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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Wälzlageranordnung, umfassend ein Wälzlager mit einem Innenring, einem Außenring und Wälzkörpern, wobei der Innenring eine Innenringlaufbahn aufweist und der Außenring eine Außenringlaufbahn aufweist, wobei die Wälzkörper zwischen Innenring und Außenring wälzend gelagert angeordnet sind.
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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 und Wälzkörpern, wobei der Innenring eine Innenringlaufbahn aufweist und der Außenring eine Außenringlaufbahn aufweist, wobei die Wälzkörper zwischen Innenring und Außenring wälzend gelagert angeordnet sind, wobei eine erste Laufscheibe drehfest an dem Außenring angeordnet ist, welche sich in radialer Richtung nach Innen erstreckt, ohne den Innenring zu kontaktieren, und eine zweite Laufscheibe drehfest an dem Innenring angeordnet ist, welche sich in radialer Richtung nach Außen erstreckt, ohne den Außenring zu kontaktieren, wobei zwischen der ersten Laufscheibe und der zweiten Laufscheibe diese jeweils kontaktierende Kontaktwälzkörper angeordnet sind, welche zwischen der ersten Laufscheibe und der zweiten Laufscheibe wälzend gelagert sind.
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Dadurch wird der Innenring mit dem Außenring elektrisch verbunden, so dass keine elektrischen Potentialunterschiede zwischen Innenring und Außenring vorhanden sind. Die vorgeschlagene Konstruktion einer Stromführung zwischen Innenring und Außenring hat sich als äußerst betriebssicher, verschleißarm und reibungsarm erwiesen.
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Die erste Laufscheibe kann insbesondere kreisringförmig ausgebildet sein. Es ist grundsätzlich denkbar, die erste Laufscheibe einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig auszubilden. Die erste Laufscheibe kann insbesondere aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff, gebildet sein.
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Die Kontaktwälzkörper können insbesondere auf der ersten Kontaktwälzkörperlaufbahn der erste Laufscheibe abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der ersten Kontaktwälzkörperlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht, wobei diese insbesondere auch dazu geeignet sein kann, die elektrische Leitfähigkeit zwischen der ersten Kontaktwälzkörperlaufbahn und den Kontaktwälzkörpern zu verbessern. Die erste Kontaktwälzkörperlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der ersten Wälzkörperlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Kontaktwälzkörper auf der erste Kontaktwälzkörperlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der ersten Kontaktwälzkörperlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse radiale Verschiebbarkeit der Kontaktwälzkörper auf der ersten Wälzkörperlaufbahn erlauben.
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Die zweite Laufscheibe kann insbesondere kreisringförmig ausgebildet sein. Es ist grundsätzlich denkbar, die zweite Laufscheibe einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig auszubilden. Die zweite Laufscheibe kann insbesondere aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff, gebildet sein.
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Die Kontaktwälzkörper können insbesondere auf der zweiten Kontaktwälzkörperlaufbahn der zweite Laufscheibe abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der zweiten Kontaktwälzkörperlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht, wobei diese insbesondere auch dazu geeignet sein kann, die elektrische Leitfähigkeit zwischen der zweiten Kontaktwälzkörperlaufbahn und den Kontaktwälzkörpern zu verbessern. Die zweite Kontaktwälzkörperlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der zweiten Wälzkörperlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Kontaktwälzkörper auf der zweite Kontaktwälzkörperlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der zweiten Kontaktwälzkörperlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse radiale Verschiebbarkeit der Kontaktwälzkörper auf der zweiten Wälzkörperlaufbahn erlauben.
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Die Kontaktwälzkörper können die Form einer Kugel oder einer Rolle aufweisen. Sie wälzen sich auf den Kontaktwälzkörperlaufbahnen der ersten und zweiten Laufscheibe ab und haben die Aufgabe, die erste Laufscheibe und die zweite Laufscheibe elektrisch leitend miteinander zu verbinden.
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Über die werkstoffliche sowie geometrische Ausgestaltung der Kontaktwälzkörper und der Kontaktwälzkörperlaufbahnen kann der elektrische Widerstand zwischen den Kontaktwälzkörpern und den Kontaktwälzkörperlaufbahnen eingestellt werden.
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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. 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 Wälzlager aufnehmende Welle mit dem 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 aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff gebildet sein. Es ist grundsätzlich denkbar, den Innenring einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig auszubilden.
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Der Außenring kann insbesondere die Wälzlager aufnehmende Lagerung mit dem Wälzlager bzw. den Wälzkörpern verbinden. Dabei kann insbesondere die Lagerung mit der der Lagerung zugewandten Seite der Mantelfläche des Außenrings verbunden sein, wobei auf der dieser Mantelfläche gegenüberliegenden Außenringlaufbahn die Wälzkörper des Wälzlagers wälzen. Der Außenring kann aus einem metallischen und/oder keramischen 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 wälzen sich 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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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 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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Rollenwälzkörper verfügen im Vergleich zu Lagerkugeln, welche eine punktförmige Berührung auf den Laufbahnen von Außen- und/oder Innenring aufweisen, über eine linienförmige Berührung und folglich über eine größere Auflagefläche. Hierdurch können Rollenwälzkörper bei hoher Steifigkeit wesentlich höhere Lasten aufnehmen als Lagerkugeln.
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Nadelrollen von Wälzlagern sind geometrisch als Kreiszylinder ausgebildet, die über eine sehr große Länge im Verhältnis zum Wälzkörperdurchmesser verfügen. In der Regel spricht man bei einem Längen-/Durchmesserverhältnisses einer kreiszylindrischen Wälzkörperrolle >2,5 von einer Nadelrolle. Mittels Nadelrollen lassen sich besonders kompakte Wälzlager, sog. Nadellager, realisieren.
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Zylinderrollen von Wälzlagern sind geometrisch als Kreiszylinder ausgebildet. Sie verfügen im Vergleich zu Lagerkugeln über eine größere Auflagefläche an den Laufbahnen von Außen- und Innenring. Hierdurch können Zylinderrollen wesentlich höhere Lasten aufnehmen als Lagerkugeln.
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Ein Wälzlager kann einen Käfig aufweisen, wobei der Käfig die Wälzkörper führt. Der Käfig ist so ausgebildet, dass die Wälzkörperkugeln und/oder die Wälzkörperrollen voneinander beabstandet werden, damit beispielsweise die Reibung und Wärmeentwicklung der Wälzkörper möglichst geringgehalten wird. Ferner hält der Käfig die Wälzkörperkugeln und/oder Wälzkörperrollen in einem gleichmäßigen Abstand zueinander, wodurch eine gleichmäßige Lastverteilung erzielt werden kann. Der Käfig kann einstückig oder mehrstückig ausgeführt sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die erste Laufscheibe monolithisch mit dem Außenring ausgebildet ist und/oder die zweite Laufscheibe monolithisch mit dem Innenring ausgebildet ist. Hierdurch kann eine besonders kostengünstige Herstellung erfolgen und die Anzahl der zu montierenden Bauelemente reduziert werden.
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Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, dass die Kontaktwälzkörper als Lagerkugeln ausgebildet sind. In einer Weiterentwicklung der Erfindung kann es ferner bevorzugt sein, dass die Kontaktwälzkörper als Rollenwälzkörper ausgebildet sind, insbesondere als. Nadelrollen oder Zylinderrollen. Über die Geometrie der Kontaktwälzkörper kann insbesondere auch der elektrische Widerstand zwischen den Rollenwälzkörpern und den Laufscheiben konfiguriert werden, wobei eine Lagerkugel tendenziell durch eine geringere Kontaktfläche einen höheren Widerstand aufweist und eine Lagerrolle tendenziell durch eine größere Kontaktfläche einen geringeren Widerstand aufweist.
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Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass die erste Laufscheibe, die zweite Laufscheibe und die Kontaktwälzkörper vollständig innerhalb des Wälzlagers angeordnet sind. Hierdurch lässt sich insbesondere ein kompakter Aufbau des Wälzlagers erreichen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann es bevorzugt sein, dass der Außenring an seiner inneren Mantelfläche eine in radialer Richtung nach Innen weisende Schulter umfasst, an der die erste Laufscheibe in axialer Richtung anliegt und/oder der Innenring an seiner inneren Mantelfläche eine in radialer Richtung nach Innen weisende Schulter umfasst, an der die zweite Laufscheibe in axialer Richtung anliegt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die Laufscheiben durch die Schulte in axialer Richtung gegen ein unbeabsichtigtes verschieben ins Innere des Wälzlagers gesichert sind.
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Gemäß einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die Wälzkörper und/oder die Kontaktwälzkörper in einem Käfig geführt sind.
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Schließlich ist es auch vorteilhaft, dass an dem Wälzlager ein Sensor zur Messung des Stromflusses durch die Laufscheiben und/oder den Kontaktwälzkörper angeordnet ist, wobei das Messignal des Sensors einer Steuereinheit mit einer das Messignal verarbeitenden Prozessoreinheit zugeführt wird. Durch die Messung des durch das Opferlager 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 von Zeichnungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. 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 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung in einer schematischen Querschnittsansicht,
- 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung in einer schematischen Querschnittsansicht,
- 3 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung in einer schematischen Querschnittsansicht.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung 1, umfassend ein Wälzlager 2 mit einem Innenring 3, einem Au-ßenring 4 und Wälzkörpern 5. Der Innenring 3 weist eine Innenringlaufbahn 6 und der Außenring 4 eine Außenringlaufbahn 7 auf, wobei die Wälzkörper 5 zwischen Innenring 3 und Außenring 4 wälzend gelagert angeordnet sind. Eine erste Laufscheibe 8 ist drehfest an dem Außenring 4 angeordnet, welche sich in radialer Richtung nach Innen erstreckt, ohne den Innenring 3 zu kontaktieren. Eine zweite Laufscheibe 9 ist drehfest an dem Innenring 3 angeordnet, welche sich in radialer Richtung nach Außen erstreckt, ohne den Außenring 4 zu kontaktieren. Zwischen der ersten Laufscheibe 8 und der zweiten Laufscheibe 9 sind diese jeweils kontaktierende Kontaktwälzkörper 10 angeordnet. Die Kontaktwälzkörper 10 sind zwischen der ersten Laufscheibe 8 und der zweiten Laufscheibe 9 wälzend gelagert.
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In der gezeigten Ausführungsform der 1 sind die Kontaktwälzkörper 10 als Lagerkugeln 11 ausgebildet. Die 1 zeigt ferner, dass die erste Laufscheibe 8, die zweite Laufscheibe 9 und die Kontaktwälzkörper 10 vollständig innerhalb des Wälzlagers 2 angeordnet sind.
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Der Außenring 4 besitzt an seiner inneren Mantelfläche eine in radialer Richtung nach Innen weisende Schulter 15, an der die erste Laufscheibe 8 in axialer Richtung anliegt. Analog hierzu besitzt auch der Innenring 3 an seiner inneren Mantelfläche eine in radialer Richtung nach Innen weisende Schulter 15, an der die zweite Laufscheibe 9 in axialer Richtung anliegt.
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Die Wälzkörper 5 und die Kontaktwälzkörper 10 sind jeweils in einem separaten Käfig 16 geführt.
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An dem Wälzlager 2 ist ein kontaktloser Sensor 17 zur Messung des Stromflusses durch die Laufscheibe 9 angeordnet. Das Messignal des Sensors 17 wird einer Steuereinheit 18 mit einer das Messignal verarbeitenden Prozessoreinheit 19 zugeführt.
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Die 2 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform der Wälzlageranordnung 1. Auch hier umfasst die Wälzlageranordnung 1 ein Wälzlager 2 mit einem Innenring 3, einem Außenring 4 und Wälzkörpern 5, wobei der Innenring 3 eine Innenringlaufbahn 6 aufweist und der Außenring 4 eine Außenringlaufbahn 7 aufweist und die Wälzkörper 5 zwischen Innenring 3 und Außenring 4 wälzend gelagert angeordnet sind. Insoweit entspricht der Grundaufbau des Wälzlagers 1 in der 2 dem bereits aus der 1 bekannten. Die erste Laufscheibe 8 ist auch hier drehfest an dem Außenring 4 angeordnet, wobei sich die erste Laufscheibe 9 in radialer Richtung nach Innen erstreckt, ohne den Innenring 3 zu kontaktieren. Die zweite Laufscheibe 9 ist analog hierzu drehfest an dem Innenring 3 angeordnet, und erstreckt sich in radialer Richtung nach Außen, ohne den Außenring 4 zu kontaktieren. Zwischen der ersten Laufscheibe 8 und der zweiten Laufscheibe 9 diese jeweils kontaktierende Kontaktwälzkörper 10 angeordnet sind, wobei die Kontaktwälzkörper 10 als Rollenwälzkörper 12 ausgebildet sind, insbesondere als Nadelrollen 13 oder Zylinderrollen 14.
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Die 3 zeigt schließlich eine dritte Ausführungsform einer Wälzlageranordnung 1. Im Unterschied zu den Ausführungsformen, die bereits aus den 1-2 bekannt sind, ist in dem Ausführungsbeispiel der 3 die erste Laufscheibe 8 monolithisch mit dem Außenring 4 und die zweite Laufscheibe 9 monolithisch mit dem Innenring 3 ausgebildet.
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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
- Innenringlaufbahn
- 7
- Außenringlaufbahn
- 8
- erste Laufscheibe
- 9
- zweite Laufscheibe
- 10
- Kontaktwälzkörper
- 11
- Lagerkugeln
- 12
- Rollenwälzkörper
- 13
- Nadelrollen
- 14
- Zylinderrollen
- 15
- Schulter
- 16
- Käfig
- 17
- Sensor
- 18
- Steuereinheit
- 19
- Prozessoreinheit
