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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wälzlageranordnung, insbesondere zur Verwendung in einer elektrischen Maschine eines Antriebsstrang eines hybriden oder vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend ein Wälzlager mit einem Innenring, einem Außenring und Wälzkörpern, wobei der Innenring eine Innenringlaufbahn sowie der Außenring eine Außenringlaufbahn aufweist, und die Wälzkörper zwischen Innenring und Außenring wälzend gelagert 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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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 infolgedessen 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. Im Lichte des vorbekannten Standes der Technik ist es somit die Aufgabe der Erfindung, eine Wälzlageranordnung mit einem verbesserten Schutz vor schädlichen Lagerströmen bereitzustellen. Es ist insbesondere auch die Aufgabe der Erfindung, eine Wälzlageranordnung bereitzustellen, die einen Schutz vor schädlichen Lagerströmen insbesondere in einer nass laufenden Wälzlageranordnung realisiert.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wälzlageranordnung, insbesondere zur Verwendung in einer elektrischen Maschine eines Antriebsstrang eines hybriden oder vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend ein Wälzlager mit einem Innenring, einem Außenring und Wälzkörpern, wobei der Innenring eine Innenringlaufbahn sowie der Außenring eine Außenringlaufbahn aufweist, und die Wälzkörper zwischen Innenring und Außenring wälzend gelagert 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 eine elektrisch leitfähige kreisringförmige Abdeckscheibe und einen an der Abdeckscheibe angeordnetes sowie im Stromfluss zwischen Innenring und Außenring liegendes kreisringförmiges Kontaktierungselement umfasst, welches die Abdeckscheibe mit dem Innenring oder dem Außenring elektrisch verbindet, wobei die Abdeckscheibe mit dem Innenring oder Außenring eine Labyrinthdichtung ausbildet.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass ein Wälzlager mit einem hohen Schutz vor schädlichen Lagerströmen bei gleichzeitiger guter und reibungsarmer Dichtwirkung in nur einem Bauteil bereitgestellt werden kann. Durch bauliche Zusammenfassung der Lager-Abdeckscheibe und des Kontaktierungselements kann insbesondere auch der Montageprozess vereinfacht werden.
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Eine Labyrinthdichtung, welche auch gelegentlich als Spaltdichtung bezeichnet wird, gehört zu der Gruppe der berührungsfreien Dichtungen. Bei einer Labyrinthdichtung beruht die Dichtwirkung auf der Verlängerung des Strömungsweges eines Schmiermittels von innerhalb des Wälzlagers oder von Fluiden und/oder Partikeln von außerhalb in das Wälzlager hinein durch den abzudichtenden Spalt, wodurch der Strömungswiderstand wesentlich erhöht wird. Die Wegverlängerung wird in der Regel durch ein Ineinandergreifen, was auch als Kämmung bezeichnet wird, von Formelementen der Labyrinthdichtung erzielt.
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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. Wälzlager können insbesondere dazu verwendet werden, Drehbewegungen mit möglichst geringen Reibungsverlusten zu ermöglichen. Wälzlager können insbesondere zur Fixierung und/oder Lagerung von Achsen und Wellen eingesetzt werden, 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.
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Hierzu sind zwischen einem Innenring und einem Außenring des Wälzlagers abrollende 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 Innenring kann einen Innenringeinstich aufweisen. In einem Innenringeinstich kann insbesondere eine Abdeckscheibe, Dichtscheibe und/oder Dichtung insbesondere kraft- und/oder formschlüssig angeordnet sein. Bevorzugt ist der Innenringeinstich als eine umlaufende Nut in dem Innenring ausgebildet.
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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 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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Der Außenring kann einen Außenringeinstich aufweisen. In einem Außenringeinstich kann insbesondere eine Abdeckscheibe, Dichtscheibe und/oder Dichtung insbesondere kraft- und/oder formschlüssig angeordnet sein. Bevorzugt ist der Außenringeinstich als eine umlaufende Nut in dem Außenring ausgebildet.
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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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Rollenförmige Wälzkörper können beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der symmetrischen Pendelrollen, der asymmetrischen Pendelrollen, der Zylinderrollen, der Nadelrollen und/oder der Kegelrollen.
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Wälzkörper können in einem Käfig oder durch Wälzkörperdistanzstücke geführt und voneinander beabstandet sein. Es ist grundsätzlich auch denkbar, ein käfigloses Wälzlager auszubilden, welches auch als vollrolliges Wälzlager bezeichnet wird. Bei vollrolligen Wälzlagern können sich benachbarte Wälzkörper kontaktieren.
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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.
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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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Ein Wälzlager kann einen Käfig aufweisen, wobei der Käfig die Wälzkörper führt. Der Käfig 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 festen Abstand beim Abwälzen zueinander, wodurch eine gleichmäßige Lastverteilung erzielt werden kann. Der Käfig kann einstückig oder mehrstückig ausgeführt sein.
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Ein Wälzlager kann eine Dichtung aufweisen, um ein Austreten von Schmiermittel aus dem Wälzlager oder ein Eintreten von Schmutz oder Feuchtigkeit in das Wälzlager zu verhindern. Hierzu können die eingesetzten Dichtungen mit einer oder mehreren Dichtlippen versehen sein, die an einem Bauteil des Wälzlagers anliegen können. Diese sind derart ausgelegt, dass sie zum einen möglichst über die gesamte Lebensdauer das Lager abdichten, andererseits die Reibung durch die anliegende Dichtung nicht zu hoch ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Kontaktierungselement aus einem elektrisch leitfähigen Faserwerkstoff geformt ist. Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das Kontaktierungselement aus einem Carbonfaser-Werkstoff geformt ist. Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Faserwerkstoff überkreuz gewebte Fasern aufweist, wodurch ein besonders stabiler Faserverbund bereitstellbar ist. Ferner ist es denkbar, dass der Faserwerkstoff als Faserverbundwerkstoff ausgestaltet ist.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Kontaktierungselement insbesondere in seiner radialen Richtung flexibel, und insbesondere auch elastisch ausgebildet ist, wodurch sich eine besonders sichere elektrische Kontaktierung des jeweiligen Lagerrings bewirken lässt.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass im Stromfluss zwischen dem Kontaktierungselement und dem Innenring oder dem Au-ßenring ein Schleifring angeordnet ist, welcher eine Beschichtung mit einer höheren Leitfähigkeit als das Material des Innenrings oder Außenrings aufweist, wodurch sich die elektrische Kontaktierung und die Betriebssicherheit des Wälzlagers gegen unerwünschte Stromdurchgangsschäden weiter verbessern lässt.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass das Kontaktierungselement einen Anlageabschnitt aufweist, welcher sich unter einem Winkel aus der Radialebene des ringförmigen Kontaktierungselement heraus in Richtung des Innenrings oder Außenrings erstreckt, wodurch sich die elektrische Kontaktierung durch die entsprechend bewirkte radiale Federwirkung weiter optimieren lässt.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass das stromleitende Element einen Haltering aufweist, wobei das Kontaktierungselement axial zwischen dem Haltering und der Abdeckscheibe aufgenommen ist. Der Vorteil, der sich hierdurch realisieren lässt ist, dass das Kontaktierungselement auf sichere und konstruktiv einfache Weise mit der Abdeckscheibe verbunden werden kann. Ferner kann das Kontaktierungselement zumindest abschnittsweise vor mechanischen oder chemischen Einflüssen geschützt werden.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass das Kontaktierungselement entlang seiner Umfangsrichtung Durchbrechungen aufweist, so dass es hydraulisch permeabel ist. Bei einer Anwendung, die beispielsweise eine Ölschmierung und Ölzufluss vom Wälzlager her vorsieht, kann auch ein Teil des entsprechenden Ölvolumenstroms das Kontaktierungselement anströmen. Dieser auf das Kontaktierungselement einwirkende „Strömungsdruck“ kann den Kontakt des Kontaktierungselement zum Schleifring „abheben“, was zu einer unerwünschten Funktionsreduzierung oder gar einem vollständigen Funktionsverlust führen könnte. Mit den entsprechenden durchströmbaren Durchbrechungen des Kontaktierungselements kann ein Abheben des Kontaktierungselements vermieden und die Funktionssicherheit erhöht werden.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass der Anlageabschnitt eine Vielzahl von Zungen aufweist, welche voneinander in Umfangsrichtung beabstandet ausgebildet sind, wodurch die elektrische Kontaktierung ebenfalls optimiert werden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine Wälzlageranordnung in einer schematischen Axialschnittansicht,
- 2 eine Auf- und eine Querschnittsansicht einer Abdeckscheibe, und
- 3 eine perspektivische Ansicht eines Kontaktierungselements.
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Die 1 zeigt eine Wälzlageranordnung 1 zur Verwendung in einer elektrischen Maschine eines Antriebsstrang eines hybriden oder vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend ein Wälzlager 2 mit einem Innenring 3, einem Außenring 4 und Wälzkörpern 5, wobei der Innenring 3 eine Innenringlaufbahn 6 sowie der Au-ßenring 4 eine Außenringlaufbahn 7 aufweist, und die Wälzkörper 5 zwischen Innenring 3 und Außenring 4 wälzend gelagert sind.
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Zwischen dem Innenring 3 und dem Außenring 4 ist ein stromleitendes Element 8 angeordnet, welches den Innenring 3 mit dem Außenring 4 stromleitend verbindet. Das stromleitende Element 8 umfasst eine elektrisch leitfähige kreisringförmige Abdeckscheibe 9 und einen an der Abdeckscheibe 9 angeordnetes sowie im Stromfluss zwischen Innenring 3 und Außenring 4 liegendes kreisringförmiges Kontaktierungselement 10, welches die Abdeckscheibe 9 mit dem Innenring 3 elektrisch verbindet. Die Abdeckscheibe 9 bildet mit dem Innenring 3 eine Labyrinthdichtung 18 aus.
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Hierzu besitzt - was in der 2 gezeigt ist - die Abdeckscheibe 9 an ihrem radial inneren Durchmesser einen im Querschnitt zig-zag-förmigen Abschnitt, der aus dem ersten radialen Abschnitt 21, an dem sich der erste axiale Abschnitt 22 anschließt, von welchem sich dann ein zweiter radialer Abschnitt 23 erstreckt an welchem dann der zweite axiale Abschnitt 24 angeformt ist, von dem aus dann schließlich der dritte radiale Abschnitt 25 abgeht. Korrespondierend zu dieser Ausbildung der Abdeckscheibe 9 ist die Querschnittskontur des Innenrings 3 mit dem Innenringfreistich 26 ausgeformt. Wie aus der 1 gut zu erkennen ist, bilden der zig-zagförmige Abschnitt der Abdeckscheibe 9 und der Innenringfreistich 26 so die Labyrinthdichtung 18 aus.
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An dem radial äußeren Durchmesser ist die Abdeckscheibe 9 in dem Außenringfreistich 19 des Außenrings 4 fixiert.
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Das Kontaktierungselement 10 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Carbonfaser-Werkstoff mit überkreuz gewebten Fasern geformt.
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Das Kontaktierungselement 10 ist in seiner radialen Richtung flexibel und elastisch ausgebildet. Im Stromfluss zwischen dem Kontaktierungselement 10 und dem Innenring 3 ist ein Schleifring 11 an dem Innenring 3 angeordnet, welcher eine Beschichtung mit einer höheren Leitfähigkeit als das Material des Innenrings 3 aufweist. Das Kontaktierungselement 10 besitzt einen Anlageabschnitt 12, welcher sich unter einem Winkel 13 aus der Radialebene 14 des ringförmigen Kontaktierungselement heraus in Richtung des Innenrings 3 erstreckt und welcher an dem Schleifring 11 anliegt.
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Das stromleitende Element 8 weist ferner einen Haltering 15 auf, wobei das Kontaktierungselement 10 axial zwischen dem Haltering 15 und der Abdeckscheibe 9 aufgenommen ist. Hierzu besitzt die Abdeckscheibe 9 sich in Umfangsrichtung auf einer Kreisbahn erstreckende ringsegmentartige Durchgriffsöffnungen 20, welche von laschenartigen Abschnitten des Halterings 15 durchgriffen und auf der dem Kontaktierungselement 10 abgewandten Seite der Abdeckscheibe 9 in radialer Richtung verformt sind, so dass der Haltering 15 verliersicher an der Abdeckscheibe 9 fixiert ist. Der Haltering 15, das Kontaktierungselement 10 sowie die Abdeckscheibe 9 bilden so als stromleitendes Element 8 eine bauliche Einheit, welche in einem gemeinsamen Montagevorgang in die Wälzlageranordnung eingesetzt werden kann.
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Anhand der 3 ist ersichtlich, dass das Kontaktierungselement 10 entlang seiner Umfangsrichtung Durchbrechungen 16 aufweist, so dass es hydraulisch permeabel ist. Der Anlageabschnitt 12 weist eine Vielzahl von Zungen 17 auf, welche voneinander in Umfangsrichtung beabstandet ausgebildet sind.
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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
- Wälzkörper
- 6
- Innenringlaufbahn
- 7
- Außenringlaufbahn
- 8
- stromleitendes Element
- 9
- Abdeckscheibe
- 10
- Kontaktierungselement
- 11
- Schleifring
- 12
- Anlageabschnitt
- 13
- Winkel
- 14
- Radialebene
- 15
- Haltering
- 16
- Durchbrechungen
- 17
- Zungen
- 18
- Labyrinthdichtung
- 19
- Außenringfreistich
- 20
- Durchgriffsöffnungen
- 21
- erster radialer Abschnitt
- 22
- erster axialer Abschnitt
- 23
- zweiter radiale Abschnitt
- 24
- dritter axialer Abschnitt
- 25
- dritter radialer Abschnitt
- 26
- Innenringfreistich
