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Die Erfindung betrifft eine Wälzlageranordnung, insbesondere zur Verwendung in einer Kolbenpumpe, umfassend einen Innenring, einen Außenring, sowie einen Zwischenring, welcher koaxial zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnet ist, und einer ersten Gruppe von Wälzkörpern, die zwischen dem Außenring und dem Zwischenring wälzend angeordnet ist, sowie einer zweiten Gruppe von Wälzkörpern, die zwischen dem Innenring und dem Zwischenring wälzend angeordnet ist, wobei der Innenring eine profilierte Innenringlaufbahn und der Zwischenring eine profilierte innere Zwischenringlaufbahn aufweist, wobei die zweite Gruppe von Wälzkörpern auf der Innenringlaufbahn und der inneren Zwischenringlaufbahn geführt sind.
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Wälzlager können insbesondere dazu verwendet werden, Drehbewegungen mit möglichst geringen Reibungsverlusten zu ermöglichen. Wälzlager können insbesondere zur Fixierung und/oder Lagerung von Achsen und Wellen eingesetzt werden, wobei sie, je nach Bauform, radiale und/oder axiale Kräfte aufnehmen und gleichzeitig die Rotation der Welle oder der so auf einer Achse gelagerten Bauteile ermöglichen.
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Hierzu sind zwischen einem Innenring und einem Außenring des Wälzlagers abrollende Wälzkörper angeordnet. Zwischen diesen drei Hauptkomponenten Innenring, Außenring und den Wälzkörpern tritt innerhalb des Wälzlagers in der Regel hauptsächlich Rollreibung auf. Da die Wälzkörper im Innen- und Außenring bevorzugt auf gehärteten Stahlflächen mit optimierter Schmierung abrollen können, ist die Rollreibung derartiger Lager relativ gering.
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Derartige Wälzlager werden beispielsweise auch in Axialkolbenpumpen eingesetzt. In Axialkolbenpumpen werden die jeweilige Hubpumpenkolben üblicherweise mittels einer zur Radialebene der Rotationsachse schräg liegenden, drehende Fläche in eine oszillierende axiale Bewegung gebracht. Diese drehenden Kontaktflächen des Pumpenrotors reibt konstant in Umfangsrichtung an den Köpfen der Hubpumpenkolben, was die Reibung und den Verschleiß erhöht, sowie den Wirkungsgrad der Axialkolbenpumpe verschlechtert. Desto höher der radiale Abstand der Hubpumpenkolben zur Drehachse wird, desto höher wird auch die Umfangsgeschwindigkeit am Kolbenkopfkontakt. Die Rotationsgeschwindigkeit des Pumpenrotors wird daher üblicherweise begrenzt, da sonst u.a. die Wärmeentwicklung am Reibkontakt zu hoch wird und die entsprechenden Bauteile beschädigt werden könnten bzw. versagen.
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Die US 2017 / 0 130 708 A1 zeigt eine Kühlmittelpumpe.
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Die
DE 17 13 371 U zeigt eine Flüssigkeitspumpe mit zueinander parallelen Kolben.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Wälzlageranordnung für eine Hubkolbenpumpe bereitzustellen, die hinsichtlich ihrer Betriebsdynamik, insbesondere hinsichtlich der möglichen Umdrehungsgeschwindigkeiten des antreibenden Pumpenrotors, verbessert ist. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung eine Hubkolbenpumpe mit einer entsprechenden Wälzlageranordnung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wälzlageranordnung, insbesondere zur Verwendung in einer Kolbenpumpe, umfassend einen Innenring, einen Außenring, sowie einen Zwischenring, welcher koaxial zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnet ist, und einer ersten Gruppe von Wälzkörpern, die zwischen dem Außenring und dem Zwischenring wälzend angeordnet ist, sowie einer zweiten Gruppe von Wälzkörpern, die zwischen dem Innenring und dem Zwischenring wälzend angeordnet ist, wobei der Innenring eine profilierte Innenringlaufbahn und der Zwischenring eine profilierte innere Zwischenringlaufbahn aufweist, wobei die zweite Gruppe von Wälzkörpern auf der Innenringlaufbahn und der inneren Zwischenringlaufbahn geführt sind, wobei die Innenringlaufbahn und die innere Zwischenringlaufbahn so konfiguriert sind, dass die zweite Gruppe von Wälzkörpern auf einer Rotationsebene geführt werden, die gegenüber einer Radialebene geneigt ist, so dass der Innenring bei einer relativen Rotation zwischen dem Innenring und dem Zwischenring eine Taumelbewegung ausführt, wobei der Innenring einen exzentrisch zur Kugellagerdrehachse angeordneten Anschluss für einen axial verschiebbar gelagerten Kolben aufweist.
Des Weiteren weist erfindungsgemäß der Innenring eine Verdrehsicherung auf, welche eine Rotation des Innenrings verhindert. Hierzu weist die Verdrehsicherung erfindungsgemäß einen Stift auf, welcher in axialer Richtung aus dem Innenring ausgebildete Sicherungsöffnung herausragt und in eine korrespondierende, drehfest gegenüber dem Innenring
eingreift, so dass ein Schwenken des Innenrings ermöglicht, jedoch eine Drehung verhindert ist. Hierdurch kann auf konstruktiv einfache Weise ein besonders effektiver Verdrehschutz für den Innenring realisiert werden. Ferner kann dieser auch auf einfache Weise, durch entfernen des Stiftes auch wieder aus der Wälzlageranordnung entfernt werden.
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Durch die Verwendung eines radial geschachtelten Wälzlagers wird es möglich, die Reibung zur Erzeugung der axial-oszillierenden Bewegung der Hubpumpenkolben deutlich zu reduzieren. Ferner kann die Reibung an dem Kolbenkopfkontakt mit dem Innenring reduziert und sogar vollständig vermieden werden, worauf nachfolgend noch näher eingegangen wird. Hierdurch ist es insbesondere ermöglicht, den Rotor der Axialkolbenpumpe mit deutlich höheren Drehzahlen zu betreiben und somit in der Folge auch deutlich höhere Pumpleistungen zu erreichen. Ferner lässt sich somit auch eine deutlich verschleißreduzierte und sogar praktisch verschleißfreie Anbindung der Hubpumpenkolben an die Wälzlageranordnung realisieren. Durch die reduzierte Reibung ist es ebenfalls möglich, eine Hubkolbenpumpe mit einer reduzierten Antriebsleistung bei gleichbleibender Förderleistung zu verwenden, wodurch die entsprechenden Pumpen kompakter ausgebildet werden können. Auch batteriebetriebene Hubkolbenpumpen können somit länger betrieben werden.
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Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
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Der Innenring kann aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff gebildet sein. Es ist grundsätzlich denkbar, den Innenring einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig auszubilden. Der Innenring weist einen Anschluss zur Anlage bzw. Aufnahme des Kolbens auf.
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Der Außenring kann insbesondere die Wälzlager aufnehmende Lagerung mit dem Wälzlager bzw. den Wälzkörpern verbinden. Dabei kann insbesondere die Lagerung mit der der Lagerung zugewandten Seite der Mantelfläche des Außenrings verbunden sein, wobei auf der dieser Mantelfläche gegenüberliegenden Außenringlaufbahn die Wälzkörper des Wälzlagers wälzen. Der Außenring kann aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff gebildet sein. Es ist grundsätzlich denkbar, den Außenring einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig auszubilden.
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Der Zwischenring ist in radialer Richtung zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnet. Der Zwischenring kann aus einem metallischen und/oder keramischen Werkstoff gebildet sein. Es ist grundsätzlich denkbar, den Zwischenring einteilig oder mehrteilig, insbesondere zweiteilig auszubilden.
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Die Wälzkörper haben abhängig von der Wälzlagerbauart die Form einer Kugel oder einer Rolle. Sie wälzen sich auf den Laufbahnen des Wälzlagers ab und haben die Aufgabe, die auf ein Radialwälzlager wirkende Kraft vom Außenring über den Zwischenring auf den Innenring und umgekehrt zu übertragen. Rollenförmige Wälzkörper werden auch als Rollenwälzkörper und kugelförmige Wälzkörper als Lagerkugel bezeichnet.
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Rollenförmige Wälzkörper können beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der symmetrischen Pendelrollen, der asymmetrischen Pendelrollen, der Zylinderrollen, der Nadelrollen und/oder der Kegelrollen.
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Wälzkörper können in einem Käfig oder durch Wälzkörperdistanzstücke geführt und voneinander beabstandet sein. Es ist grundsätzlich auch denkbar, ein käfigloses Wälzlager auszubilden, welches auch als vollrolliges Wälzlager bezeichnet wird. Bei vollrolligen Wälzlagern können sich benachbarte Wälzkörper kontaktieren.
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Erfindungsgemäß weist die Wälzlageranordnung eine erste Gruppe von Wälzkörpern und eine zweite Gruppe von Wälzkörpern auf, welche in radialer Richtung übereinanderliegend angeordnet sind.
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Die zweite Gruppe von Wälzkörpern kann innerhalb des Wälzlagers insbesondere auf der Innenringlaufbahn des Innenrings abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der Innenringlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht. Die Innenringlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der Innenringlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Wälzkörper auf der Innenringlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der Innenringlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse axiale Verschiebbarkeit der Wälzkörper auf der Innenringlaufbahn erlauben.
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Die erste Gruppe von Wälzkörpern kann innerhalb des Wälzlagers insbesondere auf der Außenringlaufbahn des Außenrings abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der Außenringlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht. Die Außenringlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der Außenringlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Wälzkörper auf der Außenringlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der Außenringlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse axiale Verschiebbarkeit der Wälzkörper auf der Außenringlaufbahn erlauben.
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Die erste Gruppe von Wälzkörpern kann innerhalb des Wälzlagers insbesondere auf der inneren Zwischenringlaufbahn des Zwischenrings abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der inneren Zwischenringlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht. Die inneren Zwischenringlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der inneren Zwischenringlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Wälzkörper auf der inneren Zwischenringlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der inneren Zwischenringlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse axiale Verschiebbarkeit der Wälzkörper auf der inneren Zwischenringlaufbahn erlauben.
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Die zweite Gruppe von Wälzkörpern kann innerhalb des Wälzlagers insbesondere auf der äußeren Zwischenringlaufbahn des Zwischenrings abwälzen. Hierzu kann vorteilhafter Weise die Oberfläche der äußeren Zwischenringlaufbahn entsprechend abriebfest ausgebildet sein, beispielsweise auch durch ein entsprechendes Oberflächenbehandlungsverfahren und/oder durch Aufbringen einer entsprechenden zusätzlichen Materialschicht. Die äußere Zwischenringlaufbahn kann eben oder profiliert ausgebildet sein. Eine profilierte Ausgestaltung der äußeren Zwischenringlaufbahn kann beispielsweise zur Führung der Wälzkörper auf der inneren Zwischenringlaufbahn dienen. Eine ebene Ausformung der äußeren Zwischenringlaufbahn kann hingegen beispielsweise eine gewisse axiale Verschiebbarkeit der Wälzkörper auf der äußere Zwischenringlaufbahn erlauben.
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Eine Wälzlageranordnung kann ebenfalls einen Käfig aufweisen, wobei der Käfig die Wälzkörper führt. Der Käfig ist so ausgebildet, dass die Wälzkörperkugeln und/oder die Wälzkörperrollen voneinander beabstandet werden, damit beispielsweise die Reibung und Wärmeentwicklung der Wälzkörper möglichst geringgehalten wird. Ferner hält der Käfig die Wälzkörperkugeln und/oder Wälzkörperrollen in einem festen Abstand beim Abwälzen zueinander, wodurch eine gleichmäßige Lastverteilung erzielt werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass die erste Gruppe von Wälzkörpern einen ersten Käfig und/oder die zweite Gruppe von Wälzkörpern einen zweiten Käfig aufweist/aufweisen. Ein Käfig kann einstückig oder mehrstückig ausgeführt sein.
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Eine Wälzlageranordnung kann des Weiteren eine Dichtung aufweisen, um ein Austreten von Schmiermittel aus dem Wälzlager oder ein Eintreten von Schmutz oder Feuchtigkeit in das Wälzlager zu verhindern. Hierzu können die eingesetzten Dichtungen mit einer oder mehreren Dichtlippen versehen sein, die an einem Bauteil des Wälzlagers anliegen können. Diese sind derart ausgelegt, dass sie zum einen möglichst über die gesamte Lebensdauer das Lager abdichten, andererseits die Reibung durch die anliegende Dichtung nicht zu hoch ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass der Zwischenring mit einem Antrieb koppelbar und relativ zum Außenring und Innenring drehbar ausgeführt ist. Hierdurch kann eine besonders reibungsarme Anbindung eines Antriebs an die Wälzlageranordnung erfolgen.
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Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, dass der Innenring drehfest ausgeführt ist. Hierdurch kann eine Reibung durch eine Rotation des Innenrings in Umfangsrichtung vollständig vermieden werden, was den Wirkungsgrad der Wälzlageranordnung deutlich verbessert.
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In einer Weiterentwicklung der Erfindung kann es ferner bevorzugt sein, dass der Außenring drehfest, insbesondere in einem Gehäuse, gesichert ist; wodurch eine einfache Integration der Wälzlageranordnung, beispielsweise in einer Axialhubkolbenpumpe, ermöglicht wird.
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Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass die Rotationsebene gegenüber der Radialebene zwischen 1-89°, bevorzugt 1-70°, insbesondere bevorzugt 1-45° geneigt ist. Es hat sich gezeigt, dass sich in diesem Bereich ein guter Kompromiss aus Kolbenhub, Pumpenleistung, Betriebssicherheit und Langlebigkeit der Wälzlageranordnung erzielen lässt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann es bevorzugt sein, dass die zweite Gruppe von Wälzkörpern als Lagerkugeln ausgeformt ist, wodurch sich insbesondere die Neigung der Rotationsebene gegenüber der Radialebene gut einstellen lässt.
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Um die Reibung an der Hubkolbenkontaktstelle mit dem Innenring weiter zu reduzieren, kann das an dem Anschluss befindliche Ende des Kolbens als Pilzkopf ausgeführt sein.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch eine Kolbenpumpe, umfassend eine Wälzlageranordnung nach einem der Ansprüche 1-9. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch können die unterschiedlichen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele innerhalb des technisch machbaren frei miteinander kombiniert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Wälzlageranordnung in einer schematischen Axialschnittansicht,
- 2 eine erfindungsgemäße Wälzlageranordnung in einer teilgeschnittenen, perspektivischen Explosionsansicht,
- 3 eine erfindungsgemäße Wälzlageranordnung in einer ersten Betriebsposition in einer schematischen Axialschnittansicht, und
- 4 eine erfindungsgemäße Wälzlageranordnung in einer zweiten Betriebsposition in einer schematischen Axialschnittansicht.
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1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wälzlageranordnung 1, insbesondere zur Verwendung in einer Kolbenpumpe, umfassend einen Innenring 2, einen Außenring 3, sowie einen Zwischenring 4, welcher koaxial zwischen dem Innenring 2 und dem Außenring 3 angeordnet ist. Der Außenring 3 ist drehfest in einem nicht dargestellten Gehäuse, aufgenommen.
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Eine erste Gruppe von Wälzkörpern 5 ist zwischen dem Außenring 3 und dem Zwischenring 4 wälzend angeordnet. Die Wälzlageranordnung 1 besitzt ferner eine zweite Gruppe von Wälzkörpern 6, die zwischen und dem Innenring 2 und dem Zwischenring 4 wälzend angeordnet ist. Die erste sowie die zweite Gruppe von Wälzkörpern 5,6 sind als Lagerkugeln 13 ausgeformt. Der Zwischenring 4 weist ferner eine profilierte äußere Zwischenringlaufbahn 19 und der Außenring 3 eine Außenringlaufbahn 20 auf, auf der die erste Gruppe von Wälzkörpern 5 geführt ist.
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Der Innenring 2 besitzt eine profilierte Innenringlaufbahn 7 und der Zwischenring 4 eine profilierte innere Zwischenringlaufbahn 8, wobei die zweite Gruppe von Wälzkörpern 6 auf der Innenringlaufbahn 7 und der inneren Zwischenringlaufbahn 8 geführt sind. Die Innenringlaufbahn 7 und die innere Zwischenringlaufbahn 8 sind so konfiguriert, dass die zweite Gruppe von Wälzkörpern 6 auf einer Rotationsebene 9 geführt werden, die gegenüber einer Radialebene 10 geneigt ist, so dass der Innenring 2 bei einer relativen Rotation zwischen dem Innenring 2 und dem Zwischenring 4 eine Taumelbewegung ausführt. Dies ist insbesondere auch gut aus einer Zusammenschau der 3 und 4 ersichtlich.
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Der Innenring 2 weist einen exzentrisch zur Wälzlagerdrehachse 21 angeordneten Anschluss 11 für einen axial verschiebbar gelagerten Kolben 12 auf, so dass dieser - entsprechend der Taumelbewegung des Innenrings 2 - oszillierend axial versetzt wird. Das an dem Anschluss 11 befindliche Ende des Kolbens 12 als ist Pilzkopf 14 ausgeführt. Der Anschluss 11 ist in dem gezeigten Beispiel als eine exzentrisch zur Rotationsachse 21 angeordnete Anlagefläche am Innenring 2 für den Kolben 12 ausgebildet.
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Der Zwischenring 4 ist mit einem nicht weiter dargestellten Antrieb - beispielsweise einem Elektromotor - koppelbar und relativ zum Außenring 3 und Innenring 2 drehbar ausgeführt. Der Innenring 2 seinerseits ist drehfest ausgeführt ist.
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Hierzu besitzt der Innenring 2 eine Verdrehsicherung 15, welche eine Rotation des Innenrings 2 verhindert. Die Verdrehsicherung 15 umfasst einen Stift 16, welcher in axialer Richtung aus dem Innenring 2 herausragt und in eine korrespondierende, drehfest gegenüber dem Innenring 2 ausgebildeten Sicherungsöffnung 17 eingreift, so dass ein Schwenken des Innenrings 2 ermöglicht, jedoch eine Drehung verhindert ist. Die Sicherungsöffnung 17 ist beispielsweise in dem die Wälzlageranordnung 1 aufnehmenden - in der 1 nicht näher bezeichneten - drehfest angeordneten Gehäuse ausgeformt. Sie kann beispielsweise als Bohrung in dem Gehäuse vorgesehen sein.
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Wie aus der Explosionsdarstellung der 2 gut ersichtlich ist, kann der Stift 16 in einer Stiftaufnahme 18 des Innenrings 2 aufgenommen und fixiert sein, beispielsweise mittels einer Presspassung.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wälzlageranordnung
- 2
- Innenring
- 3
- Außenring
- 4
- Zwischenring
- 5
- eine erste Gruppe von Wälzkörpern
- 6
- eine zweite Gruppe von Wälzkörpern
- 7
- profilierte Innenringlaufbahn
- 8
- profilierte innere Zwischenringlaufbahn
- 9
- Rotationsebene
- 10
- Radialebene
- 11
- Anschluss
- 12
- Kolben
- 13
- Lagerkugeln
- 14
- Pilzkopf
- 15
- Verdrehsicherung
- 16
- Stift
- 17
- Sicherungsöffnung
- 18
- Stiftaufnahme
- 19
- äußere Zwischenringlaufbahn
- 20
- Außenringlaufbahn
- 21
- Kugellagerdrehachse
