WO2024012615A1 - Dünnringlager und computertomograph mit einem solchen dünnringlager - Google Patents

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Dietmar Rudy
Michael Pausch
Carsten Merklein
Wolfgang Bauer
Wolfgang Braun
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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Definitions

  • the invention relates to a thin ring bearing comprising at least one outer ring, at least one inner ring and a plurality of spherical rolling bodies, wherein the at least one inner ring is designed with an inner diameter of greater than 700 mm, in particular for use in a computer tomograph.
  • the bearing arrangement has a one-piece inner ring and a one-piece outer ring, each with a hollow cylindrical basic contour.
  • the DE 10 2017 222 208 B3 describes a computer tomography device and a method for arranging a bearing ring of a rolling bearing. It is stated there, that computer tomography devices typically have a stationary part and a rotating part, the rotating part having a radiation source for X-rays and a detector for the X-rays, which interacts with the radiation source.
  • the rotating part can, for example, have a mass of approximately 600 to 900 kg and rotate at a speed of approximately 60 to 240 revolutions per minute. A very precise, smooth and noiseless rotation is essential.
  • the rotational movement of the rotating part can be driven with the aid of a direct drive or with the aid of a drive belt which interacts with a pulley of the rotating part.
  • a rolling bearing can be used to pivot the rotating part relative to the stationary part.
  • a rolling bearing has a plurality of rolling elements and several raceways for rolling the rolling elements.
  • a thin ring bearing comprising at least one inner ring, at least one outer ring and a plurality of spherical rolling bodies, the at least one inner ring being formed with an inner diameter Di of greater than 700 mm, the at least one outer ring and the at least one inner ring being made of one unhardened metallic base material with a hardness of less than 58 HRC are formed, wherein the at least one outer ring and the at least one inner ring each form at least one raceway area in contact with the rolling elements, and wherein the base material is laser-hardened in the at least one raceway area and the raceway area has a hardness of has at least 58 HRC.
  • the metallic base material is tempered to a hardness of 250 +100HV before laser hardening.
  • the metallic base material is made of steel with a proportion of
  • Residual iron and unavoidable impurities or other elements such as Si, Al,
  • outer ring and an inner ring each of which has two raceway areas which are arranged separately, annularly and parallel to one another.
  • the two raceway areas are preferably separated from one another by an annular groove.
  • the groove serves as a lubricant reservoir and prevents the heat-affected zones of two raceway areas from overlapping.
  • each of which has an annular raceway area.
  • the two outer rings and/or the two inner rings can be in have local recesses in an area where their careers adjoin one another.
  • a free surface of the at least one raceway area, which forms a raceway for the rolling elements, can be machined and/or rolled.
  • the free surface of the at least one raceway area, which forms a raceway for the rolling elements, is in particular honed.
  • the at least one raceway region is preferably designed to have different thicknesses when viewed across a cross section through the at least one outer ring or the at least one inner ring.
  • a penetration depth of the laser hardening in the base material is maximal in the area of a pressure angle curve.
  • a computer tomograph comprising at least one thin ring bearing according to the invention, has proven itself in terms of achievable high running accuracy, extremely smooth running, freedom from play and high tilting rigidity of the thin ring bearing.
  • FIG. 1 to 4 are intended to explain thin ring bearings according to the invention by way of example. This shows:
  • Figure 1 shows a section through a first thin ring bearing with an outer ring and an inner ring
  • Figure 2 shows an enlarged section of the first thin ring bearing according to Figure 1 in the area of the cut surfaces
  • Figure 3 shows a section through a second thin ring bearing with two outer rings and two inner rings
  • Figure 4 shows an enlarged section of the second thin ring bearing according to Figure 3 in the area of the cut surfaces.
  • Figure 1 shows a section through a first thin ring bearing 1 with an outer ring 3 and an inner ring 2. Furthermore, a plurality of spherical rolling bodies 4 are present.
  • the inner ring 2 is designed with an inner diameter Di of greater than 1 m.
  • the outer ring 3 and the inner ring 2 are formed from an unhardened metallic base material 6 with a hardness of less than 58 HRC (see Figure 2).
  • the outer ring 3 and the inner ring 2 each form at least one raceway area 7a, 7b, 7c, 7d in contact with the rolling elements 4.
  • the base material e is laser-hardened in the raceway areas 7a, 7b, 7c, 7d and the raceway areas 7a, 7b, 7c, 7d have a hardness of at least 58 HRC.
  • a ratio A/Di is in the range 1:30 to 1:150, with the distance A between the inside diameter Di and an outside diameter of the thin ring bearing 1 (seen in cross section) being recorded.
  • the outer ring 3 and the inner ring 2 each have two raceway regions 7a, 7b which are arranged separately from one another and run in an annular manner and parallel to one another; 7c, 7d, which are separated from each other by an annular groove 9a, 9b.
  • Figure 2 shows an enlarged section of the first thin ring bearing 1 according to Figure 1 in the area of the cut surfaces (see the area circled with a dashed line in Figure 1).
  • the pressure angles 5 are indicated by dashed lines in Figure 2.
  • a free surface 8 of the raceway areas 7a, 7b, 7c, 7d each forms a raceway for the rolling elements 4.
  • Figure 3 shows a section through a second thin ring bearing 1 'with two outer rings 3a, 3b and two inner rings 2a, 2b. Furthermore, a plurality of spherical rolling bodies 4 are present.
  • the inner rings 2a, 2b are designed with an inner diameter Di of greater than 700 mm.
  • the outer rings 3a, 3b and the inner rings 2a, 2b are formed from an unhardened metallic base material e with a hardness of less than 58 HRC (see Figure 4).
  • the outer rings 3a, 3b and the inner rings 2a, 2b each form a raceway area 7a, 7b, 7c, 7d in contact with the rolling elements 4.
  • the base material 6 is laser-hardened in the raceway areas 7a, 7b, 7c, 7d and the raceway areas 7a, 7b, 7c, 7d have a hardness of at least 58 HRC.
  • a ratio A/Di is in the range 1:30 to 1:150, with the distance A between the inner diameter Di and an outer diameter of the thin ring bearing 1 ' (seen in cross section) is recorded.
  • the outer rings 3a, 3b and the inner rings 2a, 2b each have an annular raceway area 7a, 7b; 7c, 7d on.
  • Figure 4 shows an enlarged section of the second thin ring bearing 1 'according to Figure 3 in the area of the cut surfaces (see the area circled with a dashed line in Figure 3).
  • the pressure angles 5 are indicated by dashed lines in Figure 4.
  • a free surface 8 of the raceway areas 7a, 7b, 7c, 7d each forms a raceway for the rolling elements 4.

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Abstract

Dünnringlager (1, 1 '), insbesondere für einen Computertomographen, umfassend mindestens einen Innenring (2, 2a, 2b), mindestens einen Außenring (3, 3a, 3b) und eine Mehrzahl kugelförmiger Wälzkörper (4), wobei der mindestens eine Innenring (2, 2a, 2b) mit einem Innendurchmesser (Di) von größer als 700 mm ausgebildet ist, wobei der mindestens eine Außenring (3, 3a, 3b) und der mindestens eine Innenring (2, 2a, 2b) aus einem ungehärteten metallischen Grundwerkstoff (6) mit einer Härte kleiner 58 HRC gebildet sind, wobei der mindestens eine Außenring (3, 3a, 3b) und der mindestens eine Innenring (2, 2a, 2b) jeweils mindestens einen Laufbahnbereich (7a, 7b, 7c, 7d) in Kontakt zu den Wälzkörpern (4) ausbilden, und wobei der Grundwerkstoff (6) in dem mindestens einen Laufbahnbereich (7a, 7b, 7c, 7d) lasergehärtet ist und der Laufbahnbereich (7a, 7b, 7c, 7d) eine Härte von mindestens 58 HRC aufweist.

Description

Dünnrinqlaqer und Computertomoqraph mit einem solchen Dünnrinqlaqer
Die Erfindung betrifft ein Dünnringlager umfassend mindestens einen Außenring, mindestens einen Innenring und eine Mehrzahl kugelförmiger Wälzkörper, wobei der mindestens eine Innenring mit einem Innendurchmesser von größer als 700 mm ausgebildet ist, insbesondere für den Einsatz in einem Computertomographen.
Die DE10 2009 056038 A1 beschreibt ein Dünnringlager und ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerringes aus drahtförmigem Material für ein Dünnringlager. Der Draht wird gewalzt, gebogen und die freien Enden miteinander verschweißt. Der gebildete Vollring wird anschließend geglüht und schließlich kaltgewalzt und optional gehärtet.
Als Dünnringlager werden Wälzlager bezeichnet, die einen großen Innendurchmesser Di des Innenringes im Verhältnis zum Abstand A zwischen Innendurchmesser und Außendurchmesser des Lagers (im Querschnitt gesehen) aufweist. Insbesondere beträgt das Verhältnis von A/Di = 1 :30 bis 1 : 150.
Die DE 10 2007 049 071 A1 beschreibt ein Drahtwälzlager mit zwei konzentrisch ineinander angeordneten Tragringen, die in einander zugekehrten Ausnehmungen Laufdrähte aufweisen, zwischen welchen auf zugehörigen Laufbahnen Wälzkörper abrollen. Das Drahtwälzlager ist als Vierpunktkugellager ausgebildet und wird als Drehverbindung in der Computertomographie eingesetzt.
Die DE 10 2004 062 116 B3 offenbart eine Lageranordnung für ein medizinisches gerät wie einen Computertomographen. Die Lageranordnung weist einen einteiligen Innenring und einen einteiligen Außenring mit jeweils hohlzylindrischer Grundkontur auf.
Die DE 10 2017 222 208 B3 beschreibt ein Computertomographiegerät und ein Verfahren zur Anordnung eines Lagerringes eines Wälzlagers. Dort ist ausgeführt, dass Computertomographiegeräte typischerweise einen stationären Teil und einen rotierenden Teil aufweisen, wobei der rotierende Teil eine Strahlungsquelle für Röntgenstrahlung und einen Detektor für die Röntgenstrahlung, welcher mit der Strahlungsquelle zusammenwirkt, aufweist. Der rotierende Teil kann beispielsweise eine Masse von etwa 600 bis 900 kg haben und mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von etwa 60 bis 240 Umdrehungen pro Minute rotieren. Dabei ist ein sehr genauer, leichtgängiger und geräuschloser Lauf der Drehbewegung wesentlich. Die Drehbewegung des rotierenden Teils kann mit Hilfe eines Direktantriebes oder mit Hilfe eines Treibriemens, der mit einer Riemenscheibe des rotierenden Teils zusammenwirkt, angetrieben werden. Für die Drehlagerung des rotierenden Teils relativ zu dem stationären Teil kann ein Wälzlager verwendet werden. Ein Wälzlager weist eine Mehrzahl von Wälzkörpern und mehrere Laufbahnen zum Abwälzen der Wälzkörper auf.
Dabei sind eine hohe Laufgenauigkeit, extreme Laufruhe, Spielfreiheit und hohe Kippsteifigkeit wesentlich, um qualitativ hochwertige Bilder zu erzeugen. Dazu werden bisher Lagerringe aus hochreinen und damit teuren Stahlqualitäten eingesetzt, die in der Regel komplett durchgehärtet werden. Dies führt im Härteprozess häufig zu Spannungen und Verzug der Lagerringe.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein geeignetes Dünnringlager bereitzustellen, das eine Kosteneinsparung hinsichtlich seiner Herstellung sowie eine Verringerung eines thermischen Verzugs im Härteprozess mit sich bringt.
Die Aufgabe wird durch ein Dünnringlager umfassend mindestens einen Innenring, mindestens einen Außenring und eine Mehrzahl kugelförmiger Wälzkörper gelöst, wobei der mindestens eine Innenring mit einem Innendurchmesser Di von größer als 700 mm ausgebildet ist, wobei der mindestens eine Außenring und der mindestens eine Innenring aus einem ungehärteten metallischen Grundwerkstoff mit einer Härte kleiner 58 HRC gebildet sind, wobei der mindestens eine Außenring und der mindestens eine Innenring jeweils mindestens einen Laufbahnbereich in Kontakt zu den Wälzkörpern ausbilden, und wobei der Grundwerkstoff in dem mindestens einen Laufbahnbereich lasergehärtet ist und der Laufbahnbereich eine Härte von mindestens 58 HRC aufweist. Aufgrund eines lediglich lokalen Laserhärtens des mindestens einen Innenrings und des mindestens einen Außenrings wird ein Verzug der Lagerringe minimiert. Der kostengünstige, ungehärtete metallische Grundwerkstoff wird dabei lediglich in einem Bereich gehärtet, der in Kontakt zu den Wälzkörpern gelangt und der eine Laufbahn für die Wälzkörper bildet. Dies führt zu wesentlichen Kosteneinsparungen bei der Herstellung eines Dünnringlagers.
Zur Verbesserung der Gefügestruktur hat es sich allerdings bewährt, wenn der metallische Grundwerkstoff vor dem Laserhärten auf eine Härte von 250 +100HV vergütet wird.
Dabei ist es bevorzugt, wenn der metallische Grundwerkstoff aus Stahl ausgebildet ist mit einem Anteil von
0,38 bis 0,56 Gew.-% C,
0,3 bis 1 ,2 Gew.-% Mn,
0,9 bis 1 ,2 Gew.-% Cr,
O,15 - 0,30 Gew.-% Mo,
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen oder weitere Elemente, wie Si, AI,
P, S, Pb, mit einem Anteil von kleiner als 0,5 Gew.-%. Dieser ist kostengünstig, laserhärtbar und für das erfindungsgemäße Dünnringlager einsetzbar. Insbesondere haben sich Stähle vom Typ 1.7228 (50CrMo4) oder 1.7225 (42CrMo4) bewährt.
Es ist bevorzugt, wenn ein Außenring und ein Innenring vorhanden sind, die jeweils zwei, voneinander getrennt angeordnete, ringfömig und parallel zueinander verlaufende Laufbahnbereiche aufweisen. Die beiden Laufbahnbereiche sind dabei bevorzugt durch eine ringförmig verlaufende Nut voneinander getrennt. Die Nut dient als Schmierstoffreservoir und verhindert eine Überlagerung der Wärmeeinflusszonen von zwei Laufbahnbereichen.
Alternativ hat es sich bewährt, wenn zwei Außenringe und/oder zwei Innenringe vorhanden sind, die jeweils einen ringförmig verlaufenden Laufbahnbereich aufweisen. Dabei können die beiden Außenringe und/oder die beiden Innenringe in einem Bereich, in denen ihre Laufbahnen aneinander angrenzen, lokale Aussparungen aufweisen.
Eine freie Oberfläche des mindestens einen Laufbahnbereichs, welche eine Laufbahn für die Wälzkörper ausbildet, kann spanabhebend nachbearbeitet und/oder rolliert sein. Die freie Oberfläche des mindestens einen Laufbahnbereichs, welche eine Laufbahn für die Wälzkörper ausbildet, ist insbesondere gehont.
Der mindestens eine Laufbahnbereich ist über einen Querschnitt durch den mindestens einen Außenring oder den mindestens einen Innenring gesehen vorzugsweise unterschiedlich dick ausgebildet. Vorzugsweise ist im Bereich eines Druckwinkel-Verlaufs eine Eindringtiefe der Laserhärtung im Grundmaterial maximal ausgebildet.
Ein Computertomograph, umfassend mindestens ein erfindungsgemäßes Dünnringlager hat sich hinsichtlich einer erzielbaren hohen Laufgenauigkeit, extremen Laufruhe, Spielfreiheit und hohen Kippsteifigkeit des Dünnringlagers bewährt.
Die Figuren 1 bis 4 sollen erfindungsgemäße Dünnringlager beispielhaft erläutern. So zeigt:
Figur 1 einen Schnitt durch ein erstes Dünnringlager mit einem Außenring und einem Innenring;
Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt des ersten Dünnringlagers nach Figur 1 im Bereich der Schnittflächen;
Figur 3 einen Schnitt durch ein zweites Dünnringlager mit zwei Außenringen und zwei Innenringen; und
Figur 4 einen vergrößerten Ausschnitt des zweiten Dünnringlagers nach Figur 3 im Bereich der Schnittflächen. Figur 1 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Dünnringlager 1 mit einem Außenring 3 und einem Innenring 2. Weiterhin ist eine Mehrzahl kugelförmiger Wälzkörper 4 vorhanden. Der Innenring 2 ist mit einem Innendurchmesser Di von größer als 1 m ausgebildet. Der Außenring 3 und der Innenring 2 sind aus einem ungehärteten metallischen Grundwerkstoff 6 mit einer Härte kleiner 58 HRC gebildet (vergleiche Figur 2). Der Außenring 3 und der Innenring 2 bilden jeweils mindestens einen Laufbahnbereich 7a, 7b, 7c, 7d in Kontakt zu den Wälzkörpern 4 aus. Der Grundwerkstoff e ist in den Laufbahnbereichen 7a, 7b, 7c, 7d lasergehärtet und die Laufbahnbereiche 7a, 7b, 7c, 7d weisen eine Härte von mindestens 58 HRC auf. Ein Verhältnis A/Di liegt im Bereich 1 :30 bis 1 : 150, wobei der Abstand A zwischen dem Innendurchmesser Di und einem Außendurchmesser des Dünnringlagers 1 (im Querschnitt gesehen) erfasst wird. Der Außenring 3 und der Innenring 2 weisen jeweils zwei, voneinander getrennt angeordnete, ringfömig und parallel zueinander verlaufende Laufbahnbereiche 7a, 7b; 7c, 7d auf, die durch eine ringförmig verlaufende Nut 9a, 9b voneinander getrennt sind.
Figur 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des ersten Dünnringlagers 1 nach Figur 1 im Bereich der Schnittflächen (siehe mit gestrichelter Linie umkreisten Bereich in Figur 1 ). Die Druckwinkel 5 sind mit gestrichelten Linien in Figur 2 angedeutet. In den Gebieten der Laufbahnbereiche 7a, 7b, 7c, 7d, welche die Druckwinkel 5 schneiden, ist eine Einhärtetiefe in das Grundmaterial 6 maximal ausgebildet. Eine freie Oberfläche 8 der Laufbahnbereiche 7a, 7b, 7c, 7d bildet jeweils eine Laufbahn für die Wälzkörper 4 aus.
Figur 3 zeigt einen Schnitt durch ein zweites Dünnringlager 1 ' mit zwei Außenringen 3a, 3b und zwei Innenringen 2a, 2b. Weiterhin ist eine Mehrzahl kugelförmiger Wälzkörper 4 vorhanden. Die Innenringe 2a, 2b sind mit einem Innendurchmesser Di von größer als 700 mm ausgebildet. Die Außenringe 3a, 3b und die Innenringe 2a, 2b sind aus einem ungehärteten metallischen Grundwerkstoff e mit einer Härte kleiner 58 HRC gebildet (vergleiche Figur 4). Die Außenringe 3a, 3b und die Innenringe 2a, 2b bilden jeweils einen Laufbahnbereich 7a, 7b, 7c, 7d in Kontakt zu den Wälzkörpern 4 aus. Der Grundwerkstoff 6 ist in den Laufbahnbereichen 7a, 7b, 7c, 7d lasergehärtet und die Laufbahnbereiche 7a, 7b, 7c, 7d weisen eine Härte von mindestens 58 HRC auf. Ein Verhältnis A/Di liegt im Bereich 1 :30 bis 1 : 150, wobei der Abstand A zwischen dem Innendurchmesser Di und einem Außendurchmesser des Dünnringlagers 1 ' (im Querschnitt gesehen) erfasst wird. Die Außenringe 3a, 3b und die Innenringe 2a, 2b weisen jeweils einen ringfömig verlaufenden Laufbahnbereich 7a, 7b; 7c, 7d auf.
Figur 4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des zweiten Dünnringlagers 1 ' nach Figur 3 im Bereich der Schnittflächen (siehe mit gestrichelter Linie umkreisten Bereich in Figur 3). Die Druckwinkel 5 sind mit gestrichelten Linien in Figur 4 angedeutet. In den Gebieten der Laufbahnbereiche 7a, 7b, 7c, 7d, welche die Druckwinkel 5 schneiden, ist eine Einhärtetiefe in das Grundmaterial 6 maximal ausgebildet. Eine freie Oberfläche 8 der Laufbahnbereiche 7a, 7b, 7c, 7d bildet jeweils eine Laufbahn für die Wälzkörper 4 aus.
Bezuqszeichenliste
1 , r Dünnringlager
2, 2a, 2b Innenring
3, 3a, 3b Außenring
4 Wälzkörper
5 Druckwinkel
6 Grundwerkstoff
7a, 7b, 7c, 7d Laufbahnbereich
8 freie Oberfläche des Laufbahnbereichs oder Laufbahn
9a, 9b ringförmige Nut
A Abstand
Di Innendurchmesser

Claims

Patentansprüche
1 . Dünnringlager (1 , 1 ') umfassend mindestens einen Innenring (2, 2a, 2b), mindestens einen Außenring (3, 3a, 3b) und eine Mehrzahl kugelförmiger Wälzkörper (4), wobei der mindestens eine Innenring (2, 2a, 2b) mit einem Innendurchmesser (Di) von größer als 700 mm ausgebildet ist, wobei der mindestens eine Außenring (3, 3a, 3b) und der mindestens eine Innenring (2, 2a, 2b) aus einem ungehärteten metallischen Grundwerkstoff (6) mit einer Härte kleiner 58 HRC gebildet sind, wobei der mindestens eine Außenring (3, 3a, 3b) und der mindestens eine Innenring (2, 2a, 2b) jeweils mindestens einen Laufbahnbereich (7a, 7b, 7c, 7d) in Kontakt zu den Wälzkörpern (4) ausbilden, und wobei der Grundwerkstoff (6) in dem mindestens einen Laufbahnbereich (7a, 7b, 7c, 7d) lasergehärtet ist und der Laufbahnbereich (7a, 7b, 7c, 7d) eine Härte von mindestens 58 HRC aufweist.
2. Dünnringlager (1 , 1 ') nach Anspruch 1 , wobei der metallische Grundwerkstoff (6) aus Stahl mit einem Anteil von
0,38 bis 0,56 Gew.-% C, 0,3 bis 1 ,2 Gew.-% Mn, 0,9 bis 1 ,2 Gew.-% Cr,
O,15 - 0,30 Gew.-% Mo,
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen oder weitere Elemente, wie Si, AI,
P, S, Pb, mit einem Anteil von kleiner als 0,5 Gew.-%, ausgebildet ist.
3. Dünnringlager (1 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei ein Außenring (3) und ein Innenring (2) vorhanden sind, die jeweils zwei, voneinander getrennt angeordnete, ringfömig und parallel zueinander verlaufende Laufbahnbereiche (7a, 7b; 7c, 7d) aufweisen.
4. Dünnringlager (1 ) nach Anspruch 3, wobei die beiden Laufbahnbereiche (7a, 7b; 7c, 7d) durch eine ringförmig verlaufende Nut (9a, 9b) voneinander getrennt sind.
5. Dünnringlager (1 ') nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei zwei Außenringe (3a, 3b) und/oder zwei Innenringe (2a, 2b) vorhanden sind, die jeweils einen ringförmig verlaufenden Laufbahnbereich (7a, 7b, 7c, 7d) aufweisen
6. Dünnringlager (1 , 1 ') nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine freie Oberfläche (8) des mindestens einen Laufbahnbereichs (7a, 7b, 7c, 7d), welche eine Laufbahn für die Wälzkörper (4) ausbildet, spanabhebend nachbearbeitet ist und/oder rolliert ist.
7. Dünnringlager (1 , 1 ') nach Anspruch 6, wobei die freie Oberfläche (8) des mindestens einen Laufbahnbereichs (7a, 7b, 7c, 7d), welche eine Laufbahn für die Wälzkörper (4) ausbildet, gehont ist.
8. Dünnringlager (1 , 1 ') nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der mindestens eine Laufbahnbereich (7a, 7b, 7c, 7d) über einen Querschnitt durch den mindestens einen Außenring (3, 3a, 3b) oder den mindestens einen Innenring (2, 2a, 2b) gesehen unterschiedlich dick ausgebildet ist.
9. Computertomograph, umfassend mindestens ein Dünnringlager (1 , 1 ') nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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