind der erste Kassettenring 11 und der zweite Kassettenring 12 im Wesentlich identisch ausgebildet. Die Kassettenringe 11, 12 sind jeweils durch einen Festsitz mit dem Außenring 4 und Innenring 3 verbunden. Dabei bilden Kassettenringe 11,12 des Kassettenelements 10 eine Spalt- bzw. Labyrinthgeometrie, welche sie voneinander trennt. Die Spalt- bzw. Labyrinthgeometrien des Kassettenelements 10 gewährleisten somit eine technische Dichtheit zwischen dem Außenbereich und Kassetteninnenraum 13 des Kassettenelements 10. Hierdurch können unter anderem Schmiermedien aus dem Wälzlagerinneren oder weitere kontaminierende Medien aus dem Außenbereich des Wälzlagers 2 vom Eindringen in das stromleitende Kassettenelement 10 abgehalten werden, um insbesondere die stromleitende Funktion des Kassettenelements 10 zwischen dem Innenring 3 und dem Außenring 4 aufrecht zu halten. Die Bauteile des Kassettenelements 10 bestehen insbesondere aus nichtisolierenden, stromleitenden Materialen.
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Die 1 zeigt ferner, dass der Kassetteninnenraum 13 zumindest teilweise mit einem elektrisch leitfähigen Medium 15 gefüllt ist, wobei bevorzugt das elektrisch leitfähige Medium 15 bei Raumtemperatur einen gasförmigen, flüssigen oder pastösen Aggregatszustand aufweist. Das elektrisch leitfähige Medium kann insbesondere die stromleitende Funktion des Verbindungselements 14 unterstützen.
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An dem Wälzlager 2 ist ein Sensor 16 zur Messung des Stromflusses durch den zweiten Kassettenring 12 angeordnet. Das Messignal des Sensors 16 wird einer Steuereinheit 17 mit einer das Messignal verarbeitenden Prozessoreinheit 18 zugeführt.
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Die 2 bis 6 zeigen jeweils verschiedene Ausführungsform des Kassettenelements 10. Jede der Figuren ist in die vier Abschnitte A bis D aufgeteilt, wobei
- - in Abschnitt A jeweils das Verbindungselement 14,
- - in Abschnitt B das Kassettenelement 10,
- - in Abschnitt C das in dem Kassettenelement 10 angeordnete Verbindungselement 14 und
- - in Abschnitt D das in dem Kassettenelement 10 angeordnete Verbindungselement 14 mit einem in dem Kassetteninnenraum 13 befindlichen elektrisch leitfähigen Medium 15 dargestellt ist.
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In der ersten Ausführungsform des Kassettenelements 10, die in 2 widergegeben ist, ist das Verbindungselement 14 als eine Druckfeder, insbesondere als eine Spiralfeder ausgeführt.
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Das Kassettenelement besteht aus zwei im Wesentlichen identisch, L-förmig ausgeführten Kassettenringen 11,12 mit jeweils einem radial und einem axial verlaufenden Schenkel. Die axial verlaufenden Schenkel der Kassettenringe 11,12 kontaktieren den Innenring bzw. den Außenring. Die radial verlaufenden Schenkel dienen u.a. der Abtrennung des Kassettenelements 10 von seiner unmittelbaren Umgebung. Die L-förmigen Kassettenringe 11,12 sind so konfiguriert und zueinander angeordnet, dass die Kassettenringe 11,12 sich nicht berühren. Die Kassettenringe 11,12 bilden an ihren jeweils radial distalen Enden zwei axial verlaufende Spalte. Die Spalte sind so bemessen, dass ein Eindringen von unerwünschten Stoffen oder das Austreten von Stoffen aus dem Kassetteninnenraum 13 zumindest reduziert oder gar vermieden wird. Diese Anordnung der Kassettenringe 11,12 führt zu einer im Querschnitt rechteckigen Grundform des Kassettenelements 10, welches einen im Querschnitt ebenfalls rechteckförmigen Kassetteninnraum 13 aufweist. Diese konstruktive Grundkonfiguration des Kassettenelements 10 bleibt in den nachfolgenden Ausführungsformen bestehen, so dass hierauf nachfolgend zur Vermeidung von Wiederholungen nicht nochmal eingegangen wird.
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Das als Druckfeder ausgeführte Verbindungselement 14 ist so in dem Kassettenelement 10 angeordnet, dass die Federkraft im Wesentlich in axialer Richtung wirkt und das Verbindungselement 13 sich an den Innenseiten der radialen Schenkel der L-förmigen Kassettenringen 11,12 abstützt, was gut in 2C erkennbar ist.
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Der Kassetteninnenraum 13 kann mit einem elektrisch leitfähigen Medium 15 befüllt sein, was in der 2D schematisch gezeigt ist.
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In der zweiten Ausführungsform des Kassettenelements 10, die in 3 widergegeben ist, ist das Verbindungselement 14 ebenfalls als eine Druckfeder, insbesondere als eine Spiralfeder ausgeführt. Das als Druckfeder ausgeführte Verbindungselement 14 ist jedoch im Unterschied zu der Ausführungsform der 2 so in dem Kassettenelement 10 angeordnet, dass die Federkraft im Wesentlich in radialer Richtung wirkt und das Verbindungselement 13 sich an den Innenseiten der axialen Schenkel der L-förmigen Kassettenringen 11, 12 abstützt, was gut in 3C erkennbar ist.
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In der dritten Ausführungsform des Kassettenelements 10, die in 4 gezeigt ist, weist das Verbindungselement 14 ein halbkreisbogenförmiges Querschnittsprofil auf. Die distalen Endbereiche des halbkreisbogenförmigen Verbindungselements 14 stützen sich jeweils an den Innenseiten der axialen Schenkel der L-förmigen Kassettenringe 11,12 ab, so dass das Verbindungselement 14 vorgespannt im Kassetteninnenraum 13 angeordnet ist (vergl. 3C).
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5 zeigt eine vierte Ausführungsform des Kassettenelements 10, bei der das Verbindungselement 14 als Tellerfeder ausgeformt ist. Die distalen Umfangsbereiche des tellerfederartigen Verbindungselements 14 stützen sich in den innenseitigen Ecken der L-förmigen Kassettenringe 11, 12 ab, so dass das tellerfederartige Verbindungselement 14 vorgespannt im Kassetteninnenraum 13 angeordnet ist (vergl. 5C).
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Schließlich zeigt 6 eine weitere Ausführungsform des Kassettenelements 10, bei dem das Verbindungselement 14 aus Faserelementen gebildet ist
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wälzlageranordnung
- 2
- Wälzlager
- 3
- Innenring
- 4
- Außenring
- 5
- Wälzkörpern
- 6
- Käfig
- 7
- Innenringlaufbahn
- 8
- Außenringlaufbahn
- 9
- stromleitendes Element
- 10
- Kassettenelement
- 11
- erster Kassettenring
- 12
- zweiter Kassettenring
- 13
- Kassetteninnenraum
- 14
- Verbindungselement
- 15
- elektrisch leitfähiges Medium
