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Vorliegende Erfindung betrifft einen Lagerring für eine Lagereinheit, wobei der Lagerring aus einem ersten Material gefertigt ist, und der Lagerring dazu ausgelegt ist, mit einem Bauteil verbunden zu werden, das aus einem zweiten Material gefertigt ist.
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Bei Lageranordnungen, bei denen ein eine Lagereinheit drehfest aufnehmendes Bauteil aus einem anderen Material gefertigt ist als die Lagereinheit bzw. der mit dem Bauteil drehfest zu verbindende Lagerring selbst, besteht die Gefahr, dass sich Bauteil und Lagerring aufgrund von ungleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Betrieb zueinander verdrehen. Gerade im Automobilereich werden im Antriebsstrang, insbesondere bei den Elektromotoren, oftmals Aluminiumgehäuseelemente verbaut, in denen Lager eingepresst sind, die dazu ausgelegt sind, die sich drehende Welle bzw. den sich drehenden Rotor relativ zu dem stationären Aluminiumgehäuse zu lagern. Diese Lager bzw. ihre entsprechenden Lagerringe werden aber üblicherweise aus einem Wälzlagerstahl gefertigt und weisen deshalb einen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf als das aufnehmende Aluminiumgehäuse. Dies führt dazu, dass sich im Betrieb die Lagerringe weniger schnell ausdehnen als die aufnehmenden Aluminiumgehäuse, was wiederum eine Lockerung der mit Presssitz aufgenommenen Lager nach sich zieht. Dadurch können sich die Lagerringe trotz Presssitz relativ zu dem Aluminiumgehäuse mitdrehen, was zu einem hohen Drehmomentverlust bzw. Energieverlust und zu einem starken Verschleiß des Lagers und des Gehäuses führt.
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Im Stand der Technik wurden deshalb oftmals O-Ringe in die Mantelfläche der Lagerringe eingelegt, was die Reibung zwischen Lagerring und Gehäuse auch bei unterschiedlicher Ausdehnung erhöhen sollte. Diese O-Ringe bestehen jedoch aus einem Elastomermaterial, das insbesondere in den mit Öl gefüllten Gehäusen schnell altert und verschleißt. Zudem führt die Ölumgebung zu einer Reduktion der Reibung, was wiederum der Mitdrehverhinderung entgegensteht. Weiterhin ist bekannt, die Presspassung zu erhöhen, was allerdings zu hohen Vorspannung im Lager und zu einer Beschädigung des Lagers insgesamt führt. Insbesondere bei kalten Temperaturen kann dies dazu führen, dass das Lager und/oder das Gehäuse beschädigt werden.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist es deshalb eine Lageranordnung bereitzustellen, die für einen guten Presssitz des Lagers in einem Gehäuse sorgt, auch wenn Lager und Gehäuse unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben.
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Dies Aufgabe wird durch ein Lagerring gemäß Patentanspruch 1, sowie eine Lageranordnung gemäß Patentanspruch 9 gelöst.
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Im Folgenden wird ein Lagerring und eine den Lagerring aufweisende Lageranordnung vorgestellt, wobei der Lagerring aus einem ersten Material gefertigt ist, und der Lagerring dazu ausgelegt ist, mit einem Bauteil verbunden zu werden, das aus einem zweiten Material gefertigt ist. Die gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Anmeldung beanspruchte Lageranordnung umfasst dabei eine Lagereinheit mit dem genannten Lagerring als ersten Lagerring und einen zweiten Lagerring, die zueinander verdrehbar angeordnet sind, und das Bauteil, in dem die Lagereinheit drehfest eingebunden ist. Das Bauteil ist dabei bevorzugt aus Aluminium oder einem Aluminiumwerkstoff gefertigt, während der Lagerring bzw. die Lagerringe der Lagereinheit aus einem Wälzlagerstahl hergestellt sind. Die Lagereinheit kann jede Art von Wälzlager, Hybridwälzlager oder Gleitlager sein.
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Um den Lagerring trotz unterschiedlicher Materialien in dem Bauteil zu befestigen, ohne dass er sich bei unterschiedlicher thermischer Ausdehnung lockert, ist an dem Lagerring mindestens ein Kompensationselement angebracht, das das aus einem dritten Material gefertigt ist, das einen größeren, ähnlichen oder gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das zweite Material hat.
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Weist das Material des Kompensationselements einen ähnlichen oder gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie das Material des Bauteils auf, dehnt sich dieses Kompensationselement ähnlich aus, wie das Material des den Lagerring aufnehmende Bauteil. Insbesondere bei Kunststoffkompensationselementen kann aber auch ein größerer Ausdehnungskoeffizient vorteilhaft sein, so dass sich das Kompensationselement mehr und schneller ausdehnt als das Material des Bauteils bzw. des Lagerrings. Dadurch kann sichergestellt werden, dass Lagerring und Bauteil auch bei hohen thermischen Schwankungen und sehr unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien von Lagerring und Bauteil immer eine drehfeste Verbindung zueinander behalten. Ein Mitdrehen und ein damit verbundener Drehmomentübertragungsverlust oder ein damit verbundener Verschleiß können somit zuverlässig verhindert werden. Vorteilhafterweise ist in der Lageranordnung dabei das Kompensationselement sowohl in Kontakt mit dem Lagerring als auch in Kontakt mit dem Bauteil.
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Dabei ist besonders bevorzugt, wenn das zweite und das dritte Material identisch sind. Dadurch kann ein identisches thermisches Verhalten von Kompensationselement und Bauteil sichergestellt werden.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Kompensationselement an dem Lagerring mittels Presspassung angebracht ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Anbringung, insbesondere wenn das Kompensationselement aus einem metallischen Material, wie beispielsweise Aluminium, gefertigt ist.
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Analog ist auch ein Ausführungsbeispiel für die Lageranordnung bevorzugt, bei der der Lagerring selbst mit Presspassung an dem Bauteil befestigt ist.
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Alternativ kann das Kompensationselement auch an dem Lagerring angespritzt sein. Dies ist insbesondere bevorzugt, wenn das Kompensationselement aus einem Kunststoff gefertigt ist. Selbstverständlich kann aber auch ein metallisches Kompensationselement angespritzt und ein Kunststoffelement mit Presspassung angebracht sein.
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Ist das Kompensationselement mit Presspassung auf den Lagerring aufgebracht und auch der Lagerring mit Presspassung an dem aufnehmenden Bauteil angebracht, ist bevorzugt, dass eine Überdeckung zwischen Kompensationselement und Bauteil unterschiedlich ist zu einer Überdeckung zwischen Lagerring und Kompensationselement. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Kompensationselement ringförmig ist. Durch die unterschiedliche Überdeckung kann sichergestellt werden, dass immer eine Presspassung zwischen dem Kompensationselement und dem Lagerring und dem Kompensationselement und dem Bauteil bei allen zu erwartenden Temperaturen besteht.
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Dabei ist insbesondere bei einem an einem Außenring angebrachten Kompensationselement vorteilhaft, dass die Überdeckung zwischen Außenring und Kompensationselement größer ist als die Überdeckung zwischen Kompensationselement und Bauteil, wie beispielsweise einem Gehäuse.
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Wie oben erwähnt ist bevorzugt, das Kompensationselement ringförmig auszugestalten, Die sorgt für eine gleichmäßige und maximale Anlagefläche an dem Lagerring bzw. an dem Bauteil.
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Es ist aber auch vorstellbar, das Kompensationselement als diskrete Elemente auszugestalten, die um den Lagerring/das Bauteil herum, vorzugsweise gleichmäßig verteilt, angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Lagerring eine Aufnahme auf, in der das Kompensationselement angeordnet ist. Diese Aufnahme kann als ringförmig Nut ausgestaltet sein, um beispielsweise ein ringförmiges Kompensationselement aufzunehmen, es ist jedoch auch möglich, dass die Aufnahme als diskrete Einzelaufnahmen ausgebildet ist, in der entsprechende diskrete Kompensationselement eingesetzt sind.
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Der Lagerring selbst weist üblicherweise zwei Mantelflächen und randseitig zwei Stirnflächen auf. Die Aufnahme ist vorzugsweise randseitig angeordnet und kann als eine in der Mantelfläche ausgebildete Nut ausgebildet sein, in die das Kompensationselement eingespritzt wird.
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Besonders bevorzugt ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Aufnahme sowohl zur Stirnseite als auch zu einer der Mantelflächen offen ausgestaltet ist, so dass das Kompensationselement einfach eingelegt werden kann. Dabei ist insbesondere die Aufnahme und das Kompensationselement ringförmig ausgestaltet.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist nicht nur an einer Stirnseite eine Aufnahme ausgebildet, sondern an beiden Stirnseiten, so dass der Lagerring an beiden Randseiten ein Kompensationselement aufweist. Dadurch kann zum einen die Fixierung der Lagereinheit in dem Bauteil erhöht werden und zum anderen ein Verkippen des Lagerrings in dem Bauteil, was zu einem verschlechterten Laufverhalten führen kann, verhindert 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 schematische, perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Lageranordnung;
- 2: eine schematische, perspektivische Ansicht der in 1 gezeigten Lagereinheit;
- 3: eine schematische Schnittansicht durch den in 1 und 2 gezeigten Lagereinheit;
- 4: eine schematische Schnittansicht eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Lagereinheit; und
- 5 eine schematische, nicht maßstabsgetreue Ansicht der Größenverhältnisse der Lageranordnungskomponenten.
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Im Folgenden werden gleiche oder funktionell gleichwirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt schematisch eine Lageranordnung 100 mit einer Lagereinheit 20, die in einem Bauteil 40 aufgenommen ist. Die Lagereinheit 20 ist, wie insbesondere auch den 2 und 3 zu entnehmen ist, in den dargestellten Ausführungsbeispielen als Wälzlager, insbesondere als Kugellager, ausgestaltet und weist einen Lageraußenring 22, einen Lagerinnenring 24 und dazwischen angeordnete Wälzkörper 26 in Form von Kugeln auf. Die Wälzkörper 26 selbst können in einem Käfig (nicht dargestellt) aufgenommen sein, um die Wälzkörper voneinander zu beabstanden und zu führen.
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Selbstverständlich können auch andere Arten von Wälzlagern, wie bspw. Kegelrollenlager, Zylinderrollenlager oder Pendelrollenlager, um nur einige zu nennen, gleichermaßen als Lagereinheit 20 vorhanden sein. Ebenfalls ist möglich, die Lagereinheit 20 nicht als Wälzlager, sondern als Gleitlager auszugestalten.
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Problematisch bei derartigen Lageranordnungen 100 ist, dass üblicherweise das Bauteil 40 und die Lagereinheit 20 bzw. insbesondere der das Bauteil 40 kontaktierende Lagerring (in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Außenring 22) aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind. So ist insbesondere im Automobilbau oftmals im Antriebsstrang oder bei Elektromotoren das Bauteil 40 ein aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigtes Element, während der Lagerring aus einem Wälzlagerstahl hergestellt ist. Im Betrieb oder auch bei tiefen Temperaturen im Winter führen die unterschiedlichen Materialeigenschaften, insbesondere ihre unterschiedliche thermische Ausdehnung, dazu, dass sich das Bauteil 40 und die Lagereinheit 20 unterschiedlich verhalten insbesondere ausdehnen. Da üblicherweise die Lagereinheit 20 mittels Presspassung in dem Bauteil 40 angeordnet ist, führt diese unterschiedliche thermische Ausdehnung zu einer Lockerung des Presssitzes der Lagereinheit und damit zu einer relativen Bewegung zwischen dem Lagerring 22 und dem Bauteil 40. Dieses Mitdrehen führt jedoch zu einem erhöhten Verschleiß zwischen Lagereinheit 20 und Gehäuse 40 sowie zu Übertragungsverlusten, die zu vermeiden sind.
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Um eine Lockerung der Presspassung zwischen Lagereinheit 20 und Bauteil 40 zu vermeiden, ist, wie den 2 bis 4 zu entnehmen, an dem Lagerring 22 eine Nut 28 vorgesehen, in der ein sogenanntes Kompensationselement 50 angeordnet ist.
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Dieses Kompensationselement 50 ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen ringförmig ausgestaltet und aus einem Material gefertigt, das einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie das Bauteil 40. Das Kompensationselement 50 ist vorzugsweise randseitig an einer (sh. 3) oder an beiden (sh. 4) Stirnflächen 30, 32 des Lagerrings 22 angeordnet. Dabei ist die Nut 28, wie insbesondere den 3 und 4 zu entnehmen ist, sowohl zu der entsprechenden Stirnfläche 30; 32 als auch der Mantelfläche 34 des Lagerrings 22 offen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem das Kompensationselement 50 am Lageraußenring 22 angebracht ist, ist die Mantelfläche 34, die dem die Lagereinheit 20 aufnehmenden Bauteil 40 zugewandt ist, die radiale äußere Mantelfläche 34. Wäre das Kompensationselement am Innenring 24 angeordnet, wäre die Nut 28 relativ zu der radial inneren Fläche 36 des Innenrings offen.
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Ist das Kompensationselement 50, wie in 4 dargestellt, an beiden Stirnseiten 30, 32 des Lagerrings 22 angeordnet, so kann zudem einem Verkippen des Lagerrings entgegengewirkt werden, was für verbesserte Laufeigenschaften des Lagers auch bei hohen Temperaturen sorgt.
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Wie weiterhin den 2 bis 4 entnommen werden kann, ist auch das Kompensationselement 50 vorzugsweise mittels Presspassung auf dem Lageraußenring 22 angebracht.
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Dabei ist insbesondere bevorzugt, die Überdeckung zwischen Kompensationselement 50 und Lagerring 22 bzw. zwischen Lagerring 22 und Bauteil 40 derart anzupassen, dass die Presspassung immer gewährleistet ist. Unter einer Überdeckung versteht man den Unterschied in der Größe der beiden mit Presspassung aneinandergefügten Elemente. In den in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen, bei denen das Kompensationselement 50 am Lageraußenring 22 angeordnet ist und der Lagerring 22 mit Presspassung in dem Gehäuse 40 angeordnet ist, entspricht die Überdeckung dem Größenunterschied zwischen Kompensationselement 50, Gehäuse 40 und Lageraußenring 22.
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Diese Überdeckungssituation ist in 5 dargestellt, die schematisch die Größen der Lagereinheit 20 in Relation zu dem Kompensationselement 50 und dem Bauteil 40 setzt, wobei sämtliche Elemente in einem Nicht-Zusammenbauzustand gezeigt sind. Diese Figur soll jedoch lediglich als Erläuterung verstanden sein und nicht als Explosionsdarstellung.
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Wie der schematischen Illustration aus 5 zu entnehmen ist, hat das Bauteil 50 im Ruhezustand einen Innendurchmesser d50, der kleiner ist als der Außendurchmesser d28 der Nut 28, die im Lagerring 22 eingebracht ist. Der Unterschied zwischen dem Durchmesser d50 und dem Durchmesser d28 wird als Überdeckung O1 bezeichnet. Während des Zusammenbaus wird das Kompensationselement 50 soweit erwärmt, dass es seine Größe ändert, d.h. sich ausdehnt, und so auf den Lagerring 22 bzw. in die Nut 28 schiebbar ist. Das nachfolgende Abkühlen wiederum sorgt für den entsprechenden Presssitz des Kompensationselements 50 auf dem Lagerring 22, genauer in der Nut 28.
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Analog wird die Überdeckung O2 zwischen Lagerring 22 und Bauteil 40 über den Unterschied zwischen dem Innendurchmesser d40 des Bauteils 40 und dem Außendurchmesser d22 des Lagerrings 22 bestimmt.
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Wie weiterhin 5 zu entnehmen, ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Überlappung O1 zwischen dem Kompensationselement 50 und dem Lagerring 22, genauer der Nut 28, größer als die Überdeckung O2 zwischen dem Bauteil 40 und dem Lagerring 22. Durch diese unterschiedliche Überdeckung kann sichergestellt werden, dass das Kompensationselement immer in Presssitz mit dem Lagerring 22 ist, auch wenn es sich durch thermische Erwärmung ausdehnt. Da das Kompensationselement 50 im auf dem Lagerring 22 montierten Zustand den gleichen Außendurchmesser d22 wie das Lager 22 hat, besteht auch zwischen dem Kompensationselement 50 und dem Bauteil 40 die Überdeckung O2.
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Die Überdeckung O2 zwischen Kompensationselement 50 und Bauteil 40 kann auch deshalb kleiner ausfallen, da Kompensationselement 50 und Bauteil 40 im Wesentlichen die gleichen oder, insbesondere im Fall von Kunststoff, auch größere thermischen Ausdehnungseigenschaften zeigen und somit die Überlappung idealerweise zwischen Kompensationselement 50 und Bauteil 40 konstant bleibt. Dies gilt insbesondere wenn Bauteil 40 und Kompensationselement 50 aus dem gleichen Material gefertigt sind.
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Die so eingestellte Überdeckung sorgt dafür, dass bei allen Temperaturen das Kompensationselement 50 im Presssitz mit dem Lagerring 22 und dem Bauteil 40 ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass auch bei hohen Temperaturschwankungen und großen thermischen Ausdehnungen das Kompensationselement 50 immer in Kontakt mit dem Lagerring 22 und dem Bauteil 44 ist und somit für eine drehfeste Verbindung zwischen der Lagereinheit 20 und dem Bauteil 40 sorgt.
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Dabei ist insbesondere bevorzugt, wenn das Kompensationselement 50 aus dem gleichen Material wie das Bauteil 40 gefertigt ist, es ist jedoch auch möglich, das Kompensationselement 50 aus einem anderen Material zu fertigen, das jedoch ähnliche thermische Eigenschaften aufweist, wie das Material des Bauteils 40. Ebenfalls kann das Material einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, was insbesondere aber nicht ausschließlich, bei einem aus Kunststoff gefertigten Kompensationselement vorteilhaft ist.
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Zusammenfassend kann mit Hilfe des oben beschriebenen Kompensationselements sichergestellt werden, dass die Lagereinheit auch dann drehfest in einem Bauteil befestigt werden kann, wenn unterschiedliche Materialien und hohe Temperaturunterscheide zu erwarten sind. Da die thermischen Ausdehnungseigenschaften von Kompensationselement und Bauteil im wesentlichen gleich sind, kann insbesondere durch geeignete Wahl der Überdeckungen erreicht werden, dass die Überdeckung zwischen Bauteil und Kompensationsring mehr oder weniger konstant ist, was zu einem guten Presssitz führt. Aber auch die Überdeckung zwischen Kompensationselement und Lagerring kann so gewählt werden, dass sich das Kompensationselement nicht lockert und sich der Lagerring relativ zu dem Kompensationselement verdrehen kann. Dadurch kann ein Mitdrehen des Lagers zuverlässig verhindert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Lageranordnung
- 20
- Lagereinheit
- 22
- Lageraußenring
- 24
- Lagerinnenring
- 26
- Wälzkörper
- 28
- Nut
- 30; 32
- Stirnflächen
- 34; 36
- Mantelflächen
- 40
- Bauteil
- 50
- Kompensationselement
- D5
- Innendurchmesser des Kompensationselements
- D28
- Außendurchmesser der Nut 28
- D22
- Außendurchmesser des Lageraußenrings
- D40
- Innendurchmesser des Bauteils 40
- O1; O2
- Überdeckung
