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Vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung mit einer Lagereinheit gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Wälzlager können zur Lagerung von rotierenden Bauteilen in Bezug auf stationäre Bauteile, beispielsweise als Los- oder Festlager zur Lagerung einer rotierenden Welle in einem Gehäuse, verwendet werden. Dabei werden die Lagerringe mit dem rotierenden und dem stationären Bauteil, z.B. dem Gehäuse und der Welle, so verbunden, dass diese Verbindung unter allen Betriebszuständen und Umgebungsbedingungen der Anwendung möglichst konstant fixiert bleibt. So kann beispielsweise ein vormontiertes Lager direkt mit dem Gehäuse oder einem Gehäuseteil umspritzt werden. Dies stellt zwar eine feste Verbindung zwischen dem Lager und dem Gehäuse bzw. Gehäuseteil bereit, allerdings können Schäden an dem Lager entstehen, die durch hohe Temperaturen und/oder hohe Drücke während des Umspritzungsprozesses hervorgerufen werden.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lageranordnung bereitzustellen, die ohne Schäden durch hohe Temperaturen oder Drücke in ein stationäres Bauteil eingebaut werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Lageranordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Die vorgeschlagene Lageranordnung weist eine Lagereinheit auf, die dazu ausgelegt ist, ein rotierendes Bauteil relativ zu einem stationären Bauteil zu lagern. Die Lagereinheit weist einen ersten stationären und einen zweiten rotierbaren Lagerring auf, wobei der rotierbare Lagerring mit dem rotierenden Bauteil verbindbar ist und wobei der stationäre Lagerring mit dem stationären Bauteil, insbesondere einem Lagerträger, drehfest verbindbar ist.
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Die Lageranordnung kann sowohl als Loslager als auch als Festlager dienen. Bei einer Implementierung als Festlager ist der stationäre Lagerring mit dem stationären Bauteil nicht nur drehfest, sondern auch axial fest verbunden. Bei einer Implementierung als Loslager ist der stationäre Lagerring mit dem stationären Bauteil zwar drehfest verbunden, ist aber axial verschiebbar, um thermische Ausdehnungen kompensieren zu können.
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Der rotierbare Lagerring ist in beiden Fällen fest mit dem rotierenden Bauteil verbindbar. Eine derartige feste Verbindbarkeit kann beispielsweise mittels Sprengringen oder einem Presssitz herbeigeführt werden.
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Bei dem stationären Bauteil kann es sich beispielsweise um ein Gehäuse handeln. Alternativ kann es sich bei dem stationären Bauteil auch um einen Lagerträger handeln, der fest mit dem Gehäuse verbindbar ist, wobei in dem Lagerträger wiederum der stationäre Lagerring im Wesentlichen drehfest, aber unter Umständen axial verschiebbar, befestigt ist. Dabei ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Lageranordnung als eine vormontierte Einheit aus Lagerträger und Lagereinheit bereitgestellt ist. Dadurch kann die gesamte Lageranordnung einfach an dem Gehäuse befestigt werden, ohne dass bei der Montage die Toleranzen der einzelnen Bauteile separat und mühsam eingestellt werden müssen.
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Um eine Verbindung der Lagereinheit mit dem stationären Bauteil, insbesondere dem Lagerträger, ohne eine Beschädigung der Lagereinheit zu ermöglichen, weisen das stationäre Bauteil bzw. der Lagerträger, und/oder ein Verbindungselement zwischen dem stationären Bauteil und dem stationären Lagerring einen Schichtaufbau auf.
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Dabei ist zu beachten, dass das Verbindungselement im Sinne dieser Anmeldung keinen Lagerträger darstellt, sondern lediglich dazu verwendet wird, das stationäre Bauteil, wie beispielsweise den Lagerträger, und den stationären Lagerring zu verbinden. So kann beispielsweise das Verbindungselement lediglich zwischen den Lagerring und den Lagerträger bzw. das stationäre Bauteil eingespritzt werden, wodurch eine Befestigung zwischen dem Verbindungselement und dem stationären Bauteil bzw. dem Lagerring erreicht wird.
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Weiterhin ist zu beachten, dass die Lagereinheit hier nicht als Einlegeteil bei einem Gesamtspritzgussprozess des stationären Bauteils fungiert, sondern stattdessen die Lagereinheit mit dem stationären Bauteil über ein, Schicht für Schicht aufgebautes, Verbindungselement verbunden wird bzw. das stationäre Bauteil Schicht für Schicht auf dem Lagerring aufgebaut wird. Durch den schichtweisen Aufbau kann der Druck, der auf die Lagereinheit wirkt, reduziert werden, da immer nur eine dünne Schicht, in axialer und/oder radialer Richtung, aufgebracht wird. Zum anderen wird die Lagereinheit nur oberflächlich erwärmt, da eine solche dünne Schicht im Verhältnis zur gesamten Lagereinheit wenig Wärme abgeben kann.
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Durch das Umspritzen wird die Lagereinheit in das stationäre Bauteil, insbesondere den Lagerträger, oder das Verbindungselement form- bzw. reibschlüssig eingebettet. Handelt es sich bei dem stationären Bauteil um den Lagerträger, kann dieser wiederum über Befestigungsmittel an einem Gehäuse oder ähnlichem befestigt werden. Das Verbindungselement kann ebenfalls reibschlüssig und/oder formschlüssig, z.B. durch Umspritzen, mit dem stationären Bauteil, insbesondere dem Lagerträger, verbunden werden.
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Gleichzeitig werden die negativen Einflüsse durch die Herstellung des stationären Bauteils oder des Verbindungselements durch hohe Temperaturen und Drücke auf einen sehr kleinen Bereich der zu umschließenden Lagereinheit begrenzt. Dies ist der Fall, da immer nur eine Schicht nach der anderen hergestellt bzw. auf die Lagereinheit aufgebracht wird, und somit der Druck und die Temperaturerwärmung nur mit einer geringeren Eindringtiefe auf die Lagereinheit wirken.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass die Lagereinheit dabei vollständig vormontiert sein kann, da durch den Schichtaufbau eine thermische Beeinflussung bzw. Beeinträchtigung der Lagerkomponenten vermieden wird.
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Wird, wie oben beschrieben ein Verbindungselement zwischen dem stationären Bauteil, und dem stationären Lagerring vorgesehen, kann das stationäre Bauteil beispielsweise durch einen üblichen Spritzgussprozess vorgefertigt werden. Dies vereinfacht die Herstellung des stationären Bauteils. Anschließend kann das Verbindungselement schichtweise zwischen der Lagereinheit und dem stationären Bauteil eingebracht werden. Die Haltefunktion zwischen der Lagereinheit und dem Verbindungselement und/oder dem stationären Bauteil und dem Verbindungselement kann optional durch Formschlusselemente bereitgestellt werden. Auch in diesem Fall kann der Einfluss von Temperatur und Druck auf die Lagereinheit reduziert werden, da lediglich das „kleinteilige“ Verbindungselement direkt mit dem Lagerring verbunden wird. Alternativ kann das stationäre Bauteil um das Verbindungselement geformt, beispielsweise gespritzt, werden. Auch in diesem Fall reduziert sich der Einfluss von Temperatur und Druck auf die Lagereinheit, da das Verbindungselement als eine Art Puffer zwischen dem stationären Bauteil und der Lagereinheit dient und Temperaturen und Drücke, die sonst auf die Lagereinheit direkt einwirken würden, aufnehmen kann.
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Gemäß einer Ausführungsform wird der Schichtaufbau durch ein 3D-Druckverfahren, ein schichtweises Spritzen oder eine Laminierung hergestellt. Der schichtförmige Materialaufbau kann durch verschiedene 3D-Druckverfahren, auch additive Fertigung oder Rapid Prototyping genannt, hergestellt werden, bei denen das Material Schicht für Schicht aufgetragen und somit das dreidimensionale Verbindungselement oder stationäre Bauteil erzeugt wird. Hierzu zählen beispielsweise Fused Deposition Modeling (FDM), selektives Laserschmelzen (SLM), Stereolithografie (SL) oder Elektronenstahlschmelzen (EBM). Alternativ kann ein schichtweiser Spritzgussprozess, bei dem das Verbindungselement oder das stationäre Bauteil in Schichten gespritzt wird, oder eine Laminierung, bei der mehrere Flächen desselben Materials oder auch unterschiedlichen Materialien miteinander verklebt werden, eingesetzt werden.
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Diese Verfahren haben den Vorteil, dass bei einem solchen schichtförmigen Aufbau kein hoher Druck notwendig ist, wodurch eine Schädigung der Lagereinheit vermieden werden kann. Des Weiteren ist die Temperaturbeeinträchtigung der Lagereinheit sehr gering, da es sich dabei um Verfahren handelt, bei denen nur ein kleiner Bereich erhitzt wird und sich daher die Lagereinheit nur geringfügig erwärmt. Des Weiteren sind für den schichtweisen Aufbau durch 3D-Druckverfahren, schichtweises Spritzen oder Laminierung keine produktspezifischen Werkzeuge nötig, wodurch die Werkzeugkosten minimiert werden können und schnelle Herstellungszeiten realisiert werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform kann es sich bei dem Schichtaufbau um Schichten desselben Materials handeln. Das bedeutet, dass das komplette stationäre Bauteil bzw. das ganze Verbindungselement aus einem einzigen Material hergestellt ist. Allerdings wird dieses nicht, wie es bei herkömmlichen Spritzgussverfahren der Fall ist, aus einem Guss hergestellt, sondern wird durch mehrere aufeinander aufgebrachte Schichten realisiert.
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Alternativ kann der Schichtaufbau aus Schichten unterschiedlicher Materialien bestehen. In diesem Fall können beispielweise Verstärkungsschichten aus Kohlefasern oder ähnlichem in das stationäre Bauteil, insbesondere den Lagerträger, oder das Verbindungselement eingebracht werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind weitere Elemente in den Schichtaufbau eingebettet. Bei diesen Elementen kann es sich um Inlays, Befestigungsmittel, Hülsen, Muttern, oder ähnliches handeln. Auch können elektrisch leitende Elemente in den Schichtaufbau eingebracht werden, die beispielsweise zur Erdung des stationären Lagerrings durch elektrische Kontaktierung mit dem stationären Bauteil verwendet werden können. Dies hat den Vorteil, dass bereits bei der Herstellung des Schichtaufbaus direkt weitere Elemente integriert werden können, ohne dass hierzu ein weiterer, nachträglicher Schritt erforderlich ist.
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Die Schichten des Schichtaufbaus können in axialer und/oder radialer Richtung aufeinander angeordnet sein. Die Ausrichtung der Schichten kann an die jeweilige Anwendung bzw. die Herstellung angepasst sein. Besonders bevorzugt ist ein axialer Aufbau, da in diesem Fall die jeweilige Schicht nur mit ihrem Randbereich in Kontakt mit der Lagereinheit kommt. Dadurch wird der Wärmeeintrag von der Schicht in die Lagereinheit sowie der ausgeübte Druck minimiert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind das stationäre Bauteil, insbesondere der Lagerträger, und/oder das Verbindungselement aus einem Kunststoff, insbesondere Thermoplast und/oder Duroplast, und/oder aus einem Metall, insbesondere einer Leichtmetalllegierung, gebildet. Diese Materialien haben den Vorteil, dass sie in Form eines Schichtaufbaus aufgetragen werden können, um das stationäre Bauteil, insbesondere den Lagerträger, und/oder das Verbindungselement zu bilden.
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Duroplasten, sind harte Polymerwerkstoffe, die über chemische Hauptvalenzbindungen dreidimensional vernetzt sind. Sie bieten den Vorteil, dass sie im Betrieb auch bei Wärme ihre Festigkeit behalten und eine geringe Wärmeausdehnung aufweisen, was zu einer hohen Maßstabilität führt. Zwar müssen Duroplasten bei einer hohen Temperatur verarbeitet, insbesondere ausgehärtet, werden, da jedoch der Auftrag in Schichten erfolgt, erfolgt nur ein geringer Wärmeeintrag in die Lagereinheit, so dass trotz der hohen Verarbeitungstemperatur keine Beschädigung der Lagereinheit auftritt. Dies gilt ebenso für Leichtmetalllegierungen, die ebenfalls heiß verarbeitet werden, durch den Schichtaufbau aber keine Beschädigung der Lagereinheit verursachen.
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Thermoplasten haben den Vorteil, dass sie bei geringeren Temperaturen als Duroplaste verarbeitet werden können, was die Beeinträchtigung der Lagereinheit durch hohe Temperaturen während der Herstellung des stationären Bauteils oder des Verbindungselements weiter reduziert.
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Das stationäre Bauteil oder das Verbindungselement können zumindest teilweise an der Außendurchmesserfläche oder der Innendurchmesserfläche des stationären Lagerrings angeordnet sein. Sind sie an der Außendurchmesserfläche angeordnet, kann es sich bei dem stationären Bauteil um beispielsweise ein Gehäuse oder einen Lagerträger, der mit dem Gehäuse verbunden wird, handeln. Sind sie an der Innendurchmesserfläche des stationären Lagerrings angeordnet, kann es sich bei dem stationären Bauteil beispielsweise um eine Nabe bzw. einen Lagerträger, der mit der Nabe verbunden wird, handeln.
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Werden das stationäre Bauteil oder das Verbindungselement nur teilweise an der Außendurchmesserfläche oder der Innendurchmesserfläche des stationären Lagerrings angeordnet, reduziert sich die Auswirkung von hohen Temperaturen und Drücken noch weiter, da nicht mehr die komplette Außen- oder Innendurchmesserfläche der Lagereinheit in Kontakt mit dem stationären Bauteil oder dem Verbindungselement kommt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen das stationäre Bauteil und/oder das Verbindungselement und/oder der Lagerring zumindest ein (axiales) Sicherungselement auf. Das Sicherungselement kann, je nach Anordnung, dazu ausgebildet sein, einen Formschluss zwischen dem stationären Bauteil und dem Verbindungselement, zwischen dem Verbindungselement und dem Lagerring oder zwischen dem stationären Bauteil und dem Lagerring bereitzustellen. Durch solche Sicherungselemente kann die Verbindung zwischen dem stationären Bauteil und dem Lagerring, evtl. mit dazwischen angeordnetem Verbindungselement, verbessert werden.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen sind in der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen angegeben. Dabei sind insbesondere die in der Beschreibung und in den Zeichnungen angegebenen Kombinationen der Merkmale rein exemplarisch, so dass die Merkmale auch einzeln oder anders kombiniert vorliegen können.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Dabei sind die Ausführungsbeispiele und die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Kombinationen rein exemplarisch und sollen nicht den Schutzbereich der Erfindung festlegen. Dieser wird allein durch die anhängigen Ansprüche definiert.
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Es zeigen:
- 1: eine erste perspektivische Ansicht einer in einem Lagerträger angeordneten Lagereinheit;
- 2: eine zweite perspektive Ansicht der in einem Lagerträger angeordneten Lagereinheit;
- 3: eine Schnittansicht einer in einem Lagerträger angeordneten Lagereinheit gemäß einer ersten Ausführungsform; und
- 4: eine Schnittansicht einer in einem Lagerträger angeordneten Lagereinheit mit einem Verbindungselement gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Im Folgenden werden gleiche oder funktionell gleichwirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die angehängten Figuren zeigen bevorzugte Ausführungsbeispiele einer Lageranordnung 1 mit einem Lagerträger 2, in dem eine Lagereinheit 4 angeordnet ist, die einen Innenring 6 und einen Außenring 8 aufweist. Die dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen eine Lageranordnung 1, die beispielsweise für die Lagerung einer Welle in einem Gehäuse eingesetzt werden kann, wobei das Gehäuse stationär und die Welle rotierend ist. Selbstverständlich ist die Lageranordnung 1 auch bei anderen Anwendungen z.B. einem stationären Bolzen und einem rotierenden Gehäuse einsetzbar.
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Der Innenring 6 der Lagereinheit 4 ist als rotierbarer Lagerring ausgebildet und der Außenring 8 ist als stationärer Lagerring ausgebildet und mit dem Lagerträger 2 verbunden. Zwischen den Lagerringen 6, 8 sind Wälzkörper 10 angeordnet, die von einem Käfig 12 geführt und gleichmäßig beabstandet gehalten werden (siehe dazu insbesondere die 3 und 4).
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Lagereinheit 4 als Kugellager ausgebildet, es sind jedoch auch sämtliche anderen Arten von Wälzlagern, wie beispielsweise Rollenlager, oder Gleitlagern möglich.
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Zur Befestigung an dem Gehäuse (nicht dargestellt) weist der Lagerträger 2 Aufnahmen, in diesem Fall Durchgangsöffnungen 14, auf, in die Befestigungsmittel, z.B. Schrauben, eingeführt werden können. Andere Aufnahmen wie beispielsweise Gewindedurchhalsungen oder separate Inserts sind ebenfalls möglich.
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Der Lagerträger 2 weist in den dargestellten Ausführungsbeispielen einen Flansch 16 mit den Aufnahmen 14 und eine Schulter 18 auf, in deren Mitte die Lagereinheit 4 angeordnet ist. Der Flansch 16 weist eine gewisse Dicke auf, um eine stabile Befestigung an dem Gehäuse zu ermöglichen. Wie in 2 gezeigt ist, weist der Flansch 16 auf einer Seite Aussparungen 20 auf. Diese dienen dazu, den Lagerträger 2 leicht zu machen, während er gleichzeitig durch die verbleibenden Stege 22 stabil bleibt.
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Um die Befestigung der Lagereinheit 4 in dem Lagerträger 2, oder alternativ direkt in dem Gehäuse, zu vereinfachen und insbesondere eine Beeinträchtigung der Lagereinheit 4 durch hohe Temperaturen und Drücke zu vermeiden, wird der Lagerträger 2, oder alternativ das Gehäuse, mit einem schichtförmigen Materialaufbau 30 um die Lagereinheit 4 herum aufgebaut, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben wird.
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Wie in 3 gezeigt ist, wird die Lagereinheit 4 auf einem Arbeitstisch 24 angeordnet. Anschließend werden mittels eines Sprühkopf 26 die Materialschichten 30 in axialer Richtung der Lagereinheit 4 nacheinander um die Lagereinheit 4 aufgebracht. Alternativ ist auch ein radialer Schichtaufbau möglich.
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Die Schichten 30 können beispielsweise durch ein 3D-Druckverfahren, ein schichtweises Spritzen oder eine Laminierung aufgebracht werden. Hierbei wird das Material Schicht für Schicht aufgetragen und somit in der in 3 gezeigten Ausführungsform der dreidimensionale Lagerträger 2 erzeugt. Wie erläutert kann jede Schicht 30 dasselbe Material aufweisen, so dass der gesamte Lagerträger 2 aus einem einzigen Material besteht. Alternativ können die Schichten auch unterschiedliche Materialien, wie z.B. zusätzliche Verstärkungsschichten, aufweisen.
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Durch den schichtweisen Aufbau kann der Druck, der auf die Lagereinheit 4 wirkt, reduziert werden, da immer nur eine dünne Schicht, hier in axialer Richtung, aufgebracht wird. Zum anderen wird die Lagereinheit 4 nur oberflächig erwärmt, da eine solche dünne Schicht im Verhältnis zur gesamten Lagereinheit 4 wenig Wärme abgibt.
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Bei der Herstellung des Lagerträgers 2 können axiale Sicherungselemente 32, 34 mitgeformt werden, die zu einem Formschluss mit korrespondierenden Elementen der Lagereinheit 4 führen. Des Weiteren können direkt Aufnahmen 14 für Befestigungsmittel zur Befestigung an dem Gehäuse gebildet werden. Alternativ können diese Aufnahmen 14 auch nachträglich hergestellt werden. Des Weiteren können auch andere Elemente (nicht gezeigt), wie beispielsweise elektrisch leitende Elemente, direkt mit hergestellt bzw. eingeformt werden.
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Statt den Lagerträger 2 selbst in Schichtbauweise herzustellen, ist es auch möglich, ein Verbindungselement 36 zu verwenden, wie es in 4 dargestellt ist. In diesem Fall kann der Lagerträger 2 vorab als ein Spritzgusselement hergestellt werden, und nur das Verbindungselement 36 zwischen dem Lagerträger 2 und der Lagereinheit 4 wird mit einem schichtförmigen Materialaufbau hergestellt.
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Das Verbindungselement 36 wird ebenfalls durch einen axialen Materialauftrag durch mehrere Schichten 30 gebildet, die zwischen dem Lagerträger 2 und der Lagereinheit 4 angeordnet sind. Durch den schichtweisen Aufbau werden auch hier sowohl die Drücke als auch die Temperatureinflüsse auf die Lagereinheit 4 reduziert.
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Die Verwendung des Verbindungselements 36 hat den Vorteil, dass der Lagerträger 2 bereits vorab mit einem üblichen Spritzgussverfahren hergestellt werden kann. Das Verbindungselement 36 wird anschließend zwischen die Lagereinheit 4 und den vorgefertigten Lagerträger 2 eingespritzt. Alternativ kann der Lagerträger 2 nachträglich um das Verbindungselement 36 geformt werden. Dies kann ebenfalls mit einem üblichen Spritzgussverfahren geschehen, da hohe Temperaturen und Drücke durch das Verbindungselement 36 von der Lagereinheit 4 abgehalten werden.
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Wie der Lagerträger 2 von 3 kann auch das Verbindungselement 36 axiale Sicherungselemente 32, 34 aufweisen, die mit korrespondierenden Elementen der Lagereinheit 4 zusammenwirken. In der dargestellten Ausführungsform sind die Sicherungselemente 32, 34 an dem Außendurchmesser des Lagerrings 8 vorgesehen. Zusätzlich können weitere axiale Sicherungselemente 38 an einer und/oder beiden Seitenflächen des Lagerrings 8 vorgesehen sein. In der in 4 gezeigten Ausführungsform wird dadurch realisiert, dass eine Seitenfläche des Außenringes 8 axial mit Material des Verbindungselementes 30 umgeben ist.
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Eine Verbindung des Verbindungselements 36 mit dem Lagerträger 2 erfolgt hier hauptsächlich durch Reib- und Formschluss, z.B. durch Umspritzen. Wie in 4 gezeigt ist, kann der Formschluss durch einen Flansch 40 realisiert werden, der die Verbindung zwischen dem Verbindungselement 36 und dem Lagerträger 2 sichert. Es können noch weitere Sicherungselemente vorgesehen werden, die bevorzugt in zwei (nach oben und unten) oder drei Richtungen (oben, unten und Umfangsrichtung) wirken.
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Zusammenfassend wird durch die hier vorgeschlagene Lageranordnung eine einfache Befestigung einer Lagereinheit mit einem stationären Bauteil, insbesondere einem Lagerträger, ermöglicht, ohne dass die Herstellung des stationären Bauteils einen negativen Einfluss auf die Lagereinheit hat.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lageranordnung
- 2
- Lagerträger
- 4
- Lagereinheit
- 6
- Innenring
- 8
- Außenring
- 10
- Wälzkörper
- 12
- Käfig
- 14
- Aufnahmen
- 16
- Flansch
- 18
- Schulter
- 20
- Aussparungen
- 22
- Stege
- 24
- Arbeitstisch
- 26
- Sprühkopf
- 30
- Materialschichten
- 32, 34
- axiale Sicherungselemente
- 36
- Verbindungselement
- 38
- axiales Sicherungselement
- 40
- Flansch