WO2015177276A1 - Lageranordnung - Google Patents

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Junbiao Lai
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Definitions

  • the invention has for its object to provide a generic bearing assembly in which the tendency for cracking is at least greatly reduced. Also, the occurrence of fretting corrosion in the region of the cylindrical seat of the bearing is to be reduced by shaft deflection under load. Accordingly, the susceptibility of the bearing ring is to minimize cracking and the formation of tensile stresses can be reduced.
  • the solution to this problem by the invention is characterized in that between the bearing inner ring and the first machine part and / or between the bearing outer ring and the second machine part a layer of a material is arranged which has a lower rigidity than steel.
  • the compound of said layer with the machine part or with the bearing ring can be made by gluing, microforming or traction.
  • the surfaces of both elements (layer and machine part) may have a special profiling or roughness.
  • the bearing inner ring for the layer forms a cylindrical seat surface and / or that the bearing outer ring for the layer forms a cylindrical seat surface, wherein the cylindrical seat surface is designed such that the radial difference between maximum and minimum value above the The circumference of the cylindrical seat is at least equal to the following value:
  • the rolling bearing is preferably designed as a tapered roller bearing or as a cylindrical roller bearing.
  • FIG. 1 shows a radial section of a bearing arrangement in which a shaft is mounted in a housing, according to a first embodiment of the invention
  • 2 shows in the illustration according to FIG. 1 a bearing arrangement according to a second embodiment of the invention
  • the cylindrical seat 11 may be brought by hard turning in its final form; However, even more mechanical machining operations of the cylindrical seat 11 can take place, for. B. by honing.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung (1), umfassend mindestens ein Wälzlager (2), wobei das Wälzlager mindestens einen Lagerinnenring (3) und mindestens einen Lageraußenring (4) aufweist, zwischen denen Wälzkörper (5) angeordnet sind, wobei der Lagerinnenring mit einem ersten Maschinenteil (6) verbunden ist, wobei der Lageraußenring mit einem zweiten Maschinenteil (7) verbunden ist und wobei der Lagerinnenring und der Lageraußenring aus Stahl bestehen. Um die Anfälligkeit des Lagerrings gegen Rissbildung zu minimieren und die Entstehung von Zugspannungen zu vermindern, sieht die Erfindung vor, dass zwischen dem Lagerinnenring und dem ersten Maschinenteil und/oder zwischen dem Lageraußenring und dem zweiten Maschinenteil eine Schicht (8) aus einem Material angeordnet ist, das eine geringere Steifigkeit als Stahl aufweist.

Description

B e s c h r e i b u n g
Lageranordnung
Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung, umfassend mindestens ein Wälzlager, wobei das Wälzlager mindestens einen Lagerinnenring und mindestens einen Lageraußenring aufweist, zwischen denen Wälzkörper angeordnet sind, wobei der Lagerinnenring mit einem ersten Maschinenteil verbunden ist, wobei der Lageraußenring mit einem zweiten Ma- schinenteil verbunden ist und wobei der Lagerinnenring und der Lageraußenring aus Stahl bestehen.
Gattungsgemäße Lageranordnungen weisen Lagerringe auf, die auf oder in einem Bauteil angeordnet werden. Beispielsweise kann ein Lagerinnenring mittels eines Presssitzes auf einer Welle angeordnet werden, um ihn dauerhaft während seiner Gebrauchsdauer auf diesem Bauteil zu fixieren.
Bei entsprechender Belastung während des Einsatzes eines Wälzlagers treten mitunter Probleme mit Rissbildung im Laufbahnbereich auf. In diesem Zusammenhang ist es be- kannt, dass sich bei hohen Lasten und in Verbindung mit auftretendem Schlupf auf der Laufbahn Risse bilden, die auf der Laufbahnoberfläche in axiale Richtung verlaufen. Daher kommt es sehr häufig zu Reibkorrosion an der Lagerbohrung und an der gelagerten Welle. Zusätzlich ist eine Umlaufbiegung relevant, die bei der Rotation des Lagerrings wirkt. Die genannten Effekte begrenzen die Gebrauchsdauer des Wälzlagers und führen mitunter zu frühzeitigen Ausfällen der Lagerung. Der Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, eine gattungsgemäße Lageranordnung zu schaffen, bei der die Neigung zur Rissbildung jedenfalls stark reduziert ist. Auch soll das Auftreten von Reibkorrosion im Bereich der zylindrischen Sitzfläche des Lagers durch Wellenbiegung unter Last vermindert werden. Demgemäß soll die Anfälligkeit des Lager- rings gegen Rissbildung minimiert und die Entstehung von Zugspannungen vermindert werden.
Die L ö s u n g dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Lagerinnenring und dem ersten Maschinenteil und/oder zwischen dem La- geraußenring und dem zweiten Maschinenteil eine Schicht aus einem Material angeordnet ist, das eine geringere Steifigkeit als Stahl aufweist.
Das Material der Schicht ist bevorzugt Kunststoff, vorzugsweise Polyamid, besonders bevorzugt Polyamid 6.6. Der Kunststoff kann dabei faserverstärkt sein, wobei kurze Fasern, lange Faser oder Endlosfasern zum Einsatz kommen können. Generell kann hierbei jede Art der Faserverstärkung zum Einsatz kommen. So kann es sich hierbei um einen Faserverbundkunststoff (FVK), um einen kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK), um einen glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK), um einen aramidfaserverstärkten Kunststoff (AFK), um einen naturfaserverstärketen Kunststoff (NFK) und/oder um einen Faser- Keramik- Verbund (CMC) handeln. Die Fasern können hierbei gegebenenfalls in einem duroplastischen oder thermoplastischen Grundmaterial bzw. einer solchen Matrix eingebettet sein, das als Harz-System ausgebildet sein kann.
Die Schicht ist bevorzugt als hohlzylindrische Struktur ausgebildet, d. h. es handelt sich in diesem Falle insbesondere um eine Hülse. Die radiale Dicke der Schicht beträgt bevorzugt zwischen 0,5 % und 5 % des Durchmessers des Lagerrings an der Stelle, an dem die Schicht mit dem Lagerring in Kontakt steht.
Die Schicht kann gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung in einer Aus- nehmung im ersten Maschinenteil und/oder im zweiten Maschinenteil angeordnet sein. Die Schicht kann dabei mit einer zylindrischen Oberfläche des ersten Maschinenteils und/oder des zweiten Maschinenteils bündig abschließen. Die axiale Erstreckung der Schicht und die axiale Erstreckung des Lagerrings, der mit der Schicht in Kontakt steht, können übereinstimmen; es kann aber auch vorgesehen sein, dass die axiale Erstreckung der Schicht die des Lagerrings geringfügig überragt.
Alternativ ist es aber auch möglich, dass das entsprechende Maschinenteil weitgehend mit besagter Schicht ummantelt ist, d. h. in diesem Falle geht die axiale Erstreckung der Schicht über die axiale Erstreckung des Lagerrings, der mit der Schicht in Kontakt steht, hinaus.
Die Herstellung der Schicht kann beispielsweise durch ein Wickelverfahren erfolgen, bei dem ein (vorzugsweise hohlzylindrischer) Grundkörper um eine Achse rotiert und dabei mit einem wickelfähigen Material umwickelt wird. Auch ein Wälzlagerring kann auf diese Weise mit einer Schicht ummantelt werden.
Die Verbindung der besagten Schicht mit dem Maschinenteil oder mit dem Lagerring kann durch Kleben, Mikroformschluss oder Kraftschluss hergestellt werden. Dazu können die Oberflächen beider Elemente (Schicht und Maschinenteil) eine spezielle Profilierung oder Rauigkeit aufweisen. Beispielsweise kann der Lagerring eine Rauigkeit Ra = 5 bis 20 μιη aufweisen.
Das erste Maschinenteil ist bevorzugt eine Welle.
Die vorgeschlagene Lösung erlaubt es, dass für die Fertigung der Sitzfläche des Lagerrings nur ein beschränkter Aufwand getrieben werden muss. Es hat sich insbesondere bewährt, wenn die Geometrie der Sitzfläche nur bis zu einem definierten Maß bearbeitet wird. Daher sieht eine bevorzugte Fortbildung vor, dass der Lagerinnenring für die Schicht eine zylindrische Sitzfläche bildet und/oder dass der Lageraußenring für die Schicht eine zylindrische Sitzfläche bildet, wobei die zylindrische Sitzfläche derart ausgeführt ist, dass der radiale Differenzbetrag zwischen maximalem und minimalem Wert über dem Umfang der zylindrischen Sitzfläche mindestens gleich dem folgenden Wert ist:
Figure imgf000005_0001
mit: hc: radialer Differenzbetrag zwischen maximalem und minimalem
Wert des Radius über dem Umfang der zylindrischen Sitzfläche in mm;
D: Durchmesser der zylindrischen Sitzfläche des Lagerrings in mm;
E: Elastizitätsmodul des Materials des Lagerrings in N/mm" (MPa);
oc: kritische Umfangsspannung im Lagerring vor dem Aufbringen einer äußeren Belastung, gegebenenfalls nach der Her-
Stellung eines Presssitzes, in N/mm (MPa);
σηοτη: nominale Umfangsspannung im Lagerring nach seiner Montage,
gegebenenfalls hervorgerufen durch einen Presssitz, in N/mm (MPa).
Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass als kritische Umfangsspannung (ac) im Lagerring vor dem Aufbringen einer äußeren Belastung ein Wert zwischen 180 MPa und 220 MPa zugrunde gelegt wird, vorzugsweise von 200 MPa.
Die Laufbahn der Lagerringe kann hartgedreht sein; sie kann auch hartgewalzt sein. Die Laufbahn und/oder die zylindrische Sitzfläche der Lagerringe können auch brüniert sein.
Das Wälzlager ist bevorzugt als Kegelrollenlager oder als Zylinderrollenlager ausgebildet.
Es hat sich gezeigt, dass die Neigung zur Rissbildung auf der Laufbahn des Lagerrings sowie die Neigung zu Reibkorrosion in erheblichem Maße reduziert werden kann, wenn die vorgeschlagene Ausgestaltung der Lageranordnung eingesetzt wird.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 im Radialschnitt eine Lageranordnung, bei der eine Welle in einem Gehäuse gelagert wird, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 in der Darstellung gemäß Fig. 1 eine Lageranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 in der Darstellung gemäß Fig. 1 eine Lageranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4 für die zylindrische Sitzfläche des Lagerinnenrings den Verlauf des Radius der
Sitzfläche über dem Umfang und
Fig. 5 den bevorzugt vorgesehenen minimalen radialen Differenzbetrag zwischen maximalem und minimalem Wert des Radius über dem Umfang der zylindrischen Sitzfläche als Funktion des Durchmessers der zylindrischen Sitzfläche für verschiedene nominale Umfangsspannungen im Lagerring.
In Fig. 1 ist der Radialschnitt einer Lageranordnung 1 zu sehen. Mit der Lageranordnung 1 wird ein erstes Maschinenteil 6 in Form einer Welle in einem zweiten Maschinenteil 7 in Form eines Gehäuses gelagert. Hierzu dient ein Wälzlager 2 mit einem Lagerinnenring 3 und einem Lageraußenring 4, wobei zwischen den Lagerringen Wälzkörper 5 angeordnet sind. Das Wälzlager 2 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel als Zylinderrollenlager ausge- bildet.
Auf der zylindrischen Oberfläche 10 der Welle 6 - die die Kontaktfläche zum Lagerinnenring 3 bildet - liegt in der Regel eine gewisse Welligkeit vor. Um das Entstehen von Zugspannungen durch diese Welligkeit im Wälzlager 2 zu vermeiden und weiterhin die Übertragung von Schwingungen zu erschweren, ist vorgesehen, dass zwischen dem Lagerinnenring und der Welle 6 eine Schicht 8 aus einem Material angeordnet ist, das im Vergleich mit der Steifigkeit der Lagerringe 3, 4 (in der Regel Wälzlagerstahl 100 Cr 6) eine geringere Steifigkeit aufweist. Konkret ist eine hülsenförmige Schicht 8 aus Kunststoff vorgesehen, wobei Polyamid bevorzugt ist.
Dargestellt ist die Situation, bei der die hülsenförmige Schicht 8 zwischen der Welle 6 und dem Lagerinnenring 2 vorgesehen ist. Entsprechend kann aber alternativ oder additiv auch eine Schicht zwischen dem Lageraußenring 4 und dem Gehäuse 7 vorgesehen werden. Die Schicht 8 ist also hier als Kunststoffhülse ausgebildet, die bei der Montage der dargestellten Anordnung zwischen dem Lagerinnenring 3 und der Welle 6 platziert wird.
In Fig. 1 ist weiter zu erkennen, dass die Erstreckung der Schicht 8 und des Lagerinnen- rings 3 in axiale Richtung a im wesentlichen gleich groß ist.
Indes ist die hülsenförmige Schicht 8 relativ dünn. Angegeben ist dies durch die radiale Dicke d der Schicht 8 und den Durchmesser D des Lagerings 3 an der Stelle, an der sich Hülse 8 und Lagerring 3 kontaktierten. Vorgesehen ist, dass die Dicke d der Schicht 8 in etwa im Bereich zwischen 0,5 % und 5 % des Durchmessers D liegt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist eine etwas andere Ausgestaltung vorgesehen. Hier ist in die Welle 6 eine nutförmige Vertiefung eingearbeitet (z. B. eingedreht), d. h. eine Ausnehmung 9, die eine äußere zylindrische Oberfläche aufweist. In dieser Ausneh- mung 9 ist die Schicht 8 platziert.
Dies kann beispielsweise so erfolgen, dass das Kunststoffmaterial nach Fertigung der Ausnehmung 9 in dieselbe eingespritzt wird. Es ist aber auch möglich (dies hängt von der Elastizität einer vorgefertigten hülsenförmigen Schicht 8 in Relation zu der Geometrie ab), dass die hülsenförmige Schicht 8 radial aufgeweitet und in die Ausnehmung 9 axial eingeschoben wird.
Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, ergibt sich Bündigkeit zwischen der zylindrischen Oberfläche 10 der Welle 6 und der radial äußeren Oberfläche der Schicht 8. In diesen Bereich ist der Lagerinnenring 3 durch axiales Aufschieben montiert worden.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Hier ist die Welle 6 über ihre gesamte axiale Erstreckung mit einer Kunststoff-Schicht 8 versehen; die Welle 6 ist insofern quasi mit Kunststoffmaterial ummantelt. Auf diese Schicht 8 wird dann das Wälzlager 2 aufgeschoben und in der entsprechenden axialen Position fixiert.
Die axiale Fixierung sowohl des Lagerinnenrings 3 auf der Welle 6 als auch des Lageraußenrings 4 im Gehäuse 7 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in allen drei skizzierten Fällen nicht dargestellt. Für die Schicht 8 weist der Lagerinnenring 3 eine zylindrische Sitzfläche 11 auf (s. Fig. 1). Vorgesehen ist, dass diese eine definierte Unrundheit über den Umfang aufweist, die von der Schicht 8 egalisiert wird.
In Fig. 4 ist dargestellt, wie sich über den Umfang des Lagerinnenrings 3 die zylindrische Bohrung mit ihrem nominalen Durchmesser D (in mm) im Radius verändert, wobei freilich der Verlauf der Bohrung stark überhöht dargestellt ist. Es ergibt sich, dass infolge der Un- gleichförmigkeit bzw. Welligkeit ein radialer Differenzbetrag zwischen dem maximalen und dem minimalen Wert des Radius vorliegt; dieser Differenzbetrag ist mit hc bezeichnet.
Die zylindrische Sitzfläche 11 kann durch Hartdrehen in ihre endgültige Form gebracht sein; allerdings können auch noch weitere mechanische Bearbeitungsvorgänge der zylindrischen Sitzfläche 11 erfolgen, z. B. durch Honen.
Ein sehr vorteilhaftes Ergebnis, unter Berücksichtigung von technischen Erfordernissen und Wirtschaftlichkeit, ergibt sich, wenn der radiale Differenzbetrag hc folgenden Wert überschreitet:
Figure imgf000009_0001
Wie der Verlauf von hc aussieht, ist für verschiedene Werte der nominale Umfangsspan- nung Gnom über dem Durchmesser D und für Stahl als Ringmaterial (E = 210.000 N/mm ) in Fig. 5 dargestellt. Hier ist eine kritische Umfangsspannung oc von 200 MPa angesetzt. Der Wert hc stellt den auf jeden Fall noch zulässigen Wert der Ungleichmäßigkeit der Bohrung dar. Die genannte Formel ergibt den Wert für hc in mm, wenn auch der Durchmesser D in mm eingesetzt wird.
Demgemäß wird bei der Umsetzung der erfindungsgemäßen Idee so vorgegangen, dass anhand der vorgesehenen Konstruktion und dem geplanten Einsatz des Wälzlagers zunächst bestimmt wird, mit welcher Umfangsspannung σηοτη beispielsweise der Lagerinnenring auf seiner Welle sitzen wird. Dies ergibt sich insbesondere aus der vorgesehenen Pas- sung zwischen dem zylindrischen Sitz des Lagerrings und der Welle. Hierfür können entsprechende Rechenprogramme eingesetzt werden, mit denen sich die nominale Umfangs- spannung im Lagerring ermitteln lässt, der sich aufgrund des vorgesehenen Presssitzes ergibt.
Dann wird die kritische Umfangsspannung oc im Lagerring bestimmt, wie sie nach der Herstellung des Presssitzes und vor dem Aufbringen einer äußeren Belastung im Lagerring vorliegt. Dieser Wert ist Werkstoff abhängig; ein Beispiel für besagte Spannung wurde oben genannt.
Anschließend kann anhand der oben aufgeführten mathematischen Beziehung bestimmt werden, wann die mechanische Bearbeitung der zylindrischen Sitzfläche abgebrochen werden kann (ermittelt beispielsweise durch interaktives Messen), d. h. wann der Grenzwert für den radialen Differenzbetrag hc gegeben ist, die auf jeden Fall noch toleriert wer- den kann.
Der Aufwand für die mechanische Bearbeitung der Lagersitzfläche kann so minimiert werden.
Bezugszeichenliste
Lageranordnung
Wälzlager
Lagerinnenring
Lageraußenring
Wälzkörper
erstes Maschinenteil (Welle)
zweites Maschinenteil (Gehäuse)
Schicht (Hülse)
Ausnehmung
zylindrische Oberfläche
zylindrische Sitzfläche radiale Dicke der Schicht
Durchmessers des Lagerrings
axiale Richtung radialer Differenzbetrag zwischen maximalem und minimalem
Wert des Radius über dem Umfang der zylindrischen Sitzfläche
Durchmesser der zylindrischen Sitzfläche
Elastizitätsmodul des Materials des Lagerrings kritische Umfangsspannung im Lagerring vor dem Aufbringen einer äußeren Belastung und ggf. nach der Herstellung eines
Presssitzes
nominale Umfangsspannung im Lagerring, gegebenenfalls hervorgerufen durch einen Presssitz

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Lageranordnung
1. Lageranordnung (1), umfassend mindestens ein Wälzlager (2), wobei das Wälzlager
(2) mindestens einen Lagerinnenring (3) und mindestens einen Lageraußenring (4) aufweist, zwischen denen Wälzkörper (5) angeordnet sind, wobei der Lagerinnenring
(3) mit einem ersten Maschinenteil (6) verbunden ist, wobei der Lageraußenring (4) mit einem zweiten Maschinenteil (7) verbunden ist und wobei der Lagerinnenring (3) und der Lageraußenring (4) aus Stahl bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Lagerinnenring (3) und dem ersten Maschinenteil (6) und/oder zwischen dem Lageraußenring (4) und dem zweiten Maschinenteil (7) eine Schicht (8) aus einem Material angeordnet ist, das eine geringere Steifigkeit als Stahl aufweist.
2. Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Schicht (8) Kunststoff ist, vorzugsweise Polyamid, besonders bevorzugt Polyamid 6.6.
3. Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff faserverstärkt ist.
4. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (8) als hohlzylindrische Struktur ausgebildet ist.
5. Lageranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Dicke (d) der Schicht (8) zwischen 0,5 % und 5 % des Durchmessers (D) des Lagerrings (3, 4) an der Stelle beträgt, an dem die Schicht (8) mit dem Lagerring (3, 4) in Kontakt steht.
6. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (8) in einer Ausnehmung (9) im ersten Maschinenteil (6) und/oder im zweiten Maschinenteil (7) angeordnet ist.
7. Lageranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (8) mit einer zylindrischen Oberfläche (10) des ersten Maschinenteils (6) und/oder des zweiten Maschinenteils (7) bündig abschließt.
8. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale (a) Erstreckung der Schicht (8) und die axiale Erstreckung des Lagerrings (3, 4), der mit der Schicht (8) in Kontakt steht, übereinstimmt oder die axiale Erstreckung der Schicht (8) die des Lagerrings (3, 4) nur geringfügig überragt.
9. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale (a) Erstreckung der Schicht (8) über die axiale Erstreckung des Lagerrings (3, 4), der mit der Schicht (8) in Kontakt steht, hinausgeht.
10. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Maschinenteil (6) eine Welle ist. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerinnenring (3) für die Schicht (8) eine zylindrische Sitzfläche bildet und/oder dass der Lageraußenring (4) für die Schicht (8) eine zylindrische Sitzfläche bildet, wobei die zylindrische Sitzfläche derart ausgeführt ist, dass der radiale Differenzbetrag (hc) zwischen maximalem und minimalem Wert über dem Umfang der zylindrischen Sitzfläche mindestens gleich dem folgenden Wert ist:
Figure imgf000014_0001
mit: radialer Differenzbetrag zwischen maximalem und minimalem
Wert des Radius über dem Umfang der zylindrischen Sitzfläche
in mm;
Durchmesser der zylindrischen Sitzfläche des Lagerrings (3, 4) in mm;
Elastizitätsmodul des Materials des Lagerrings (3, 4) in N/mm" (MPa); kritische Umfangsspannung im Lagerring (3, 4) vor dem Aufbringen einer äußeren Belastung, gegebenenfalls nach der Her-
Stellung eines Presssitzes, in N/mm (MPa);
nominale Umfangsspannung im Lagerring (3, 4) nach seiner
Montage, gegebenenfalls hervorgerufen durch einen Presssitz,
in N/mm2 (MPa).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als kritische Umfangsspannung (oc) im Lagerring (3, 4) vor dem Aufbringen einer äußeren Belastung ein Wert zwischen 180 MPa und 220 MPa zugrunde gelegt wird, vorzugsweise von 200 MPa.
PCT/EP2015/061249 2014-05-21 2015-05-21 Lageranordnung WO2015177276A1 (de)

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