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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht auf die Ausbildung von Wälzlagerkäfigen für hohe Lagerdrehzahlen, insbesondere auf Wälzlagerkäfige in Spindellagern, und ein Spindellager mit einem erfindungsgemäßen Wälzlagerkäfig.
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Hintergrund der Erfindung
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Allgemein werden Wälzlagerkäfige von zwei Seitenringen und einer Mehrzahl von Stegen gebildet. Dabei erstrecken sich die Stege zwischen den Seitenringen und bilden damit einen Korpus. Jeweils zwei in Umfangsrichtung einander benachbarte Stege bilden zusammen mit den Seitenringen Taschen, welche die Wälzkörper aufnehmen. Diese Wälzlagerkäfige sind je nach Anwendung entweder als Massiv-, Blech- oder Kunststoffkäfige ausgebildet.
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Bekannt ist aber auch, dass Lagerungen von Wellen, die sehr hohen Lagerdrehzahlen ausgesetzt sind, besondere Anforderungen an die Wälzlagerkäfige stellen, weil sehr hohe Drehzahlen von gelagerten Wellen trotz der systembedingten niedrigeren Käfigdrehzahlen dennoch geeignet sind, die Wälzlagerkäfige zu überfordern. Eine typische Anwendung in diesem Zusammenhang bilden schnelldrehende Spindellager. So zeigt beispielsweise die
DE 10 2006 007925 A1 ein als einreihiges Spindellager ausgebildetes Wälzlager in der Form eines Schrägkugellagers zur Lagerung einer Hauptspindel einer Werkzeugmaschine, dessen Wälzlagerkäfig aus Hartstoff ausgebildet ist.
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In der Praxis hat sich allerdings herausgestellt, dass die Verwendung von aus Gewebe und Harz gebildetem Hartstoff als Käfigwerkstoff für Hochgeschwindigkeitsanwendungen nur sehr eingeschränkt geeignet ist, weil Käfige aus diesem Material eine sehr hohe Temperatur- und Feuchtigkeitsausdehnung zeigen.
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Zur Optimierung der Verhältnisse wird daher in der
DE 10 2013 225339 A1 ein Wälzlagerkäfig vorgeschlagen, bei dem der Hartstoff von einer Gitterstruktur aus Mischgewebe gebildet wird, wobei das Material der Fasern in Umfangsrichtung des Wälzlagerkäfigs von dem Material verschieden ist, dessen Fasern quer zur Umfangsrichtung des Wälzlagerkäfigs verlaufen. Diese Homogenität kann genutzt werden, um dem Wälzlagerkäfig in Umfangsrichtung im Vergleich zu seiner Axialrichtung eine größere Steifigkeit zu verleihen, was zur Folge hat, dass ein solcher Wälzlagerkäfig in Umfangsrichtung nur sehr wenig „aufmacht“ und gleichwohl durch die quer zur Umfangsrichtung verlaufenden Fasern immer noch einen reibwiderstandsgeringen Anlauf von beispielsweise Wälzkörpern erlaubt.
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Dennoch ist die Verwendung von Mischgewebe bzw. das Nebeneinander von Fasern mit unterschiedlichen Materialeigenschaften lediglich ein Kompromiss zwischen einer hohen Zugfestigkeit in Umfangsrichtung und einer reibwiderstandsgeringen Anlauffläche.
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Aufgabe der Erfindung
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Ausgehend von den dargelegten Nachteilen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zu Grunde, einen Wälzlagerkäfig aus Hartstoff fortzubilden.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wälzlagerkäfig mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen des Wälzlagerkäfigs sind den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 entnehmbar. Ein Spindellager enthaltend einen Wälzlagerkäfig entsprechend den Ansprüchen 1 bis 7 ist Anspruch 8 entnehmbar.
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Ausgegangen wird von einem Wälzlager mit zwei in axialem Abstand A1 zueinander angeordneten Seitenringen und mit einer Mehrzahl von die beiden Seitenringe verbindenden Stegen, wobei zwei in Umfangsrichtung benachbarte Stege jeweils eine Tasche zur Aufnahme eines Wälzkörpers bereitstellen und jeder Steg einen Radialbereich zur Verfügung stellt, der einen äußeren und inneren Durchmesser D5, D6 aufweist und an welchem im Betrieb des Wälzlagerkäfigs die in den jeweiligen Taschen eingesetzten Wälzkörper anlaufen. Die Seitenringe und die Stege bilden dabei einen einstückigen, kreisringförmigen Korpus, der einen Außendurchmesser D1 und einen Innendurchmesser D2 hat und aus einem ersten Gewebe sowie einem aus einem Harz gebildeten Hartstoff besteht.
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Ist der Korpus aus Hartstoff mindestens mit einer kreisringförmigen Lage aus einem Material versehen, welches gegenüber dem Material des ersten Gewebes eine höhere Zugfestigkeit hat, hat die eine der ringförmigen Lagen einen äußeren Durchmesser D3, der kleiner als der Außendurchmesser D1 des Wälzlagerkäfigs ist, und einen inneren Durchmesser D4, der größer als der Innendurchmesser D2 der Wälzlagerkäfigs ist, und hält jede ringförmige Lage, deren äußerer Durchmesser D3 kleiner als der Außendurchmesser D1 und deren innerer Durchmesser D4 größer als der Innendurchmesser D2 des Wälzlagerkäfigs ist, einen radialen Abstand A2 zu den Radialbereichen an den Stegen ein, an welchen im Betrieb des Wälzlagerkäfigs die Wälzkörper anlaufen, erfolgt ein Anlauf von beispielsweise Wälzkörpern an Radialbereichen von Stegen, dessen Werkstoff durch die Füllung des Harzes mit bloß einem geeigneten Gewebewerkstoff auf überragende, nämlich einen niedrigen Reibwiderstand habende Gleiteigenschaften quasi gezüchtet ist. Trotz dieser reiboptimierten Bereiche am Wälzlagerkäfig muss ein „Aufgehen“ des erfindungsgemäßen Wälzlagerkäfigs nicht befürchtet werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass neben Bereichen mit optimieren Anlaufeigenschaften davon getrennte Bereiche bzw. Lagen vorgesehen sind, deren alleiniger Zweck es ist, hohe Zugfestigkeiten bereitzustellen, um unter Belastung ein „Aufmachen“ des Wälzlagerkäfigs in Radialrichtung zu unterbinden. Dieses Unterbinden des Aufmachens ist gerade bei hochdrehenden Spindellagern von besonderer Bedeutung, weil bei wenig oder nicht aufmachenden Wälzlagerkäfigen das Führungsspiel des Wälzlagerkäfigs verringert und die Präzision von mit erfindungsgemäßen Wälzlagerkäfigen versehenen Wälzlagern aber erhöht wird.
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Ein vorteilhaft reiboptimierter Anlauf und eine hohe Steifigkeit des gebildeten Wälzlagerkäfigs sind dann gegeben, wenn das erste Gewebe ein Baumwollgewebe ist und die jeweiligen Lagen aus Kohlefaser, Nylon, PTFE oder Vectran gebildet sind.
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Auch wenn es denkbar ist, die jeweilige Lage als Folie vorzusehen, ist es für die Herstellbarkeit von erfindungsgemäßen Wälzlagerkäfigen vorteilhaft, wenn auch die Lagen von einen Gewebematerial gebildet sind.
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Vorteilhafte Matrixmaterialien sind Epoxid- oder Phenolharze.
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Eine alternative einbettungsfreie Ertüchtigung ist bei einem außenringgeführten Wälzlagerkäfig dann gegeben, wenn ein ringförmiger Radialabschluss am Wälzlagerkäfig vorgesehen ist, dessen äußerer Durchmesser gleich dem Innendurchmesser des Wälzlagerkäfigs ist und dessen innerer Durchmesser kleiner als der Innendurchmesser des Wälzlagerkäfigs ist und dass der Radialabschluss aus einem zweiten Gewebe und Harz gebildet ist.
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Gleiches gilt auch für einen innenringgeführten Wälzlagerkäfig, wenn ein ringförmiger Radialabschluss am Wälzlagerkäfig vorgesehen ist, dessen innerer Durchmesser gleich dem Außendurchmesser des Wälzlagerkäfigs ist und dessen äußerer Durchmesser größer als der Außendurchmesser des Wälzlagerkäfigs ist und dass der Radialabschluss aus einem zweiten Gewebe und Harz gebildet ist.
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Ein erfindungsgemäßer Wälzlagerkäfig kann gleichermaßen bei außenringgeführten und auch bei innenringgeführten Anwendungen eingesetzt werden, wenn zwei Lagen vorgesehen sind, die einen radialen Abstand A2 zueinander einhalten, deren jeweilige äußere Durchmesser verschieden zueinander und kleiner als der Außendurchmesser des Wälzlagerkäfigs sind, deren jeweilige innere Durchmesser verschieden zueinander und größer als der Innendurchmesser des Wälzlagerkäfigs sind und die jeweils einen radialen Abstand A3 zu den Radialbereichen an den Stegen einhalten, an welchen im Betrieb des Wälzlagerkäfigs die Wälzkörper anlaufen.
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Figurenliste
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Der erfindungsgemäß ausgebildete Wälzlagerkäfig wird nachfolgend in mehreren bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 ein Wälzlager oberhalb der Drehachse im Querschnitt;
- 2 eine Sicht auf eine Tasche des erfindungsgemäß ausgebildeten Wälzlagerkäfigs entlang der Schnittlinie B - B gemäß 1 ;
- 3 eine erste Ausführung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Wälzlagerkäfigs;
- 4 eine zweite Ausführung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Wälzlagerkäfigs;
- 5a eine dritte Ausführung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Wälzlagerkäfigs in einer ersten Darstellung;
- 5b die dritte Ausführung des erfindungsgemäß ausgebildeten Wälzlagerkäfigs in einer zweiten Darstellung; und
- 6 eine vierte Ausführung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Wälzlagerkäfigs.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein als einreihiges Schrägkugellager ausgebildetes Wälzlager 1, wie es beispielsweise als schnell drehendes Spindellager verwendet wird. Dieses Wälzlager 1 weist einen äußeren Lagerring 2, einen inneren Lagerring 3, einen Wälzlagerkäfig 4 sowie eine Mehrzahl von Wälzkörpern 5 auf, die jeweils in Taschen 6 des Wälzlagerkäfigs 4 aufgenommen und geführt sind, wobei die Wälzkörper 5 in Umfangsrichtung des Wälzlagerkäfigs 4 in gleichmäßigen Abständen zueinander gehalten sind und wobei die Wälzkörper 5 im Betrieb des Wälzlagers 1 auf Laufbahnen 7, 8 abrollen, von denen die innere Laufbahn 7 vom inneren Lagerring 3 und die äußere Laufbahn 8 vom äußeren Lagerring 2 bereitgestellt werden.
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Auch wenn die Wälzkörper 5 des in 1 gezeigten Wälzlagers 1 Kugeln sind, ist damit keine Beschränkung auf diese Wälzkörperform verbunden. So können beispielsweise in einem anderen - nichtgezeigten - Ausführungsbeispiel die Kugeln durch andere bekannte Wälzkörperformen ersetzt sein.
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Die Bezeichnung äußerer Lagerring 2 rührt daher, dass dieser im Vergleich zum inneren Lagerring 3 einen größeren Radialabstand zur Drehachse R des Wälzlagers 1 einhält.
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Der Wälzlagerkäfig 4, der durch seine ringförmige Form einen Außendurchmesser D1 und einen Innendurchmesser D2 hat, besteht aus einem ersten Seitenring 9 und einem zweiten Seitenring 10 und einer Mehrzahl von Stegen 11. Dabei halten die die beiden Seitenringe 9, 10einen gegenseitigen axialen Abstand A1 entlang der Drehachse R des Wälzlagers 1 ein. Diese beiden Seitenringe 9, 10 sind mit den Stegen 11 zu einer einstückigen Einheit, dem sogenannten Korpus 12, verbunden, wobei die Stege 11 in Umfangsrichtung des Wälzlagerkäfigs 4 einen gleichen Abstand einhalten. Jeweils zwei unmittelbar benachbarte Stege 11 bilden zusammen mit den die Stege 11 axial begrenzenden Seitenringen 9, 10 eine Tasche 6 aus. Wie die Darstellung gemäß 1 deutlich hervorhebt, sind in dem dort gezeigten Ausführungsbeispiel die Taschen 6 zylindrisch ausgebildet. Alternativ dazu können die Taschen 6 in einem anderen Ausführungsbeispiel auch sphärisch geformt oder den Wälzkörpern 5 mit einer anderen Geometrie angepasst sein.
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Der in 1 gezeigte Wälzlagerkäfig 4 ist am äußeren Lagerring 2 geführt und bildet daher einen außenringgeführten Wälzlagerkäfig 4. Im Einzelnen ist dies so realisiert, dass zwischen einem Führungsrand 13.1 am radialen Außenumfang des Wälzlagerkäfigs 4 und einem Führungsrand 13.2 am radialen Innenumfang des äußeren Lagerring 2 ein radiales Führungsspiel 14 vorgesehen ist. Alternativ dazu kann der Wälzlagerkäfig 4 selbstverständlich auch innenbordgeführt oder wälzkörpergeführt sein.
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2 zeigt eine Sicht von radial außen auf die durch den Wälzlagerkäfig 4 verlaufende Schnittfläche des Schnitts B - B gemäß 1. Dieser schematischen Darstellung der Verhältnisse ist entnehmbar, dass der Wälzlagerkäfig 4 von einem Gewebe 15 gebildet ist, welches in einer Kunststoffmatrix 16 aus beispielsweise Epoxidharz oder Phenolharz eingebunden ist. Das Gewebe 15 besteht aus einer Vielzahl von ersten Fasern 17.1, die in Umfangsrichtung des Wälzlagerkäfigs 4 verlaufen und die mit zweiten, quer zur Umfangsrichtung des Wälzlagerkäfigs 4 verlaufenden Fasern 17.2 verwoben sind.
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Wie den Darstellungen der 3 bis 6 entnehmbar ist, sind die erfindungsgemäßen Wälzlagerkäfige 4 in Radialrichtung mehrschichtig ausgebildet.
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Beim Wälzlagerkäfig 4 gemäß 3, welcher dem Wälzlagerkäfig 4 gemäß 1 entspricht und dessen Korpus 12 weitgehend von einer Schicht 18 und einer darin verlaufenden, ringförmigen Lage 19 gebildet wird, unterscheiden sich die Schicht 18 und die die Lage 19 dadurch, dass bei der Schicht 18 ein erstes Gewebe 15.1 aus Baumwolle und Lage 19 ein zweiten, aus Carbon bestehenden Gewebe 15.2 verwendet wird. Nur der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass die jeweilige Lage 19 nicht notwendig als Gewebelage ausgebildet sein muss, sondern auch eine dünne Folie sein kann.
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Auch ist der Darstellung gemäß 3 entnehmbar, dass die Lage 19 von der Schicht 18, aus welcher der Korpus 12 des Wälzlagerkäfigs 4 hauptsächlich gebildet ist, radial eingemantelt ist, also sämtliche Radialflächen der Lage 19 von erstem Gewebe 15.1 aus Baumwolle und Harz - also der Schicht 18 - abgedeckt sind.
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Für das Ausführungsbeispiel gemäß 3 bedeutet dies, dass die ringförmige Lage 19 einen äußeren Durchmesser D3 hat, der geringfügig kleiner als der Außendurchmesser D1 des Wälzlagerkäfigs 4 ist, und einen inneren Durchmesser D4 aufweist, der nicht nur größer als der Innendurchmesser D2 des Wälzlagerkäfigs 4, sondern auch größer als der äußere Durchmesser D5 der Radialbereiche 20 der Stege 11 ist, an welchem die Wälzkörper 5 während des Betriebs des Wälzlagerkäfigs 4 anlaufen. Zusammen mit dem Umstand, dass der Wälzlagerkäfig 4 gemäß den 1 und 3 außenringgeführt ist, hat dies zur Folge, dass die für den gleitenden Anlauf optimale Stofflichkeit aus Baumwollgewebe und Harz überall dort zum Einsatz kommt, wo es wie zum Beispiel an den Führungsflächen 13.1 des Wälzlagerkäfig 4 zum äußeren Lagerring 2 (1) und den Radialbereichen 20 an Stegen 11 ( 3) auf geringe Reibwiderstände ankommt. Trotz der für den guten gleitenden Anlauf bereitgestellten Stofflichkeit aus Baumwollgewebe und Harz muss nicht befürchtet werden, dass der Wälzlagerkäfig 4 während der hohen Drehzahlen im Betrieb „aufmacht“, denn die schlechte Zugfestigkeit der Stofflichkeit aus Baumwollgewebe und Harz wird durch die Stofflichkeit aus Carbongewebe und Harz - also die Lage 19 - erheblich erhöht, weil die gegenüber Baumwolle höhere Zugfestigkeit des Carbonmaterials den Wälzlagerkäfig 4 zusammenhält und daher ein „Aufmachen“ des Wälzlagerkäfigs 4 ausschließt.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 unterscheidet sich von demjenigen gemäß 3 dadurch, dass dort die Lage 19 nahe dem Innendurchmesser D2 dieses Wälzlagerkäfigs 4 verläuft. Dadurch, dass der äußere Durchmesser D3 der Lage 19 sehr viel kleiner als der Außendurchmesser D1 des Wälzlagerkäfig 4 ist und dass innere Durchmesser D4 der Lage 19 nur etwas größer als der im Innendurchmesser D2 des Wälzlagerkäfigs 4 ist, verläuft auch hier die Lage 19 in nicht störender Weise innerhalb des inneren Durchmessers D6 der Radialbereiche 20 der Stege 11.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß den 5a und 5b vereinigt die Ausführungsbeispiele der 3 und 4, so dass sich zwei, einen gegenseitigen Abstand A2 einhaltende Lagen 19.1, 19.2 ergeben, wovon die erste Lagen 19.1 in Übereinstimmung mit 3 nahe dem Außendurchmesser D1 des Wälzlagerkäfigs 4 und die zweite Lage 19.2 nahe dem Innendurchmesser D2 des Wälzlagerkäfigs 4 verläuft und jede dieser beiden Lagen 19.1, 19.2 einen radialen Abstand A3 zu den Radialbereichen 20 der Stege 11 einhält. Zu besseren Darstellung der Verhältnisse ist in 5a nicht nur ein Teilausschnitt eines Wälzlagerkäfigs 4, sondern in 5b entsprechend 1 auch ein Querschnitt durch ein Wälzlager 1 mit einem Wälzlagerkäfig 4 entsprechend 5a gezeigt.
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Um den Wälzlagerkäfig 4 weiter zu verbessern, ist, wie in 5 gezeigt, eine Einbettung einer zusätzlichen Lage 19 im Wälzlagerkäfig 4 nicht zwingend erforderlich. Vielmehr kann die zusätzliche Verbesserung auch dadurch erreicht werden, dass ein Radialabschluss 21 vorgesehen wird. Diese Verhältnisse sind 6 gezeigt, indem an die erste Schicht 18 radial innen ein Radialabschluss 21 anschließt, der ebenso wie die Lage 19 aus einem Carbon- oder Glasfasermaterial gebildet ist.
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Nur der Vollständigkeit halber sei darauf in gewiesen, dass das in 6 gezeigte Prinzip auch auf innenringgeführte Wälzlagerkäfige 4 anwendbar ist, indem dort am Außendurchmesser D1 ein zusätzlicher Radialabschluss 21 des Wälzlagerkäfigs 4 vorgesehen wird (figürlich nicht gezeigt).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wälzlager
- 2
- äußerer Lagerring
- 3
- innerer Lagerring
- 4
- Wälzlagerkäfig
- 5
- Wälzkörper
- 6
- Taschen
- 7
- innere Laufbahn
- 8
- äußere Laufbahn
- 9
- erster Seitenring
- 10
- zweiter Seitenring
- 11
- Stege
- 12
- Korpus
- 13.1.
- Führungsrand
- 13.2
- Führungsrand
- 14
- Führungsspiel
- 15.1
- erstes Gewebe
- 15.2
- zweites Gewebe
- 16
- Matrix
- 17.1
- Fasern
- 17.2
- Fasern
- 18
- Schicht
- 19.1
- erste Lage
- 19.2
- zweite Lage
- 19
- Radialbereich
- 20
- Radialabschluss
- A1
- axialer Abstand
- A2
- radialer Abstand
- A3
- radialer Abstand zu 20
- D1
- Außendurchmesser Käfig
- D2
- Innendurchmesser Käfig
- D3
- äußerer Durchmesser Lage
- D4
- innerer Durchmesser Lage
- D5
- äußerer Durchmesser Radialbereich
- D6
- innerer Durchmesser Radialbereich
- D7
- äußerer Durchmesser Radialabschluss
- D8
- innerer Durchmesser Radialabschluss
- R
- Drehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006007925 A1 [0003]
- DE 102013225339 A1 [0005]
