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Die
Erfindung richtet sich auf eine Wälzlageranordnung, insbesondere
im Rahmen einer (antreibbaren) Drehverbindung, vorzugsweise für
ein Haupt-, Blatt- und/oder Maschinenhauslager einer Windkraftanlage,
mit zwei konzentrisch zueinander sowie zumindest bereichsweise ineinander
angeordneten, ringförmigen Anschlußelementen,
sowie mit einem Spalt zwischen diesen Anschlußelementen,
so dass diese um eine gedachte, zur Ringebene etwa lotrechte Achse
im Zentrum der Anschlußelemente gegeneinander verdrehbar
sind, wobei im Bereich eines die Drehachse mit etwa konstantem Radius
umgebenden Spaltabschnittes zwischen den Anschlußelementen
wenigstens eine innerhalb einer Ebene kreisförmig in sich
geschlossene Laufbahn angeordnet ist für wenigstens eine
Reihe von zwischen den Anschlußelementen abrollenden Wälzkörpern
von jeweils rotationssymmetrischer Gestalt, wobei die Wälzkörper
einer Reihe durch einen Käfig in etwa äquidistanten
Abständen geführt werden, welcher wenigstens einen
etwa scheibenförmigen Bereich aufweist, der in eine rundumlaufende,
nutförmige Vertiefung im Bereich der Laufbahn eines Anschlußelements
eingelegt ist, und wobei der Käfig als Kamm ausgebildet
ist, mit einer Mehrzahl von Abstandsstücken, welche entlang
eines Rückenbereichs einfach zusammenhängend miteinander
verbunden sind, und mit jeweils einer zwischen benachbarten Abstandsstücken
angeordneten Tasche zur Aufnahme je eines vorzugsweise kugelförmigen
Wälzkörpers, wobei sich die Öffnung einer
Tasche durchgehend in der Oberseite des Käfigs über
dessen dem Rückenbereich gegenüber liegenden Rand
bis in dessen Unterseite erstreckt, ferner auf eine mit wenigstens
einem solchen Wälzlager ausgerüstete Windkraftanlage.
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Wälzlager
bzw. damit versehene, ggf. antreibare Drehverbindungen, gelangen
vielerorts zum Einsatz. Großwälzlager, bspw. mit
einem Laufbahndurchmesser von 1000 mm oder mehr, finden u. a. Anwendung
bei Windkraftanlagen, vorzugsweise bei Windkraftanlagen mit einem
einen oder mehrere Flügel aufweisenden Windrad, dessen
Drehachse während des Betriebs etwa parallel zur Windrichtung
eingestellt ist. Insbesondere bei der Lagerung der Blätter
und des gesamten Maschinenhauses, aber auch als Hauptlager bzw.
Rotorlager zur Lagerung der Nabe einer Windkraftanlage vertraut
man auf derartige Großwälzlager, welche in der
Lage sind, bei geeigneter Dimensionierung alle auftretenden Axial- und
Radialkräfte und Kippmomente aufzunehmen. Bei manchen derartigen
Anwendungen, bspw. bei Blattlagerungen, werden vorgespannte, d.
h. spielfreie Laufbahnen eingesetzt. Ein Vorteil davon ist eine
verbesserte Lastverteilung im Laufbahnsystem und damit eine verbesserte
Lebensdauer. Häufig wird dabei ein Wälzlager der
Bauform Vierpunktlager eingesetzt, also ein Lager mit kugelförmigen
Wälzkörpern sowie mit jeweils zwei Laufbahnen,
welche derart gestaltet sind, dass jede Kugel zwei Berührungspunkte
mit jeder Laufbahn aufweist. Solche Lager lassen sich leicht mit
einer Vorspannung versehen. Jedoch kommt es insbesondere bei derartigen Vierpunktlagern
unter kombinierter Belastung im Laufbahnsystem (Axial- und Radialkräfte
und Kippmomente) zu unterschiedlichen Kontaktwinkeln zwischen einer
Kugel und einer Laufbahn; darüber hinaus kann sich sogar – je
nach Lastkombination und Position eines einzelnen Wälzkörpers – anstelle
eines Vierpunktkontaktes ein Zweipunktkontakt ergeben. Solche Verlagerungen
der Kontaktpunkte einzelner Wälzkörper können
deren Position relativ zu benachbarten Kugeln verändern,
und um einer ungleichen Verteilung der Kugeln vorzubeugen, wird daher
bei vorgespannten Vierpunktlagern häufig ein Käfig
eingesetzt, um die Kugeln auf gleichen Abständen zu halten.
Allerdings erfordert ein Käfig eine größere
Spaltbreite als ein Wälzlager ohne Käfig, weil die
Verbindung zwischen den Abstandsstücken des Käfigs
aus Stabilitätsgründen eine Mindeststärke nicht
unterschreiten darf. Dadurch wird allerdings die erreichbare Tragfähigkeit
reduziert, weil der Kontaktbereich eines Wälzkörper
sich schneller und häufiger der Kante einer Laufbahn nähert.
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Daher
ist – bspw. in der
DE
33 00 655 A1 – schon vorgeschlagen worden, im
Bereich einer Laufbahn eine eigene Nut vorzusehen, in welcher einzelne
Käfigsegmente geführt sind, welche jeweils zwei Taschen
zur Aufnahme eines Wälzkörpers aufweisen. so dass
die Breite des Spalts zwischen den beiden ringförmigen
Anschlußelementen trotz Verwendung eines Käfigs
gegenüber einer Ausführungsform mit voneinander
getrennten Zwischenstücken anstelle eines Käfigs
nicht gesteigert werden muß. Ein Nachteil ist jedoch, dass
anstelle eines einzigen Käfigs eine große Anzahl
von kleinen Käfigsegmenten verwendet werden müssen
mit jeweils nur zwei Aufnahmetaschen für Wälzkörper,
was gerade bei Großwälzlagern in der Größenordnung
mit einem Durchmesser von etwa 1000 mm oder mehr zu einem großen
Aufwand bei der Montage führt. Mehr noch, nur lose aneinandergesetzte
Käfigsegemente können bei vorgespannten Lagern
weitere Probleme aufwerfen, weil dadurch – unter den erheblichen
Kräften, welche während des Betriebs auf ein Großwälzlager bspw.
in einer Windkraftanlage einwirken – trotz bester Bemühungen
Verschiebungen zwischen den einzelnen Käfigsegmenten auftreten
können, wodurch einzelne Wälzkörper geklemmt
werden können und sodann einem erhöhten Verschleiß unterliegen.
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Aus
den Nachteilen des beschriebenen Standes der Technik resultiert
das die Erfindung initiierende Problem, eine gattungsgemäße
Wälzlageranordnung mit einem Käfig derart weiterzubilden,
dass die Montage des Käfigs möglichst einfach
ist; darüber hinaus soll gewährleistet sein, dass
alle Wälzkörper auf jeweils gleichen Abständen
gehalten werden, ohne geklemmt zu werden.
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Die
Lösung dieses Problems gelingt dadurch, dass der Käfig
an wenigstens einer Stelle vollständig unterbrochen und
aus einem federelastischen Material ausgebildet ist, so dass er
innerhalb der Fläche, insbesondere Ebene, des etwa scheibenförmigen
Bereichs elastisch auf- und/oder zusammenbiegbar ist.
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Vorzugsweise
ist ein Käfig nur ein einziges Mal unterbrochen und damit
insgesamt einstückig bzw. einfach zusammenhängend.
Es ist allerdings möglich, diesen evtl. bei besonders großen
Wälzlagern auch zweimal oder mehrmals zu unterteilen, jedoch
möglichst nicht häufiger als bspw. fünfmal,
vorzugsweise nicht häufiger als viermal, insbesondere nicht
häufiger als dreimal. Das federelastische Material ist
in der Lage, seinen Biegeradius zu verändern, um sich dadurch
optimal und mit geringstem Aufwand in eine Nut einlegen zu lassen,
wobei es zunächst zwangsweise verformt wird, um über
die Stirnseite eines ringförmigen Anschlußelements
bis zu dessen Laufbahn gestreift zu werden; erst innerhalb der dafür
vorgesehenen Nut entspannt sich der Käfig wieder und federt
dabei wieder in Richtung seiner ursprünglichen Gestalt
zurück.
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Es
hat sich als günstig erwiesen, dass der Käfig
aus einem Metall besteht, bspw. Stahl, vorzugsweise Federstahl oder
Vergütungsstahl. Ein solches Material hat insbesondere
eine hohe Druckfestigkeit, um sich gegenüber den hohen
Kräften innerhalb eines Wälzlagers behaupten zu
können.
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Bevorzugt
sind vier, mehr oder alle Abstandsstücke des Käfigs
miteinander verbunden, so dass drei, mehr oder alle Taschen zur
Aufnahme je eines Wälzkörpers miteinander verbunden
sind. Da gerade die Stoßstellen zwischen nicht zusammenhängenden
Käfigsegmenten zu Verschiebungen innerhalb des Lagers führen
können, sollten dieselben so weit als möglich
vermieden werden.
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Der
Käfig sollte derart gestaltet sein, dass sich bei einer
Veränderung des Abstandes zwischen den Stirnseiten zweier
benachbarter Abstandsstücke deren Stirnseiten nicht verformen,
insbesondere deren obere und untere Kanten nicht gegeneinander verschieben.
Nur dadurch ist gewährleistet, dass die Wälzkörper
auch bei Verformungen des Rings – bspw. infolge von Wärmeausdehnungen – nicht
geklemmt werden.
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Eine
bevorzugte Maßnahme zur Erzeugung einer hohen Scherfestigkeit
innerhalb des Käfigs besteht darin, diesen nur aus einer
einzigen (Material-) Lage anzufertigen. Somit könnten allenfalls
makroskopische Verformungen des Materials selbst zu Klemmungen führen,
was indes – insbesondere bei Ausführung des Käfigs
aus Metall – nicht zu befürchten ist.
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Es
liegt im Rahmen der Erfindung, dass wenigstens ein Abstandsstück
eine größere Höhe aufweist als der Rückenbereich
des Käfigs. Dadurch ist es möglich, eine Kugel
großflächig zu umfangen; diese kann dadurch stets
mit einem nur geringen Oberflächendruck und also äußerst
sanft und verschleißfrei auf die jeweils gewünschte
Position gezwungen werden.
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Alle
Taschen des Käfigs sollten an der dem Rückenbereich
gegenüberliegenden Längsseite des Käfigs
offen sein. Dadurch ergibt sich einerseits eine gute Biegsamkeit
des Käfigs, weil die Taschen sich ggf. öffnen
bzw. verengen können; andererseits können somit
alle Taschen von der selben Seite bzw. Laufbahn her mit Wälzkörpern
befüllt werden, also durch ein und die selbe Einfüllöffnung.
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Erfindungsgemäß verfügt
der Käfig über wenigstens eine Soll-Biegefläche,
vorzugsweise in seinem Rückenbereich. Es kann sich hierbei
vorzugsweise um eine Querschnittsverengung des Käfigs handeln,
wo – dank etwa homogener Materialeigenschaften des Käfigs – dessen
Biegefestigkeit herabgesetzt ist.
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Wenigstens
eine Soll-Biegefläche verläuft bevorzugt quer
zu der Umfangsrichtung des Wälzlagers und folgt dabei etwa
einer Linie geringsten Querschnitts durch denselben.
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Wenigstens
eine solche Soll-Biegefläche kann im Bereich (je) eines
Abstandsstücks vorgesehen sein, weil die Abstandsstücken
gerade zwischen zwei benachbarten Wälzkörpern
liegen und daher bei einer Verformung in diesem Bereich – bspw.
infolge einer Überdehnung während der Montage – keine Klemmung
eines Wälzkörpers ausgelöst wird.
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Die
Erfindung empfiehlt, wenigstens eine Soll-Biegefläche als
Einkerbung des Käfigs auszubilden, insbesondere in der
Stirnseite des Rückenbereichs. Damit erhält der
Käfig bewußt Schwächungslinien, wo er
sich bei einer Überlastung verformen kann, ohne dass dadurch
jedoch seine Funktionstüchtigkeit beeinträchtigt
würde.
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Die
maximale Tiefe wenigstens einer Einkerbung sollte etwa der minimalen
Breite des Rückenbereichs am Grund einer Tasche entsprechen.
Der Rückenbereich kann an den Einkerbungs-Stellen vollständig
unterbrochen sein, so dass der Käfig an diesen Stellen
nur über die Abstandsstücke zusammenhängt.
Dadurch ergibt sich eine sehr hohe Biegefähigkeit des Käfigs
im Bereich der Abstandsstücke. Zwar sind dieselben auf
ihrer vertikalen Mittel- oder Symmetrieebene kaum verformbar, wohl
aber direkt daneben, also etwa im oder am Fußbereich der
beiden Flanken eines Abstandsstücks.
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Ferner
sollte eine Einkerbung den Rückenbereich des Käfigs
von dessen Oberseite bis zu dessen Unterseite durchsetzen, so dass
er über den gesamten Rückenquerschnitt gleichermaßen
biegsam ist und lokale Überbeanspruchungen vermieden werden.
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Es
liegt im Rahmen der Erfindung, dass wenigstens eine Einkerbung abgerundete
Kanten aufweist, vorzugsweise an den Kanten mit einem vertikalen
Verlauf, bezogen auf die Grundfläche des Wälzlagers,
insbesondere im Bereich des Übergangs zwischen den Flanken
der Einkerbung, also am Grund der Einkerbung, und/oder jenseits
ihrer beiden Flanken, also beim Übergang in den anschließenden Rückenbereich.
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Vorzugsweise
werden die Wälzkörper von dem Käfig dort
umgriffen, wo während ihres Abrollens ihre Umfangsgeschwindigkeit
am höchsten ist, vorzugsweise also etwa im Bereich ihres Äquators. Insbesondere
bei einer solchen Ausführung liegt die den Käfigrücken
führend aufnehmende Nut etwa mittig in der Laufbahn des
betreffenden Anschlußrings, also etwa auf der halben Höhe
der Laufbahn. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass die Wälzkörper
auf ihrer Symmetrieebene umgriffen werden und also keine Radialkräfte
mit dem Käfig austauschen, der dadurch kein Biegemoment
quer zu seiner Längsrichtung erfährt.
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Es
genügt, wenn die Wälzkörper höchstens auf
270° ihres Umfangs umgriffen werden, beispielsweise nur
auf 230° ihres Umfangs oder weniger, vorzugsweise nur auf
190° oder weniger, insbesondere nur auf etwa 180° ihres
Umfangs. Die Abstandselemente des Käfigs sollten nicht
zu lange sein, weil ihre freien Enden während einer Biegung
sich am stärksten bewegen, wodurch sich deren Abstand in
erheblichem Maß ändern kann. Insbesondere eine
inelastische Verformung einzelner Käfigabschnitte – bspw. während
der Montage – könnte daher zu einem Verklemmen
einzelner Wälzkörper führen. Solchem kann
vorgebeugt werden, wenn die Länge der Abstandsstücke
etwa lotrecht zu dem Käfigrücken, also in radialer
Richtung bezogen auf die Drehachse eines Radiallagers, nur etwa
dem (maximalen) Radius eines Wälzkörpers entspricht,
also die Wälzkörper nur bis zu zwei einander etwa
diametral gegenüberliegenden Oberflächenbereichen
umgriffen werden.
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Wenn – wie
die Erfindung weiterhin vorsieht – die Innenseite wenigstens
einer Tasche zur Aufnahme je eines Wälzkörpers
etwa auf Höhe des Rückenbereichs des Käfigs
zumindest bereichsweise eine konkave Wölbung parallel zur
Ebene des Wälzlagers aufweist, so kann eine solche Hohl-Wölbung
optimal an die konvexe Oberflächenwölbung eines
Wälzkörpers angepaßt werden, so dass
in dem umgriffenen Bereich jeweils nur ein sehr kleiner Spalt zwischen Wälzkörper
und Käfigtasche verbleibt, mithin die Wälzkörper
in eng tolerierten Abständen geführt werden.
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Weitere
Vorzüge erhält man dadurch, dass der konkav gewölbte
Bereich etwa einem Halbkreis folgt oder einem kleineren Kreisbogensegment.
Dies ermöglicht es, die Kugeln von der offenen Seite einer Tasche
in diese einzusetzen, insbesondere nach Zusammenbau des Wälzlagers,
bspw. durch einen Einfüllkanal.
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Das
nachträgliche Befüllen des Käfigs mit Wälzkörpern
wird insbesondere auch dadurch begünstigt, dass nach Einsetzen
des Käfigs in die dafür vorgesehene Nut der Radius
des konkav gewölbten Bereichs innerhalb der Fläche,
insbesondere Ebene, des Rückenbereich des Käfigs
gleich oder größer ist als der äquatoriale
Wölbungsradius des in der betreffenden Tasche aufgenommenen
Wälzkörpers. Somit können die Wälzkörper
ohne Gefahr des Klemmens eingesetzt werden.
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Die
Erfindung eignet sich besonders für Wälzlager,
deren Wälzkörper eine doppelt gewölbte, insbesondere
doppelt konvex gewölbte Mantelfläche oder Oberfläche
aufweisen, vorzugsweise für kugelförmige Wälzkörper,
insbesondere im Rahmen eines Vierpunktlagers.
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Im
Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform kann weiter vorgesehen
sein, dass die Innenseite wenigstens einer Tasche zur Aufnahme je
eines Wälzkörpers zumindest bereichsweise eine
doppelte, d. h. in zwei zueinander rechtwinkligen Richtungen, konkave
Wölbung aufweist. Damit lassen sich insbesondere kugelförmige
Wälzkörper flächig umgreifen, so dass
eine Justierung der Wälzkörper in gleichen Abständen
mit einer geringstmöglichen Flächenpressung erfolgen
kann und damit lokale Überlastungen des Käfigs
ausgeschlossen sind.
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Dieser
Erfindungsaspekt läßt sich dahingehend weiterbilden,
dass der doppelt konkav gewölbte Bereich einer Tasche etwa
der Oberfläche einer Halbkugel folgt bzw. zweier voneinander
beabstandeter Viertelkugeln oder einem bzw. zwei kleineren Oberflächensegment(en)
einer Hohlkugel. Damit ist ein Kompromiß gefunden zwischen
einer maximalen Umschließung eines kugelförmigen
Wälzkörpers einerseits und einer ausreichend bemessenen Öffnung,
um ein nachträgliches Einsetzen der Kugel zu ermöglichen.
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Daraus
folgt, dass eine oder vorzugsweise beide, je nach Drehrichtung des
Wälzlagers vorderen oder rückwärtigen
Seiten eines Abstandsstücks je einem Oberflächensegment
einer Hohlkugel folgen, vorzugsweise etwa je einem Viertel der Oberfläche einer
Hohlkugel oder einem kleineren Teil derselben. Dabei ergibt sich
bei einem symmetrischen Aufbau der die Wälzkörper
aufnehmenden Taschen bezüglich einer mittig zwischen zwei
Abstandsstücken verlaufenden vertikalen Ebene eine Anordnung
mit zwei zueinander symmetrischen, doppelt konkav gewölbten
Flanken eines Abstandsstücks an dessen Vorder- und Rückseite,
bezogen auf die jeweilige Drehrichtung.
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Eine
erfindungsgemäße Wälzlageranordnung kann
durchaus zwei oder mehrere Wälzkörperreihen aufweisen,
welche in axialer Richtung des Lagers gegeneinander versetzt sind.
Vorzugsweise sind dabei in allen Wälzkörperreihen
erfindungsgemäße Käfige eingefügt.
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Eine,
mehrere oder alle Wälzkörperreihen können
dabei nach Art eines Vierpunktkugellagers gestaltet sein, insbesondere
nach Art eines vorgespannten Vierpunktkugellagers. Ein erfindungsgemäßer
Käfig ist in der Lage, die bei der Justierung deraartig
vorgespannter Wälzkörper erforderlichen Kräfte
ohne Verformung aufzubringen.
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Die
Erfindung sieht weiterhin vor, dass der Spalt zwischen den beiden
Ringen an einer oder vorzugsweise an beiden Stirnseiten des Wälzlagers
abgedichtet ist, um das Eindringen von Fremdkörpern, welche
die Laufbahnen, Kugeln und/oder den Käfig beschädigen
könnten, zu vermeiden.
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Durch
eine beidseitige Abdichtung ist es außerdem möglich,
dass der Spalt zwischen den beiden Ringen, insbesondere innerhalb
der beiden stirnseitigen Abdichtungen, mit einem Schmiermittel,
insbesondere mit Schmierfett, gefüllt ist. Da das Schmiermittel
nicht entweichen kann, lassen sich die Nachschmierintervalle sehr
lange wählen, was gerade bei Windkraftanlagen, ggf. sogar
im Off-Shore-Bereich, besonders vorteilhaft ist.
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Weitere
Vorteile bietet ein von einer Stirn- oder Mantelseite bis zur Laufbahn
reichender Füllkanal in einem ringförmigen Anschlußelement
zum Einfüllen von Wälzkörpern, insbesondere
Kugeln. Besonders bewährt hat es sich, den Füllkanal
in einem ringförmigen Anschlußelement ohne eine
Nut zur Aufnahme des Käfigrückens anzuordnen,
um die Wälzkörper von der offenen Seite in eine
Tasche des Käfigs einsetzen zu können. Ein solcher
Füllkanal kann vorzugsweise in eine dem Spalt gegenüber
liegende Mantelfläche des betreffenden Anschlußelements
münden, so dass er gerade, d. h. parallel zu der Grundebene
des Lagers, verlaufen kann.
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Ferner
sollte(n) ein oder vorzugsweise beide ringförmigen Anschlußelemente
kranzförmig verteilte Befestigungsmittel zum Anschluß an
ein Chassis, Maschinen- oder Anlagenteil aufweisen, vorzugsweise
kranzförmig verteilte Bohrungen lotrecht zu einer Stirnseite.
Nur durch eine solche Anordnung können die oftmals großen,
zwischen den aneinander gelagerten Anlagenteilen auftretenden Kräfte
von einem erfindungsgemäßen Lager sicher aufgenommen werden.
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Die
Erfindung läßt sich dahingehend weiterbilden,
dass wenigstens eines der ringförmigen Anschlußelemente
eine rundumlaufende Zahnreihe aufweist, insbesondere an einer dem
Spalt gegenüber liegenden Mantelfläche. An einer
solchen, rundumlaufenden Zahnreihe können Drehmomente in
die Drehverbindung eingeleitet oder von dort abgegriffen werden,
bspw. um einen vorgegebenen Drehwinkel gezielt anzufahren und/oder
stabil zu halten, und oder die Drehverbindung anzutreiben.
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Zur
Drehverstellung der beiden ringförmigen Anschlußelemente
gegeneinander sieht die Erfindung ferner einen Drehantrieb vor,
insbesondere einen oder mehrere Elektro- oder Hydraulikmotoren.
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Dabei
kann ein solcher Drehantrieb über (je) ein mit einer rundumlaufenden
Zahnreihe eines ringförmigen Anschlußelements
kämmendes Ritzel, Zahnrad, Schnecke od. dgl. mit dem betreffenden Anschlußelement
gekoppelt und an dem anderen ringförmigen Anschlußelement
oder einem damit verbundenen Gehäuse- oder Chassisteil
festgelegt sein.
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Ein
erfindungsgemäßes Wälzlager findet bevorzugt
Verwendung als Rotor- bzw. Hauptlager einer Windkraftanlage, und/oder – insbesondere
in Form eines Drehantriebs mit einem innen oder außen verzahnten
Anschlußring – als Blattlager einer Windkraftanlage,
und/oder als Maschinenhauslager einer Windkraftanlage.
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Eine
erfindungsgemäße Windkraftanlage zeichnet sich
aus durch ein Rotor- bzw. Hauptlager, welches nach den oben erläuterten
Kriterien ausgebildet ist, und/oder durch wenigstens ein derart
aufgebautes Blattlager, und/oder durch ein ebenso aufgebautes Maschinenhauslager.
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Weitere
Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der
Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung.
Hierbei zeigt:
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1 einen
Querschnitt durch die Ringe eines erfindungsgemäßen
Wälzlagers;
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2 den
Außenring des Wälzlagers aus 1,
in einer perspektivischen Ansicht sowie teilweise abgebrochen, sowie
einen darin geführten Käfig mit einer Mehrzahl
von Taschen zur Aufnahme je eines Wälzkörpers,
wobei in eine Tasche beispielhaft ein Wälzkörper
eingelegt ist;
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3 den
Käfig des Wälzlagers aus 1 und 2 in
einer perspektivischen Darstellung, sowie weitgehend gerade gebogen.
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4 eine
vergrößerte Darstellung eines Details aus 2;
sowie
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5 eine
perspektivische Darstellung eines Käfigs gemäß einer
anderen Ausführungsform der Erfindung.
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Das
in der Zeichnung beispielhaft wiedergegebene Wälzlager 1 dient
der verdrehbaren Verbindung eines ersten Anlagen- oder Maschinenteiles
mit einem Fundament oder einem zweiten Anlagen- oder Maschinenteil.
Zu diesem Zweck verfügt das Wälzlager 1 über
zwei ringförmige Anschlußelemente 2, 3.
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Der
Schnitt durch das Wälzlager 1 gemäß 1 läßt
dessen inneren Aufbau erkennen. Man erkennt die typische Struktur
eines Radiallagers, wobei ein erstes Anschlußelement 2 als
ebener Außenring ausgebildet ist, der in 1 links
zu sehen ist, während das zweite Anschlußelement 3 als
konzentrisch innerhalb des Außenrings 2 angeordneter
Innenring 3 ausgebildet ist, in 1 rechts.
Die beiden Anschlußelemente 2, 3 haben
jeweils einen etwa rechteckigen Querschnitt. Zwischen der Innenmantelfläche 4 des äußeren
Anschlußelements 2 und der Außenmantelfläche 5 des
inneren Anschlußelements 3 existiert ein enger
Spalt 6 mit einem etwa vertikalen Verlauf und einer konstanten,
geringen Breite, so dass die beiden Anschlußelemente 2, 3 um
eine Achse im Zentrum der Ringe 2, 3 lotrecht
zur Lagergrundebene gegeneinander verdrehbar sind.
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Bei
einer derartigen Relativverdrehung bleiben die beiden Anschlußelemente 2, 3 exakt
konzentrisch zueinander ausgerichtet dank einer Vielzahl von Wälzkörpern 7,
welche innerhalb des Spaltes 6 zwischen den beiden Anschlußelementen
angeordnet sind. Diese Wälzkörper 7 haben
jeweils eine kugelförmige Gestalt und wälzen sich
zwischen zwei Laufbahnen 8, 9 ab, von denen eine 8 in
der Innenmantelfläche 4 des äußeren
Anschlußelementes 2 angeordnet ist und die andere 9 in
der Außenmantelfläche 5 des inneren Anschlußelements 3.
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Die
beiden Laufbahnen 8, 9 haben jeweils einen etwa
halbkreisförmigen Querschnitt, der jedoch von dem Kugelquerschnitt
minimal abweicht; bspw. kann der Radius des Laufbahnquerschnitts
minimal größer sein als der Radius des Kugelquerschnitts.
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Nach
Art eines einreihigen Vierpunktlagers hat jeder Wälzkörper 7 daher
mit jeder der beiden Laufbahnen 8, 9 jeweils zwei
nahezu punktförmige Kontaktbereiche, welche jeweils etwa
unter einem Winkel von ±45°, vom Zentrum eines
kugelförmigen Wälzkörpers 7 aus
gesehen, zu finden sind; allerdings können sich diese Kontaktbereiche
im Fall einer Belastung des Wälzlagers 1 in verschiedenen Richtungen
verschieben.
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Bevorzugt
ist das Lager außerdem vorgespannt, d. h. spielfrei. Die
kugelförmigen Wälzkörper 7 und/oder
die Laufbahnen 8, 9 sind dabei jeweils minimal
elastisch verformt.
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Ferner
ist der Spalt 6 im Bereich seiner Mündungen an
den beiden Lagerstirnseiten 10, 11 durch je eine
Dichtung 12, 13 verschlossen. Der solchermaßen
nach außen abgeschlossene Spalt 6 ist mit einem
Schmiermittel gefüllt, insbesondere mit Schmierfett.
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Wie 1 weiter
zu entnehmen ist, weisen beide ringförmigen Anschlußelemente 2, 3 jeweils eine
größere Anzahl von kranzförmig verteilte
Befestigungsmittel auf, insbesondere in Form von Befestigungsbohrungen 14, 15,
welche wahlweise als von einer Lagerstirnseite 10, 11 eingebrachte
Sacklochbohrungen ausgeführt sein können und/oder
als das betreffende Anschlußelement 2, 3 zwischen
dessen beiden Lagerstirnseiten 10, 11 vollständig
durchsetzende Durchgangsbohrungen, wie in 1 dargestellt.
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Solche
Befestigungsbohrungen 14, 15 dienen zum Einschrauben
bzw. Durchstecken von Maschinenschrauben, welche gleichzeitig an
einem Maschinen- oder Anlagenteil verankert werden.
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Ferner
könnte an einer der beiden, dem Spalt 6 abgewandten
Mantelflächen 16, 17 der beiden Anschlußelemente 2, 3 eine
Verzahnung vorgesehen sein, mit der ein bspw. angetriebenes Ritzel, Zahnrad,
Schnecke od. dgl. In Eingriff gebracht sein könnte, während
das Gehäuse eines solchen Antriebs vorzugsweise an dem
jeweils anderen Anschlußelement 2, 3 festlegbar
wäre.
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Etwa äquidistante
Positionen der Wälzkörper 7 entlang der
Laufbahnen 8, 9 werden möglichst konstant
gehalten durch einen Käfig 18, der in 3 isoliert
wiedergegeben ist.
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Ein
solcher Käfig 18 besteht bevorzugt aus einem federelastischen
Material, bspw. aus Federstahl, und kann dadurch ohne Beschädigung
und ohne bleibende Verformung gebogen werden.
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Er
ist überdies an mindestens einer Stelle unterbrochen und
hat daher die Gestalt eines Bandes mit zwei Enden 19, 20,
ist also nicht endlos. Aufgrund dieser beiden Maßnahmen
muß der Käfig 18 nicht dem Laufbahndurchmesser
des Wälzlagers 1 entsprechend vorgebogen sein,
sondern kann ggf. als gerade gestrecktes Teil hergestellt, insbesondere aus
einem (Metall-)Blech oder (Metall-)Band ausgestanzt oder mit einem
Laser ausgeschnitten werden. Der Käfig könnte
auch mit einer genormten Krümmung vorgebogen sein und wäre
dennoch für eine Vielzahl von Wälzlagern 1 verwendbar,
unabhängig von deren exakten Laufbahndurchmesser; er könnte hierzu
ggf. auch nach Bedarf um bestimmte Maße gekürzt
werden.
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In 3 ist
der prinzipielle Aufbau des Käfigs 18 zu erkennen:
Er hat die Gestalt eines flachen Bandes, in welches von beiden ursprünglich
bspw. geraden oder konzentrisch zu einem gemeinsamen Mittelpunkt
verlaufenden beiden schmalen Längsseiten 21, 22 regelmäßig
wiederkehrende Ausnehmungen 23, 24 eingeschnitten
sind.
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Von
einer Längsseite 21 her sind größere Ausnehmungen 23 eingeschnitten
mit einer etwa halbkreisförmigen Grundfläche,
deren Radius etwa dem Radius einer Kugel 7 entspricht oder
minimal größer ist als jener; diese Ausnehmungen 23 dienen als
Taschen zur Aufnahme je eines kugelförmigen Wälzkörpers 7.
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Von
der gegenüberliegenden Längsseite 22 her
sind kleinere Ausnehmungen 24 eingeschnitten; diese Einkerbungen 24 dienen
zur lokalen Herabsetzung der Steifigkeit des Käfigs 18 und
können bei Bedarf als Soll-Biegeflächen dienen.
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Vorzugsweise
befinden sich die Einkerbungen 24 jeweils auf der Symmetrielinie
zwischen zwei benachbarten Taschen-Ausnehmungen 23. Da
die Mittelpunkte der Taschen-Ausnehmungen 23 einen (geringfügig)
größeren Abstand aufweisen im Verhältnis
zur Breite einer Taschen-Ausnehmung 23, verbleibt eben
auf der Symmetrielinie zwischen zwei benachbarten Taschen-Ausnehmungen 23 eine
Erhebung, welche als Abstandsstück 25 zwischen
zwei benachbarten Wälzkörpern 7 dient,
um einen direkten Kontakt derselben zu vermeiden und stattdessen einen
gleichbleibenden Abstand zwischen diesen zu gewährleisten.
Die freie Stirnseite eines derartigen Abstandsstücks 25 kann
abgerundet sein, und/oder abgerundete Kanten aufweisen.
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Da
das Käfig-Band 18 breiter ist als die Tiefe einer
Taschen-Ausnehmung 23, bzw. vorzugsweise breiter als der
Radius einer darin aufgenommenen Kugel 7, und auch breiter
als die Tiefe einer Einkerbung 24, hängen die
Abstandsstücke 25 an der den Taschen 23 gegenüber
liegenden Längsseite 22 einfach zusammen; es ergibt
sich eine kammartige Struktur, wobei die Kammzinken den Abstandsstücken 25 entsprechen
und der Kammrücken oder Käfigrücken 26 dem
Käfigbereich nahe dessen durch die Einkerbungen 24 nur
wenig gezinkter Längsseite 22 zuzuordnen ist.
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Der
Käfig 18 wird nicht, wie zumeist üblich, nach
Art eines Zylindermantels gebogen und in den Spalt 6 des
Wälzlagers 1 eingesetzt; statt dessen wird der
Käfigrücken 26 innerhalb einer Ebene
nach Art einer Kreisringscheibe gebogen und in eine rundumlaufende
Nut 27 eingelegt, welche in einer Laufbahn 8, 9,
im dargestellten Fall in der Laufbahn 8 des radial äußeren
Anschlußelements 2, eingearbeitet ist. Da sich
diese Nut 27 (etwa) auf halber Höhe der Laufbahn 8 befindet
und dieselbe dadurch in zwei (etwa) gleich große Hälften
mit jeweils etwa viertelkreisförmigem Querschnitt unterteilt,
erstreckt sich der darin eingelegte, ebene Käfig 18 auf
Höhe der Mittelpunkte der kugelförmigen Wälzkörper 7.
Die freien Enden der Abstandsstücke 25 liegen
etwa auf einer Kreislinie, welche gleichzeitig durch die Mittelpunkte aller
kugelförmigen Wälzkörper 7 geht.
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Damit
sich der Käfig 18 leicht zu einem dem jeweiligen
Spalt- bzw. Laufbahndurchmesser entsprechenden Kreis biegen läßt,
ist auf der Symmetrielinie jedes Abstandskörpers 25 – dieser
gegenüber liegend – je eine Einkerbung 24 vorgesehen.
Die Tiefe jeder Einkerbung 24 entspricht etwa der minimalen Breite
des Käfigrückens 26 im Bereich des Grundes einer
Tasche 23, oder kann sogar größer sein
als jene. Die Einkerbungen 24 können etwa eine
V-förmige Grundfläche aufweisen, vorzugsweise
mit abgerundeten Kanten im Bereich des Einkerbungs-Grundes sowie
an den beiden Übergangsbereichen in die etwa gerade Längsseite 22 des
Käfigs 8.
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Eine
Einkerbung 24 kann derart gestaltet sein, dass ein von
dem Grund einer Einkerbung 24 und/oder von dem daran grenzenden
Bereich einer Flanke der Einkerbung 24 etwa radial zu dem
Mittelpunkt der angrenzenden Tasche 23 gelegter Schnitt durch
den Käfig 18 einen relativ kleinen oder gar den kleinsten
Querschnitt des Käfigs 18 aufweist, so dass dieser
aufgrund der dortigen Materialschwächung geneigt ist, sich
bei Bedarf an diesen Stellen zu biegen.
-
Selbst
wenn bei einer dortigen Biegung aufgrund einer lokalen Überlastung
eine bleibende Verformung zurückbliebe, so hätte
jenes kaum Auswirkungen auf die Funktionstüchtigkeit des
erfindungsgemäßen Käfigs 18,
weil dadurch die Grundfläche der angrenzenden Taschen 23 kaum
verändert wird und demzufolge ein darin aufgenommener Wälzkörper 7 nicht
geklemmt wird.
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In 5 ist
eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Käfigs 28 wiedergegeben.
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Der
Käfig 28 unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen
Käfig 18 vor allem in der Gestalt der Abstandsstücke 29,
während der in die Nut 27 einzulegende Käfigrücken 30 identisch
ist mit dem Käfigrücken 26 des Käfigs 18.
Auch ein horizontaler Längsschnitt entlang der mittigen
Hauptebene des Käfigs 28 ist identisch mit einem
entsprechenden Längsschnitt durch den Käfig 18.
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Jedoch
hat der Käfig 28 im Gegensatz zu dem Käfig 18 keine
flächige Gestalt mit einer gleichbleibenden Stärke,
sondern die Abstandsstücke 28 erstrecken sich über
die Ebene des Käfigrückens 30 zusätzlich
nach oben und nach unten auch in die dritte Dimension.
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Jedes
Abstandsstück 29 wird im wesentlichen von fünf
Flächen begrenzt und ist an der verbleibenden Seite mit
dem Käfigrücken 30 zusammengeformt.
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Entsprechend
der Querwölbung der Laufbahn 8 sind die Oberseite 31 haben
die Unterseite 32 eines Abstandsstücks 28 eine
dazu komplementäre Wölbung, so dass sie möglichst
reibungsfrei innerhalb der Laufbahn 8 gleiten können.
Der Querwölbungsdurchmesser der Abstandsstücken 28 kann
zu diesem Zweck geringfügig kleiner sein als der Querwölbungsradius
der Laufbahn 8. Ggf. können die Oberseite 31 und
die Unterseite 32 auch eine geringfügige Wölbung
in Längsrichtung des Käfigs 18 aufweisen,
etwa entsprechend der Längswölbung der Laufbahn 8.
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Vom
Käfigrücken 30 aus divergieren die Oberseite 31 und
die Unterseite 32 voneinander bis zu einer die freien Kanten
beider Flächen 31, 32 miteinander verbindenden
Stirnseite 33. Diese Stirnseite 33 folgt etwa
dem Verlauf des Spaltes 6 oberhalb und unterhalb der Laufbahn 8;
sie kann eben sein oder geringfügig gewölbt nach
Art einer Zylindermantelfläche, entsprechend dem zylindrisch
gewölbten Verlauf des Spaltes 6.
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Die
beiden, an die benachbarten Taschen 34 angrenzenden Flächen 35, 36 eines
Abstandsstücks 28 folgen jeweils einem Oberflächensegment
einer Hohlkugel; sie bilden das Pendant zu den in diesen Taschen 34 aufgenommenen,
kugelförmigen Wälzkörpern 7 und
sind etwa mit dem selben Radius wie jene doppelt gekrümmt,
allerdings nicht konvex, sondern konkav. Zum Grund der Tasche 34 hin
verjüngen sich diese Flächen 35, 36 bis
zu dem Querschnitt des Käfigrückens 30.
Sie setzen sich in diesem jedoch vorzugsweise ohne Stufe und ohne
Knick, d. h., stetig und differenzierbar, fort, bevorzugt in Form
eines Ausschnitts aus einer Zylindermantelfläche oder eines
Ausschnitts einer Hohlkugelfläche.
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Die
beiden, einander zugewandten Taschenbegrenzungsflächen 35, 36 benachbarter
Abstandsstücke 28 könnten auch direkt
ineinander übergehen, insbesondere wenn sich die Taschen 34 nicht
in die Nut 27 hinein erstrecken, also wenn deren Tiefe gleich
der Breite des Käfigs 28 abzüglich der
Tiefe der Nut 27 ist. Jedoch sollte zwischen den einander zugewandten
Taschenbegrenzungsflächen 35, 36 ein
etwa bis zur Ebene des Käfigrückens 30 reichender
Spalt etwa konstanter Breite verbleiben, damit der in der betreffenden
Tasche 34 aufgenommene Wälzkörper 7 genügend
Freiraum hat, um flächige Kontaktbereiche mit der Laufbahn 8 auszubilden.
Daher sind die Taschenbegrenzungsflächen 35, 36 jeweils
vorzugsweise etwas kleiner als ein Viertel der Oberfläche
einer Hohlkugel.
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Obzwar
bei der dargestellten Ausführungform die Nut 27 in
dem radial außen liegenden Anschlußelement 2 vorgesehen
ist, so könnte sie ebenso gut auch in dem radial innen
liegenden Anschlußelement 3 angeordnet sein. Die
Längsseite 22 des Käfigs 18, 28 bei
dem Käfigrücken 26, 30 würde
dann nicht konvex gebogen sein, sondern konkav.
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Zum
Befüllen der Taschen 23, 34 nach dem Zusammenbau
der Anschlußelemente 2, 3 dient wenigstens
ein verschließbarer Einfüllkanal, dessen Querschnitt
mindestens dem Querschnitt eines kugelförmigen Wälzkörpers 7 entspricht.
Vorzugsweise ist ein solcher Einfüllkanal in dem jeweils
nicht mit einer Nut 27 versehenen Anschlußelement 2, 3 vorgesehen;
er beginnt an der dortigen Laufbahn 8, 9 und mündet
in einem Oberflächenbereich des betreffenden Anschlußelements 2, 3 außerhalb
des Spalts 6, insbesondere jenseits der beiden Dichtungen 12, 13, vorzugsweise
an einer dem Spalt 6 abgewandten Mantelfläche 16, 17.
Falls eine dieser beiden Mantelflächen 16, 17 mit
einer rundumlaufenden Verzahnung versehen ist, bspw. zur Ankopplung
eines Drehantriebs, so empfiehlt es sich, die Nut 27 in
eben diesem gezahnten Anschlußelement 2, 3 anzuordnen, die
Einfüllöffnung(en) jedoch in dem jeweils anderen, nicht
gezahnten Anschlußelement 2, 3.
-
Dank
der Käfige 18, 28 werden die Wälzkörper 7 des
Wälzlagers 1 auch unter starken Belastungen stets
an etwa äquidistanten Relativpositionen geführt.
Mit solchen Käfigen 18, 28 ausgerüstete Wälzlager 1 können
daher auch in vorgespanntem Zustand betrieben werden, wobei die
kugelförmigen Wälzkörper 7 ständig
auf Druck belastet sind. Solche, hochbelastbaren Wälzlager 1 eignen
sich besonders für Windkraftanlagen, wo sie als Blattlager,
Rotorhauptlager und Maschinenhauslager Anwendung finden können.
-
- 1
- Wälzlager
- 2
- Außenring
- 3
- Innenring
- 4
- Innenmantelfläche
- 5
- Außenmantelfläche
- 6
- Spalt
- 7
- Wälzkörper
- 8
- Laufbahn
- 9
- Laufbahn
- 10
- Lagerstirnseite
- 11
- Lagerstirnseite
- 12
- Dichtung
- 13
- Dichtung
- 14
- Befestigungsbohrung
- 15
- Befestigungsbohrung
- 16
- Mantelfläche
- 17
- Mantelfläche
- 18
- Käfig
- 19
- Ende
- 20
- Ende
- 21
- Längsseite
- 22
- Längsseite
- 23
- Taschenausnehmung
- 24
- Einkerbung
- 25
- Abstandsstück
- 26
- Käfigrücken
- 27
- Nut
- 28
- Käfig
- 29
- Abstandsstück
- 30
- Käfigrücken
- 31
- Oberseite
- 32
- Unterseite
- 33
- Stirnseite
- 34
- Tasche
- 35
- Taschengrenzfläche
- 36
- Taschengrenzfläche
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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