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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Lagersystem zum Lagern einer Welle. Speziell
betrifft die Erfindung ein Lagersystem zum Lagern einer Welle eines
Elektromotors und einen Elektromotor mit solch einem Lagersystem.
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Aus
der
DE 100 19 512
A1 ist ein Elektromotor bekannt, der insbesondere als Fensterheber- oder
Schiebedachmotor ausgestaltet sein kann. Der bekannte Elektromotor
weist einen Rotor und einen Stator auf, die zum Antreiben einer
Welle dienen. Die Welle steht dabei mit einem Getriebe im Eingriff.
Zur Lagerung der Welle sind ein Festlager und ein am Ende der Welle
angeordnetes Loslager vorgesehen. Das Loslager ermöglicht dabei
auch einen gewissen Ausgleich von Längenänderungen der Welle, die beispielsweise
durch Temperaturerhöhungen
während des
Betriebs des Elektromotors verursacht werden.
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Bei
einem Elektromotor, wie er aus der
DE 100 19 512 A1 bekannt ist, kann bei dem
Loslager ein Press- und ein Schiebesitz am äußeren Rollbahnkörper beziehungsweise
am inneren Rollbahnkörper vorgesehen
sein. Der Schiebesitz hat dabei eine Spielpassung, wodurch der Nachteil
besteht, dass im Lastwechselbetrieb mit starkem Geräusch, erhöhter Reibung,
Verschleiß und
einer Verringerung der Lebensdauer zu rechnen ist. Diese Nachteile
bestehen bei gewissen Materialpaarungen in besonderem Maße. Beispielsweise
kann die Welle aus Aluminium ausgebildet sein, während das Lager aus Stahl ausgebildet
ist. Durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung kommt es hierbei
in gewissen Temperaturbereichen zu einer Vergrößerung des Spiels der Spielpassung,
so dass solche Materialkombinationen in Bezug auf die damit verbundenen
Nachteile, insbesondere der Geräuschentwicklung,
unter Umständen nicht
zur Anwendung kommen können.
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Vorteile
der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Lagersystem
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und der erfindungsgemäße Elektromotor
mit den Merkmalen des Anspruchs 10 haben demgegenüber den
Vorteil, dass in der radialen Richtung eine zumindest im Wesentlichen
spielfreie Lagerung der Welle in dem das Loslager des Lagersystems
bildenden Wälzlager
möglich ist.
Außerdem
ermöglicht
die erfindungsgemäße Lösung auch
bei Materialpaarungen, bei denen das Problem unterschiedlicher thermischer
Ausdehnungskoeffizienten besteht, einen zuverlässigen und insbesondere geräuschreduzierten
Betrieb.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen
Lagersystems und des im Anspruch 10 angegebenen Elektromotors möglich.
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In
vorteilhafter Weise ist das Federelement als wurmförmige Zugfeder
ausgestaltet. Bei dem montierten Lagersystem kann dadurch eine zuverlässige Vorspannung
des Federelements über
die Lebensdauer des Elektromotors gewährleistet werden. Sofern das
Federelement zusätzlich
als geschlossener Ring ausgestaltet ist, kann das Federelement auch
entlang seiner kreisförmig
gekrümmten
Mittelachse vorgespannt werden. Im montierten Zustand wird das Federelement
dadurch in seiner vorgegebenen Lage gehalten. Außerdem wird auf Grund der radialen
Vorspannung des Federelements eine vorteilhafte Aufnahme der in
radialer Richtung wirkenden Kräfte
der Welle über
das Wälzlager
von dem Gehäuse
oder einem anderen Bauteil des Elektromotors ermöglicht. Ein Federelement, das
als geschlossener Ring ausgestaltet ist, kann an seinen Enden durch Einstecken
des ersten Endes des Federelementes in das zweite Ende des Federelementes
verbunden sein, wobei sich das erste Ende beispielsweise innerhalb
des zweiten Endes entsprechend einer Schraubverbindung verhakt.
Zusätzlich
oder alternativ können
die beiden Enden des Federelementes allerdings auch durch eine Löt- oder
Schweißverbindung
verbunden sein. Bei einer formschlüssigen Verbindung der beiden
Enden des Federelementes ohne eine zusätzliche Löt- oder Schweißverbindung
ist der Herstellungsaufwand gering, so dass die Stückkosten
des Lagersystems oder des Elektromotors diesbezüglich relativ niedrig sind.
Andererseits wird durch eine Löt-
oder Schweißverbindung
eine hohe Festigkeit erzielt, die für gewisse Anwendungen von Vorteil sein
kann.
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Das
Federelement kann in eine im Bereich des inneren Rollbahnkörpers oder
des äußeren Rollbahnkörpers vorgesehene
Nut zumindest teilweise eingebracht sein. Diese Nut kann an dem äußeren Rollbahnkörper des
Wälzlagers,
an einem Gehäuseteil
des Elektromotors, das zum Aufnehmen des Wälzlagers eine Aussparung aufweist,
dem inneren Rollbahnkörper
oder im Bereich des inneren Rollbahnkörpers an der Welle vorgesehen
sein. Dabei können
auch zwei oder mehr Nuten vorgesehen sein, die zwei oder mehr Federelemente
aufnehmen. Diese Nuten sind vorzugsweise an dem gleichen Bauteil ausgebildet
und gewährleisten
eine zumindest im Wesentlichen parallele Orientierung des inneren Rollbahnkörpers und
des äußeren Rollbahnkörpers des
Wälzlagers
zu einer gewünschten
Drehachse der Welle des Elektromotors.
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Zeichnung
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der
beigefügten
Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen
versehen sind, näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 einen
Elektromotor mit einem Lagersystem in einer auszugsweisen Schnittdarstellung entsprechend
einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 den
in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt entsprechend
dem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung in einer detaillierten Darstellung;
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3 den
in 2 mit III bezeichneten Ausschnitt entsprechend
einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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4 den
in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des Elektromotors
entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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5 den
in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt eines Elektromotors
entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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6 eine
teilweise geschnittene, auszugsweise Darstellung eines Federelementes
des Lagersystems des Elektromotors der Erfindung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Elektromotors 1 der Erfindung. Der Elektromotor 1 kann
insbesondere als Asynchronmotor ausgestaltet sein und für eine elektrische
Servo-Lenkung dienen. Der Elektromotor 1 kann auch zur
fremdkraftbetätigten
Verstellung von Elementen eines Kraftfahrzeugs dienen. Der erfindungsgemäße Elektromotor 1 eignet sich
jedoch auch für
andere Anwendungsfälle.
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Der
Elektromotor 1 ist mit einem Lagersystem 2 ausgestattet,
das nachfolgend im Detail weiter beschrieben ist. Der Elektromotor
weist ein aus mehreren Gehäuseteilen 3, 4 bestehendes
Gehäuse 3, 4 auf.
Der Elektromotor 1 weist eine Welle 5 auf, die teilweise
aus dem Gehäuse 3, 4 ragt
und eine Schnittstelle 6 aufweist, die direkt oder über ein
Getriebe mit Elementen einer Servolenkung oder dergleichen in Wirkverbindung
steht. Die Welle 5 ist über ein
als Festlager ausgebildetes Wälzlager 7 und über ein
als Loslager ausgebildetes Wälzlager 8 in
dem Gehäuse 3, 4 des
Elektromotors 1 gelagert. Das Wälzlager 7 ist über eine
Bördelung 9 des
Gehäuseteils 3 festgeklemmt,
so dass insbesondere in einer radialen Richtung, das heißt in Richtung
einer Drehachse 10 der Welle 5, kein Spiel zwischen
dem Gehäuseteil 3 und
dem Wälzlager 7 besteht.
Ferner ist das Wälzlager 7 auf
die Welle 5 aufgepresst, wobei das Wälzlager 7 an einer
Schulter 11 der Welle 5 anliegt, so dass auch
zwischen dem Wälzlager 7 und der
Welle 5 kein Spiel in der axialen Richtung besteht.
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Der
Elektromotor 1 weist außerdem einen mit dem Gehäuse 3, 4 des
Elektromotors 1 verbundenen Stator 12, der aus
mehreren Statorpaketen besteht, und einen mit der Welle 5 verbundenen
Rotor 13 auf, der aus mehreren Rotorpaketen besteht. Im Betrieb
des Elektromotors 1 wird mittels des Stators 12 und
des Rotors 13 ein Drehmoment erzeugt, das über die
Welle 5 an die Schnittstelle 6 übertragen wird.
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Das
Wälzlager 8 ermöglicht eine
Verstellung der Welle 5 in Richtung der Drehachse 10.
Beispielsweise kann auf Grund von Temperaturänderungen beim Betrieb des
Elektromotors 1 eine Längenänderung
der Welle 5 in Bezug auf das Gehäuseteil 3 auftreten,
die dadurch ausgeglichen wird. Bei dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist das Wälzlager 8 an
einer Fläche 14 auf
die Welle 5 aufgepresst, wobei es sich an einer Schulter 15 der
Welle 5 abstützt.
Eine Anstellfeder 16 beaufschlagt das Wälzlager 8 mit einer
Anstellkraft. An einer Gleitfläche 17 des
Wälzlagers 8 ist
ein Schiebesitz des Wälzlagers 8 vorgesehen,
wodurch das Wälzlager 8 in
Richtung der Drehachse 10 verschiebbar ist. Ferner sind
ein erstes Federelement 18 und ein zweites Federelement 19 vorgesehen,
die im Bereich der Gleitfläche 17 des
Wälzlagers 8 angeordnet
sind.
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Das
Lagersystem 2 umfasst die Wälzlager 7, 8 und
die Federelemente 18, 19 und gewährleistet eine
zumindest im Wesentlichen spielfreie Lagerung der Welle 5 des
Elektromotors 1 in einer radialen Richtung 20.
Die Ausgestaltung und die Funktionsweise des Lagersystems 2 des
Elektromotors 1 des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung
ist im Folgenden anhand der 2 im Detail
weiter beschrieben.
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2 zeigt
den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des Elektromotors 1 in
einer detaillierten Darstellung.
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Das
Wälzlager 8 des
Lagersystems 2 weist einen inneren Rollbahnkörper 25,
einen äußeren Rollbahnkörper 26 und
Wälzkörper 27 auf.
Die Wälzkörper 27 sind
zwischen dem inneren Rollbahnkörper 25 und
dem äußeren Rollbahnkörper 26 angeordnet und
laufen in Rollbahnen der Rollbahnkörper 25, 26. Das
Wälzlager 8 ist
als einreihiges Rillenkugellager ausgestaltet, wobei die Wälzkörper 27 durch
Kugeln gebildet sind. Das als Radiallager ausgebildete Wälzlager 8 kann
allgemein als ein- oder mehrreihiges Rillenkugellager oder Rollenlager,
insbesondere Zylinderrollen-, Tonnen-, Nadel- oder Kegelrollenlager, ausgestaltet
sein. Die Wälzkörper 27 können dabei als
Kugeln, Rollen, Tonnen, Nadeln, Kegeln und in den üblichen
Abwandlungen ausgestaltet sein.
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Der äußere Rollbahnkörper 26 weist
im Bereich der Gleitfläche 17 des
Wälzlagers 8 umlaufende Nuten 28, 29 auf,
wobei in der Nut 28 das erste Federelement 18 und
in der Nut 29 das zweite Federelement 19 angeordnet
ist. An der Fläche 14 der
Welle 5 ist der innere Rollbahnkörper 25 des Wälzlagers 8 auf
die Welle 5 aufgepresst. Ferner kann der äußere Rollbahnkörper 26 im
Bereich der Gleitfläche 17 in der
Aussparung 30 des Gehäuseteils 4 in
Richtung der Drehachse 10 gleiten, um eine gewisse Beweglichkeit
der Lagerstelle für
die Welle 5 in axialer Richtung zu ermöglichen. Die Federelemente 18, 19 sind in
der radialen Richtung 20 vorgespannt, so dass ein Spiel
zwischen dem äußeren Rollbahnkörper 26 und dem
Gehäuseteil 4 zumindest
im Wesentlichen verhindert ist. Außerdem gewährleisten die in Umfangsrichtung
zumindest näherungsweise
parallel zueinander verlaufenden Federelemente 18, 19,
dass der äußere Rollbahnkörper 26 zumindest
näherungsweise
parallel zu der Drehachse 10 der Welle 5 montiert ist.
Speziell kann beim Einbau des Wälzlagers 8 in das
Gehäuseteil 4 eine
Winkelschiefstellung von weniger als 15 Bogenminuten, insbesondere
von weniger als 10 Bogenminuten, gewährleistet werden. Dadurch ist
ein zuverlässiger
Betrieb des Wälzlagers 8 über die
Lebensdauer des Elektromotors 1 gewährleistet. Ferner gewährleisten
die Federelemente 18, 19 zusammen mit der Anstellfeder 16,
dass bei einer Änderung
der Drehrichtung des Elektromotors eine Erschütterung oder ein Klopfen verhindert
oder vermindert ist.
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Ferner
können
die Welle 5, das Wälzlager 8 und
die Gehäuseteile 3, 4 auch
aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Beispielsweise können die
Welle 5 und/oder das Gehäuseteil 4 aus Aluminium
gebildet sein, während
das Wälzlager 8 aus
Stahl gebildet ist. Die Betriebstemperatur des Elektromotors 1 kann
beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug zwischen –40°C und +60°C schwanken, wobei relativ große Unterschiede
im thermischen Dehnungsverhalten zwischen den aus Aluminium und
den aus Stahl gebildeten Bauteilen des Elektromotors 1 auftreten.
Das Lagersystem 2 ermöglicht
zum einen eine Verschiebbarkeit der Welle 5 im Bereich
eines Endes 31 in axialer Richtung, um solche Längenänderungen
auszugleichen, und ermöglicht
zum anderen auf Grund der Federelemente 18, 19 eine
zuverlässige Ausrichtung
des Wälzlagers 8 in
Bezug auf die Drehachse 10 der Welle 5, wobei
eine zumindest im Wesentlichen spielfreie Lagerung gegeben ist,
die auch bei Lastwechseln oder Drehrichtungsänderungen ein Geräusch, Reibung,
Verschleiß oder
eine Verringerung der Lebensdauer verhindert.
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Eine
Breite 32 der Nut 28 ist kleiner als eine Breite
oder ein Durchmesser des ersten Federelements 18, wenn
das Federelement 18 außerhalb
der Nut 28 entspannt ist, so dass beim Einbringen des Federelementes 18 in
die Nut 28 eine Vorspannung des Federelementes 18 bewirkt
wird. Insbesondere dadurch steht das erste Federelement 18 etwas über die
Gleitfläche 17 des äußeren Rollbahnkörpers 26 hinaus,
wenn das Wälzlager 8 noch
nicht in die Aussparung 30 eingebracht ist. Beim Einbringen
des Wälzlagers 8 in
die Aussparung 30 des Gehäuseteils 4 erfolgt
dann eine Vorspannung des Federelementes 18 in der radialen
Richtung 20. Entsprechend ist eine Breite 33 der
Nut 29 kleiner als eine Breite oder ein Durchmesser des
zweiten Federelementes 19, um das Federelement 19 vorzuspannen.
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3 zeigt
den in 2 mit III bezeichneten Ausschnitt eines Elektromotors 1 mit
einem Lagersystem gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel
sind weder an dem inneren Rollbahnkörper 25 noch an dem äußeren Rollbahnkörper 26 Nuten
vorgesehen. Allerdings sind an dem Gehäuseteil 4 des Gehäuses 3, 4 des
Elektromotors 1 im Bereich der Aussparung 30 des
Gehäuseteils 4 und
der Gleitfläche 17 des äußeren Rollbahnkörpers 26 des
Wälzlagers 8 Nuten 36, 37 vorgesehen,
die in Bezug auf die Drehachse 10 der Welle 5 umlaufend
ausgestaltet sind. Die Nuten 36, 37 sind somit
jeweils zylinderringförmig
ausgebildet. In die Nut 36 ist das erste Federelement 18 zumindest
teilweise eingesetzt und in die Nut 37 ist das zweite Federelement 19 zumindest
teilweise eingesetzt. Eine Breite 38 der Nut 36 ist
kleiner als eine Breite oder ein Durchmesser des Federelementes 18,
sofern sich das Federelement 18 außerhalb der Nut 36 im
entspannten Zustand befindet. Beim Einbringen des Federelementes 18 in
die Nut 36 erfolgt eine Vorspannung des Federelementes 18,
so dass insbesondere dadurch ein Überstehen des Federelementes 18 über die
Aussparung 30 des Gehäuseteils 4 bewirkt
ist. Beim Einbringen des Wälzlagers 8 in
die Aussparung 30 wird das Federelement 18 zumindest teilweise
in die Nut 36 gedrückt.
Somit ist das Federelement 18 im montierten Zustand des
Wälzlagers 8 in
der radialen Richtung 20 vorgespannt. Entsprechendes gilt
für die
Nut 37 des Gehäuseteils 4 und das
in der Nut 37 vorgesehene zweite Federelement 19.
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4 zeigt
den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt eines Elektromotors 1 mit
einem Lagersystem 2 gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel der
Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist der äußere Rollbahnkörper 26 im
Bereich der Fläche 14 in
die Aussparung 30 des Gehäuseteils 4 eingepresst,
so dass der äußere Rollbahnkörper 26 bezüglich des
Gehäuseteils 4 des
Elektromotors 1 nicht verschiebbar ist. Ferner ist zwischen
dem inneren Rollbahnkörper 25 im
Bereich einer Gleitfläche 17 ein Schiebesitz
bezüglich
der Welle 5 ausgebildet. In diesem Fall ist die Anstellfeder 16 bezüglich des Wälzlagers 8 auf
der Seite der Welle 5 angeordnet, wobei die Anstellfeder 16 die
Welle 5 abschnittsweise umschließt und sich einerseits an einer
Schulter 39 der Welle 5 und andererseits an dem
inneren Rollbahnkörper 25 abstützt. Ferner
weist der innere Rollbahnkörper 25 des
Wälzlagers 8 Nuten 40, 41 auf,
in denen die Federelemente 18, 19 angeordnet sind.
Auf Grund der Vorspannung der Federelemente 18, 19 wird
der innere Rollbahnkörper 25 von
der Welle 5 mitgenommen, wobei eine gewisse axiale Verschiebbarkeit
gewährleistet
ist, die ausreicht, um beispielsweise temperaturbedingte Längenänderungen
der Welle 5 in Bezug auf die Gehäuseteile 3, 4 auszugleichen.
Ferner ist in der radialen Richtung 20 eine zumindest im
Wesentlichen spielfreie Lagerung der Welle an ihrem Ende 31 ermöglicht.
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5 zeigt
den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des Elektromotors 1 mit
dem Lagersystem 2 entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel der
Erfindung. Das in 5 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel
entspricht im Wesentlichen dem in 4 dargestellten
dritten Ausführungsbeispiel.
Allerdings weist weder der innere Rollbahnkörper 25 noch der äußere Rollbahnkörper 26 des
Wälzlagers 8 eine
Nut auf. Allerdings weist die Welle 5 an ihrem Ende 31 im
Bereich der Gleitfläche 17 des
inneren Rollbahnkörpers 25 Nuten 42, 43 auf,
in denen die Federelemente 18, 19 angeordnet sind.
Die an der Welle ausgebildeten Nuten 18, 19 weisen
dabei Breiten auf, die jeweils kleiner als eine Breite beziehungsweise
ein Durchmesser des entsprechenden Federelements 18, 19 sind,
so dass eine Vorspannung der Federelemente 18, 19 in
der radialen Richtung 20 bewirkt wird, wie es bereits oben
anhand der Ausführungsbeispiele
1 und 2 im Detail beschrieben ist. Entsprechendes gilt auch für das in 4 dargestellte dritte
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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6 zeigt
das erste Federelement 18 in einer auszugsweisen, teilweisen
geschnittenen Darstellung. Das Federelement 18 weist einen
spiralförmig
gebogenen Grundkörper 50 auf,
der einen zumindest näherungsweise
kreisförmigen
Querschnitt 51 aufweist. Ein Durchmesser 52 des
Federelements 18 ist durch die Krümmung des Grundkörper 50 in Bezug
auf eine Mittelachse 53 vorgegeben. Ferner ist das Federelement 18 so
gebogen, dass die Mittelachse 53 des Federelementes 18 zumindest
näherungsweise
auf einer Kreislinie liegt. Ein mittlerer Durchmesser 54 der
kreisförmig
gebogenen Mittelachse 53 des ersten Federelements 18 ist
an einen mittleren Durchmesser der Nut 28, der Nut 36,
der Nut 40 oder der Nut 42 angepasst. Um eine
zusätzliche
Vorspannung des Federelementes 18 zu bewirken, ist der
mittlere Durchmesser 54 vorzugsweise etwas kleiner als
der mittlere Durchmesser der Nut 28, der Nut 36,
der Nut 40 oder der Nut 42 gewählt.
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Um
das Federelement 18 als geschlossenen Ring auszubilden,
ist ein erstes Ende 55 des Federelementes 18 mit
einem zweiten Ende 56 des Federelementes 18 verbunden.
Bei der in der 6 dargestellten Ausgestaltung
ist das erste Ende 55 in das zweite Ende 56 eingesteckt,
wobei sich der Wicklungsdurchmesser des Federelementes 18 im
Bereich des ersten Endes 55 kontinuierlich verringert. Das
erste Ende 55 verhakt sich dabei in den Windungen des zweiten
Endes 56, wodurch eine formschlüssige Verbindung analog einer
Schraubverbindung gebildet ist. Um die Verbindung der beiden Enden 55, 56 weiter
zu verbessern, kann in einem oder mehreren der Bereiche 57A, 57B, 57C eine
Verbindung zwischen den Enden 55, 56 durch Löten oder Schweißen ausgebildet
werden.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel des
Federelementes 18 ist durch den Durchmesser 52 auch
die Breite des Federelementes 18 gegeben. Das zweite Federelement 19 ist
entsprechend dem ersten Federelement 18 ausgestaltet.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.