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Die Erfindung betrifft ein Wälzlager und ein Gleitlager.
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Wälz- oder Gleitlager werden häufig in Verbindung mit Wirkstoffen, wie Schmier-, Korrosionsschutz- oder Schmierstoffen verwendet. Diese Wirkstoffe können innerhalb des Lagers verwendet werden und dienen dort bevorzugt zum Schmieren des Lagers. Alternativ können Wirkstoffe außerhalb des Lagers verwendet werden. Zu den Wirkstoffen, die außerhalb des Lagers verwendet werden, zählen zum einen Klebstoffe, die dazu verwendet werden, Teile des Lagers, wie z.B. einen Innen- oder Außenring, auf oder in einem entsprechenden Sitz zu verkleben. Zum anderen zählen dazu Korrosionsschutzmittel, die in den Sitz bzw. die Passung eingebracht werden, um dort eine Korrosion zu verhindern oder zumindest so zu begrenzen, dass das Lagers im Reparaturfall leicht ausgetauscht werden kann.
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Diese Wirkstoffe liegen bevorzugt in flüssiger oder viskoser Form vor. Zudem können diese Flüssigkeiten/Chemikalien einem Alterungs- bzw. Oxidationsprozess unterliegen. Andere Wirkstoffe (wie z.B. Klebstoffe) dürfen oder sollen erst ab einem bestimmten Zeitpunkt in Funktion treten.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Wälz- oder Gleitlager mit den benötigten Wirkstoffen effektiv zu versorgen. Probleme, wie die der Alterung oder eines Oxidationsprozesses sollen verhindert oder zumindest reduziert werden. Zudem soll die gewünschte Lösung eine gute Nutzung der eingesetzten Wirkstoffe dadurch sicherstellen, dass die Wirkstoffe in der benötigten Menge an den gewünschten Stellen bereitgestellt werden. Eine Unter- oder eine Überversorgung soll vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsarten sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein Wälz- oder Gleitlager umfasst eine Beschichtung, die einen verkapselten Wirkstoff aufweist und die Verkapselung ist eingerichtet, aufzuplatzen und den Wirkstoff freizugeben. Ein derartiges Lager kommt z.B. zum Einsatz, wenn es verklebt werden soll und der verkapselte Wirkstoff wird bei der mechanischen Belastung, die bei dem Einbau des Lagers auftritt, durch das Platzen der Kapseln ausgegeben. Bei der Montage entfällt somit das lästige Hantieren mit sensiblen Klebstoffen und die Montage wird wesentlich sauberer, da der Klebstoff nicht mehr flüssig ist und von Hand aufgetragen werden muss. Die richtige Menge Klebstoff muss nicht mehr abgeschätzt werden, sondern ist schon vorkonfektioniert. Dadurch wird der Klebstoff in einer idealen Menge aufgebracht und überschüssiger Klebstoff wird nicht verschwendet und es entfällt die Gefahr, dass überschüssiger Klebstoff in das Lager eintreten und es schädigen könnte. Ein Teil der auftretenden Betriebskräfte wird von der Verklebung übernommen. Die Lagersitze müssen nicht mehr drallfrei geschliffen werden. Die Lagersitze könnten auch nur grob überdreht sein. Wird die Übertragung von großen Kräften erforderlich, können auch die Kantenkürzungen (von Außendurchmesser zur Seitenfläche oder von Bohrung zur Seitenfläche) mit Kapselmaterial beschichtet werden. Auch können Anti-Korrosionsbestandteile zum Einsatz kommen, die es erlauben, das Lager zu einem späteren Zeitpunkt, wie bei einer Reparatur, wieder auszubauen. Diese werden herkömmlich manuell erst kurz vor der Anwendung aufgebracht und benetzten dann nicht nur den Lagerring, sondern auch das gegenüberliegende Bauteil. Auch hier kommen die bereits genannten Vorteile zum Tragen. Der Wirkstoff kann in flüssiger Form oder in einer (hoch-)viskosen Form wie einem Fett vorliegen. Um das Lager problemlos handhaben und einbauen zu können, wird der Wirkstoff erst beim Zerplatzen der Kapseln freigegeben.
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Verschiedene Schmier-Korrosionsschutz- und/oder Klebemittel unterliegen einem Alterungs- bzw. Oxidationsprozess. Um diesen Effekten entgegen zu wirken bzw. den Aktivierungszeitpunkt bestimmen zu können, wird der Wirkstoff erst beim Zerplatzen der Kapseln freigegeben. Andere Flüssigkeiten dürfen oder sollen erst ab einem bestimmten Zeitpunkt in Funktion treten.
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Eine außen liegende Oberfläche des Lagers ist insbesondere zumindest teilweise mit der Beschichtung versehen. Bevorzugt ist die Oberfläche eine lagerstirnseitige Fläche eines äußeren Lagerrings und/oder eines inneren Lagerrings und/oder eine äußere Mantelfläche (Außendurchmesser) des äußeren Lagerrings und/oder eine innere Mantelfläche (Innendurchmesser) des inneren Lagerrings. Wenn ein Axiallager zum Einsatz kommt, sind die vergleichbaren Flächen entsprechend beschichtet. Die vorstehend genannten Flächen sind bevorzugt Anbauflächen, an denen eine Verklebung gewünscht sein kann. Alternativ kann hier eine Antikorrosionsbeschichtung eingebracht werden.
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Wälz- oder Gleitlager können bevorzugt Laufflächen aufweisen, die zumindest bereichsweise mit einen verkapselter Schmierstoff beschichtet sind. Ein Wälzlager kann eine Mehrzahl von Wälzkörpern aufweisen, die zumindest bereichsweise mit einem verkapselten Schmierstoff beschichtet sind. Die Laufflächen der Wälzkörper und/oder die Laufflächen der Laufringe und/oder die Laufschalen sind mit einem verkapselten Schmierstoff beschichtet. Bei der Verwendung von Kugeln als Wälzkörper dient jeweils bevorzugt die gesamte Oberfläche als Lauffläche. Bei der Verwendung von Zylindern als Wälzkörpern kann insbesondere die Mantelfläche als Lauffläche bezeichnet werden. Auf diese Weise kann eine initiale Schmierung in das Wälzlager eingebracht werden, die erst dann aktiviert wird, wenn das Wälzlager zum ersten Einsatz kommt. Dabei kann der maximale Durchmesser der verkapselten Schmierstoffteile insbesondere bis maximal der Hälfte der minimalen Radialluft des Lagers entsprechen, um so einen zu großen Widerstand beim ersten Anlaufen der installierten Maschine zu verhindern. In anderen Anwendungen kann der maximale Durchmesser auch größer sein, wie insbesondere bis zu 20% des Wälzkörperdurchmessers, um effektiv eine große Schmierstoffmenge einbringen zu können. Letztere Ausführungsformen kommen bevorzugt bei gekapselten Lagern zum Einsatz. Wenn die Kapseln größer als ca. 20% des Wälzkörperdurchmessers wären, so könnten im Lager Platzprobleme auftreten.
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Insbesondere kann der verkapselte Wirkstoff einen Schmierstoff aufweisen, wie insbesondere ein Öl oder ein Fett, was, wie bereits erwähnt, bevorzugt innerhalb eines Lagers Verwendung findet.
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Auch kann der verkapselte Wirkstoff ein Korrosionsschutzmittel aufweisen und/oder enthalten. Diese Variante kann bevorzugt außerhalb des Lagers bei den Montageflächen Verwendung finden, um ein einfaches Demontieren des Lagers zu ermöglichen. Alternativ kann auch innerhalb des Lagers ein Korrosionsmittel verwendet werden.
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Während bevorzugt der Wirkstoff (also insbesondere Schmier- oder Korrosionsschutzmittel) in einer Kapsel enthalten ist, so kann das Material der Kapsel alternativ und/oder zusätzlich aus einem Material bestehen, welches eine Wirkung innerhalb des Lagers oder dessen Lagersitz entwickelt. So kann das Kapselmaterial z.B. ein Wachs sein, was positive Gleit- und/oder Roll- oder Korrosionsschutzwirkungen entfaltet.
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Alternativ kann der verkapselte Wirkstoff auch einen Klebstoff aufweisen, um das Lager in seinem Sitz zu verkleben. Da der Klebstoff bereits werkseitig auf dem Lager aufgebracht werden kann, kann die optimale Klebstoffmenge sichergestellt werden und ein Hantieren mit dem Klebstoff wird vermieden, wodurch zum einen Zeit eingespart wird und zum anderen die Gefahr minimiert werden kann, dass Klebstoff in das Lager gelangt.
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Vorteilhafter Weise ist der Wirkstoff mikroverkapselt. Eine Mikroverkapselung bezeichnet insbesondere eine durchschnittliche Größe der einzelnen Kapseln von kleiner 0,5 mm Durchmesser, bevorzugt kleiner als 0,2 mm Durchmesser. Bereits in einem komplett anderen Anwendungsgebiet, nämlich den Schraubensicherungen, ist eine Mikroverkapselung bekannt. Bei einer Schraubensicherung besteht ein relativ schmaler Spalt, in dem die beiden Gänge bei der Einschraubbewegung mit einer relativ hohen Relativbewegung aneinander gleiten, bzw. scheren. So können Verkapselungen mit einer relativ großen Festigkeit der Kapsel zum Einsatz kommen. Gerade wenn die Kapseln bei einer Axialfläche eines Kugellagers eingebaut werden, müssen die Kapseln durch eine Druckbelastung zum Platzen gebracht werden. Somit liegt hier ein anderer Auslöseprozess vor, als bei der Scherbewegung von konventionellen Schraubensicherungen und insbesondere die Festigkeit der Kapselhärte muss auf diese Einsatzbedingungen hin neu spezifiziert werden.
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Ein Ring oder Band zur Aufbringung auf eine außen liegende Oberfläche eines Wälz- oder Gleitlager kann insbesondere mit einer verkapselten Substanz zumindest teilweise beschichtet sein und eine gegenüberliegende Seite des Ringes oder Bands ist dabei mit einer Klebebeschichtung beschichtet. Diese zweite Klebebeschichtung kann eine herkömmliche Beschichtung sein oder auch verkapselte Wirkstoffen umfassen. Hierdurch wird es für einen Monteur ermöglicht, bei einem Lager auch dann die erfindungsgemäßen Vorteile zu nutzen, wenn das Lager werkseitig nicht mit der Verkapselung versehen ist.
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Vorteilhaft ist ferner, wenn das Material der Hülle der Kapsel ein Paraffin oder eine sonstige Wachs- oder wachsartige Substanz aufweist oder Polymere oder Gelatine oder Kollagen und/oder Mischungen und/oder Verbindungen der genannten Stoffe aufweist. Ein Kunststoffbeutel wie z.B. aus einem Thermoplasten, wie insbesondere Polypropylen oder Polyethylen oder dergleichen, in welchen der Wirkstoff enthalten ist, wird auch als eine Verkapselung angesehen.
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Insbesondere kann zwischen zwei Lagerhälften ein Spalt bestehen und angrenzend und/oder benachbart zu dem Spalt kann zumindest ein nicht-beschichteter Bereich vorgesehen sein. Dabei kann insbesondere der nicht-beschichtete Bereich auf der gleichen Oberfläche des Wälz- oder Gleitlagers wie die Beschichtung liegen. Dadurch wird ein Eintreten von überschüssigem Wirkstoff in das Lager verhindert.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Kugellagers mit einem Teilschnitt,
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2 einen Ring in der perspektivischen Ansicht, der auf eine Stirnseite des inneren Lagerrings des Lagers gemäß 1 klebbar ist,
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3 ein Detail A des Kugellagers gemäß 1,
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4 das Detail eines verkapselten Wirkstoffs im Schnitt und
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5 eine Ansicht eines Kugellagers während der Montage im Schnitt.
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1 zeigt ein Kugellager 1 mit einem äußeren Lagerring 10 und einem inneren Lagerring 20. Zwischen den Lagerringen 10, 20 ist eine Mehrzahl von Wälzkörpern 30 angeordnet, die hier als Kugeln ausgeführt sind. Die Erfindung ist keineswegs auf Kugellager beschränkt. Vielmehr kann sie bei sämtlichen Wälzlagern, wie bspw. Rollen-, Kegel- oder Nadellagern zum Einsatz kommen. Zudem kann sie bei Gleitlagern verwendet werden. Die einzelnen Wälzkörper 30 sind in einem Käfig 40 aufgenommen, um die gewünschten Abstände zwischen den Wälzkörpern relativ zueinander sicherzustellen. 1 zeigt ein Radiallager. Entsprechend ist die Erfindung auch auf Axiallager anwendbar. In diesem Fall sind die in der Beschreibung verwendeten Begriffe sinngemäß anwendbar. Für die Wälzkörper 30 ist in dem äußeren Lagerring 10 eine Lauffläche 13 vorgesehen, wie auch eine Lauffläche 23 in dem inneren Lagerring 20 angeordnet ist. Die Begriffe „außen“ und „innen“ beschreiben dabei die radiale Anordnung.
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In dem Detail der 3 sind an dem äußeren Lagerring 10 Bereiche 60 und 61 einer Beschichtung mit einem verkapselten Wirkstoff 68 gezeigt. Die Beschichtung 60 ist an der äußeren Mantelfläche 14 (siehe 1) des äußeren Lagerrings 10 angeordnet. Der Bereich 61 der Beschichtung ist an einer Stirnfläche 16 des äußeren Lagerrings 10 angeordnet. Entsprechend können vergleichbare Bereiche einer Beschichtung an der Stirnfläche 26 des inneren Lagerrings 20 und/oder an der inneren Mantelfläche, also dem Innenradius 24 des inneren Lagerrings 20 angeordnet sein. Der Innenradius entspricht der Hälfte des Bohrungsdurchmessers. Die stirnseitigen Beschichtungen können an einer oder an beiden gegenüberliegenden Stirnflächen des Lagers angeordnet sein.
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Die Beschichtungen müssen dabei nicht jeweils über die gesamte Fläche angeordnet sein. Vielmehr können bspw. an der äußeren Mantelfläche 14 an einer oder beiden Seiten in Lageraxialrichtung Bereich 63 vorgesehen sein, der oder die nicht beschichtet sind. Entsprechend kann von dem Bereich 61 der Beschichtungen an einer (oder beiden) Stirnseiten des äußeren Lagerrings 10 ausgehend radial innen liegend ein nicht beschichteter Bereich 64 vorgesehen sein. Auch kann von einer Beschichtung (nicht gezeigt) des inneren Lagerrings 20 radial außen liegend ein nicht-beschichteter Bereich vorgesehen sein, wie auch von der Beschichtung der inneren Radialfläche (Art Mantelfläche) des inneren Lagerrings 20 in axialer Richtung zu einer oder beiden Seiten keine Beschichtung vorgesehen sein kann. Diese nicht-beschichteten Bereiche dienen als ein Auslaufschutz, wie nachfolgend noch im Detail erläutert wird.
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Die Kapseln sind bevorzugt kugelförmig und können entweder den Klebstoff oder eine Härter bzw. Aktivator enthalten. Wenn der verkapselte Wirkstoff einen Klebstoff umfasst, so können unterschiedliche Wirkstoffarten kombiniert verwendet werden. Wenn die Kapseln durch bevorzugt mechanische Kräfte platzen, können aus den Kapseln ein aushärtbarer Harz bzw. ein Härter bzw. Aktivator austreten, die gemischt werden, so dass die Mischung nachfolgend in einer chemischen Reaktion (Polymerisation) aushärtet. Auch können Klebstoffe verwendet werden, die nur einen Stoff umfassen. Für das Kapselmaterial kommen bevorzugt Paraffine, Polymere, Gelatine, Graphit, etc. zum Einsatz. Alternativ kann in den Kapseln ein Öl oder ein Antikorrosionsmittel enthalten sein.
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Der Durchmesser der Kapseln kann bei 0,1 mm liegen, wobei bei alternativen Ausführungsformen Durchmesser bis max. 1 mm bevorzugt verwendet werden können. Mit einem Klebstoff werden die Kapseln an der zu beschichtenden Oberfläche befestigt. Bevorzugt lässt sich über ein Sprühverfahren eine gleichmäßige Verteilung erzielen. Wenn die Kapseln innerhalb des Lagers verwendet werden, so kann es bei einem abgedichteten Lager ausreichen, die Kapseln frei, also nicht verklebt, in das Lager einzubringen. In diesem Fall werden bevorzugt Kapseln mit einem größeren Durchmesser verwendet und als Kapselmaterial kommt ein Werkstoff zum Einsatz der innerhalb des Lagers keinen störenden Einfluss verursacht, wie z.B. ein Paraffin oder ein sonstiges Wachs.
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Die Passung von dem äußeren Lagerrings 10 in z.B. einem zugeordneten Gehäuseteil, wie einem äußeren Lagersitz 70, kann eine Spiel- eine Übergangs- oder eine Presspassung sein. Gerade im Fall von der Spiel- oder Übergangspassung genügt es, das Lager 1 mit in den Sitz einzudrücken. Dabei platzen die Kapseln und geben den Klebstoff oder das Antikorrosionsmittel frei. Aufgrund des geringen Spalts der Passung tritt innerhalb der Beschichtung eine Scherung auf, die bewirkt, dass ein Teil der Beschichtung und/oder der Kapseln und/oder des aus den Kapseln enthaltenen Wirkstoffs abgeschoben bzw. abgescherrt wird, wie es in 5 mit dem Bezugszeichen 72 gezeigt ist. Damit die abgeschabte Beschichtung 72 nicht in das Lager selbst gelangen kann, sind die bereits oben beschriebenen nicht-beschichteten Bereiche 63 zum Einsatz. Dort kann die Beschichtung aufgenommen werden und ggf. aushärten. Auch wenn diese Bereiche 63, 64, die auch als Auslaufschutzbereich bezeichnet werden können, nur an einer Seite notwendig ist, können sie bei der Beschichtung 60 bevorzugt an beiden Seiten vorgesehen sein, um es so zu erlauben, dass das Lager beliebig eingebaut werden kann, also ohne auf dessen Orientierung zu achten. Bei der Beschichtung 61, die an einer Stirnseite des Lagers angeordnet ist, sorgen die Axialkräfte, die beim Einbau des Lagers aufgebracht werden, das Platzen der Kapseln. Abhängig von den Einbaubedingungen kann gefordert werden, dass der Monteur mit Schlägen mit z.B. einem Gummihammer auf das eingebaute Lager die Kapseln zum Platzen bringt. Entsprechend ist ein Bereich 64 vorgesehen, in dem die ausgepresste überschüssige Beschichtung sich sammeln kann.
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Gerade wenn die Passung eine Presspassung ist, so eignet sich ein thermisches Fügen. So lässt sich gemäß 5 der äußere Lagersitz 70 erwärmen oder das Kugellager 1 abkühlen und aufgrund der dadurch bewirkten Maßänderungen lässt sich das Lager 1 leichter einbauen und das vorstehend genannte Abschaben der Beschichtung ist reduziert. Nach dem thermischen Temperaturausgleich erhöht sich der Radialdruck im Lagersitz, was zu dem Platzen der Kapseln und der Freigabe des Wirkstoffs 67 führt. Überschüssiger Wirkstoff kann aus dem Sitz austreten. Auf diese Weise kann zum einen die Lagerung verbessert werden und zum anderen wird es ermöglicht, die Maße des äußeren Lagersitzes 72 mit einer größeren Toleranz zu versehen und/oder es wird möglich, eine geringere Oberflächengüte (Rauigkeit) zu akzeptieren.
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Bei dem Aufziehen des Lagers 1 auf eine Welle, wirkt aufgrund des sich ergebenden Übermaßes zwischen Welle und Lagerbohrung eine Kraft auf die Bohrungsfläche und den dort aufgebrachten verkapselten Klebstoff. Die Kapseln platzen auf, der Klebstoff kann austreten und stellt eine feste Klebeverbindung zwischen den Bauteilen her. In der Regel wird beim Kleben stets ein gewisser Klebespalt benötigt. Dieser könnte z.B. durch eine Strukturierung der Wellen- und/oder der Lagerbohrungsoberfläche erreicht werden. Dies kann eine Laserstrukturierung, grobes Überdrehen, Schleifen mit Drall, Sandstrahlen, Ätzen sein. Der verkapselte Klebstoff kann, wie bereits beschrieben, auch auf die Mantelfläche des Außenrings aufgebracht werden. Bei Anwendungen mit einer umlaufenden Last auf den Außenring wird dieser in der Regel „festgesetzt“. Bei der Montage muss meist auch schon heute das Gehäuse erwärmt werden, um den Außenring montieren zu können. Durch den verkapselten Schmierstoff muss kein Arbeitsgang geändert werden. Allerdings kann die bisherige hohe Überdeckung zwischen Gehäusesitz und Außenring reduziert werden. Die genannten Vorteile des Einbaus des Lagers 1 in einem äußeren Lagersitz 70 lassen sich entsprechend auf den Einbau des inneren Lagersitzes 24 auf einer Welle anwenden.
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Sollte sich beim Lagereinbau herausstellen, dass eine solche Beschichtung, wie insbesondere an einer Stirnseite des Lagers nicht benötigt wird, so besteht die Möglichkeit diese Beschichtung 61 zu entfernen. Andernfalls bestünde das Risiko, dass sich die Beschichtung 61 im Betrieb ablöst und das Lager schädigt. Dazu könnte die Beschichtung 61 z.B. auf einem Primer sitzen, der sich wie eine Art Klebestreifen vom Lager abziehen und sich somit rückstandfrei entfernen lässt.
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Anstatt die Beschichtung abzuziehen, könnte diese auch nachträglich aufgeklebt werden. 2 zeigt einen entsprechenden Ring 50. Dieser ist auf einer Seite mit der bereits diskutierten Beschichtung versehen und auf der anderen Seite mit einer herkömmlichen Klebeschicht. Durch das Abziehen einer Schutzfolie kann diese Klebeschicht, ähnlich wie bei einem doppelseitigen Klebeband, aktiviert werden. Alternativ kann der Ring 50 auf beiden Seiten mit einem verkapselten Klebstoff beschichtet sein, der durch Druck aktiviert wird. Der Ring 50 kann als eine dünne Scheibe aus Kunststoff, Papier oder Metall gefertigt sein und wird auf die Stirnseite 26 des Lagers aufgeklebt. Durch das Abziehen einer Schutzfolie auf der anderen Seite des Rings wird die dort aufgebrachte Beschichtung freigelegt und kann nun aktiviert werden.
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Über diese herkömmliche Klebeschicht lässt sich der Ring 50 auf die Stirnfläche 26 des inneren Laufrings 20 kleben. Selbstverständlich ist ein entsprechender Ring (nicht dargestellt) für die Stirnfläche 16 des äußeren Lagerrings 10 vom Gedanken der Erfindung umfasst. Dazu würde eine dünne Scheibe beidseitig beschichtet werden. Auf der einen Seite befindet sich der Klebstoff.
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4 zeigt eine Kapsel 65 des verkapselten Wirkstoffs 68, der mit einer dünnen Hülle 67, die geeignet ist unter einer Druck- oder Scherbelastung aufzuplatzen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wälz- oder Gleitlager, bzw. Lager
- 10
- äußerer Lagerring
- 13
- äußere Lauffläche
- 14
- äußere Mantelfläche
- 16
- Stirnfläche des äußeren Lagerings
- 20
- innerer Lagerring
- 23
- innere Lauffläche
- 24
- innerer Lagersitz, Bohrungsfläche, innere „Mantelfläche“
- 26
- Stirnfläche des inneren Lagerrings
- 30
- Wälzkörper
- 40
- Käfig
- 50
- aufklebbarer Ring
- 60, 61
- Beschichtung, Schicht mit verkapseltem Wirkstoff
- 63, 64
- nicht-beschichtete Bereiche
- 65
- Verkapselter Wirkstoff
- 67
- Verkapselung, Kapsel, Hülle
- 68
- Wirkstoff
- 70
- äußerer Lagersitz
- 72
- abgeschabte Beschichtung
