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Das magnetische Sensorlager misst
die Relativbewegung zweier konzentrisch rotierender Lagerschalen
oder Wellen. Es eignet sich besonders zur Messung von rotativen
Bewegungen in Überlagerungsgetrieben.
Weiter eignet es sich in Verbindung mit einer torsionselastischen
Welle oder einem torsionselastischen Element als Drehmomentsensor.
Es eignet sich im Einsatz zur Kraftmessung an stehenden und rotierenden
Wellen wie Lenkkraftsensor, Leistungsmessung an Fahrrädern, Pedalkraftmessung
und dergleichen mehr. Es kann jedoch auch einfach zur Drehzahlmessung
in einem einfachen Lager zur Anwendung kommen.
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Bekannt sind Torque-Sensor-Systeme,
welche die Oberflächenspannung
messen: Magnetoelastische Messverfahren und micromechanische Messverfahren.
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Weiter bekannt sind Torque-Sensor-Systeme,
die die elastische Verformung eines Körpers messen, an welchen das
Moment angelegt wird. Bei ähnlichem
und bekanntem mechanischen Aufbau kommen verschiedene Messverfahren
zum Einsatz.
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Grundsätzlich optische Messverfahren,
Magnetoresistive Verfahren und Induktive Verfahren.
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Zu unterscheiden sind Systeme, welche
nur geringe Wege zurücklegen
und eine Signalweiterleitung mittels Kabel durchführen.
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Andere an rotierenden Teilen appliziert,
haben eine Energiezuführung
und / oder Signalweiterleitung durch Schleifringkontakt oder drahtlos
durch eine Erregerfreqzenz. Bekannt ist ein System von Moving Magnet
Technologies, welches ein Magnetfeld in zwei rotationssymetrischen
Metallringen aufbaut, welches durch ein feststehendes Sensorelement,
vorwiegend ein Hallelement gemessen wird. Hier kommt die bekannte
Methode der variabel sich überdeckenden
aktiven Flächen
mit Weiterleitung des Magnetflusases zum Einsatz.
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Bekannt sind Sensorlager. Bei den
bekannten Sensorlagern wird stets ein Sensor an ein Lager appliziert,
wobei die Funktionsüberschneidung
von Lager und Sensor sich im allgemeinen auf die Dichtung konzentriert.
Bei den heute bekannten Sensorlagern zur Messung der Umdrehung des
Loslagers ist die Dichtscheibe im allgemeinen aus einem kunststoffgebundenen
Magnetpulver gespritzt und ein Magnetcode aufmagnetisiert. Der Magnecode
wird von einer Hallsonde, welche am Festlager bzw. an der statischen
Dichtung befestigt ist gelesen. Auf diese Weise ermittelt der Sensor
die Drehzahl und/oder die Position z.B. einer durch das Sensorlager
gelagerten Welle.
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Bei den bisher bekannten Sensorlagern
handelt es sich streng genommen um um einen Verbund von Sensor und
Lager. Die Integration des Sensors beschränkt sich auf die Randkomponente
der Dichtung, welche zusätzlich
die Funktion des Drehgebers für
den Sensor übernimmt.
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Die bekannten Sensorlager sind bewährt und
haben des Vorteil des geringen Platzbedarfes.
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Diese Sensorlager sind in ihrer Funktion
jedoch an die klassische Anordung Festlager/Loslager gebunden.
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In Applikationen, die dadurch gekennzeichnet
sind, dass beide Lagerschalen eine rotative Bewegung ausführen, sind
solche Sensorlager, welche die Bewegung in Relation zu einem statischen
Festpunkt messen, ungeeignet.
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Solche Applikationen sind konzentrische
gelagerte Wellen z.B. an Überlagerungsgetrieben
oder cozentrisch angeordneten Hülsen
auf rotierenden Wellen. Wenn hier auf eine Schleifringübertragung verzichtet
werden soll, so muss das Sensorelement statisch angeordnet sein
und am rotierenden Sensor eine Messgrösse erfassen.
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Solche Lösungen sind vor allem bei Magnetoelastischen
Messverfahren und bei Hochfrequenzmessverfahren bekannt.
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Weiter bekann sind Sensoren zur Drehmomentmessung
auf Grundlage der Messung von induktiven und magnetoresitiven Grössen.
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Bekannt ist ein Drehmomentsensor
von MMT Moving Magnet Technologies (http://www.movingmagnet.com/Torque.htm).
Bei diesem Sensor sind sämtliche
Elemente Radial zentriert angeordnet. Die Magnete befinden sich
demnach auf dem geringsten nutzbaren Umfang im Zentrum des magnetischen
Jochs. Das magnetische Joch besteht aus zwei symetrischen Schalen,
welche über
den Magneten oder dem Ringmagnet angeordnet sind.
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Im Gegensatz zu der vorgestellten
Erfindung muss dieser Sensor von einem Stützkörper geführt und mechanisch stabilisiert
werden. Zwar befindet sich im Inneren des Jochs ein Füllring aus
nichtleitendem magnetischem Material, jedoch kann dieser lediglich
eine gleichrmässige
Distanz der beiden konkaven Halbschalen zueinander herstellen. Der
Ring kann den Sensor selbst nicht stabilisieren. Weiter kann der
Sensor keine Stützkräfte aufbringen.
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Auch bei diesem Sensor wird durch
die Relativbewegung der beiden Halbschalen zueinander eine der Überdeckung
proportionale magnetische Feldstärke
in den beiden Halbschalen erzeugt. Im Gegensatz zu den bekannten
inkrementalen Sensorlagern misst die Hallsonde nicht direkt die
Feldstärke über der
Magnetcodierung sonder beim MMT Drehmomentsensor wird die magnetische
Feldstärke
mittelbar zwischen den beiden concaven Halbschalen gemessen.
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Das Prinzip der durch sich überlagernde Schlitze
erzeugten variablen Fläche
ist von Sensorem verschiedener Messverfahren bekannt (Das Handbuch
für Ingenieure;
Ausg. 5 ISBN 3-8169-0689-9). Ein solcher Wirbelstrom-Drehmomentsensor
mit konzentrischen Schlitzhülsen
wird von der Firma Bosch in Serie hergestellt.
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Der bekannte Torque Sensor von MMT
hat die Nachteile es hohen Platzbedarfs, da zusätzliche Stützlager notwendig sind. Das
Moment kann deshalb nur konzentrisch eingebracht weden. Durch die Anordnung
der variablen Magnetüberdeckung
unter den Magnetjoch wird viel axialer Bauraum beansprucht. Der
Kabelabgang ist ungünstig.
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Vorteile der Erfindung:
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Hauptvorteil der Erfindung ist die
Erkenntnis, dass dort wo ein Moment gemessen wird, eine Kraft impliziert
werden muss, die meist nicht konzentrisch ist. In den meisten Fällen wird
man die Kraft an einer Schnittstelle, z.B. bei einem Getriebe an
einer Getriebestufe messen. Diese tangential wirksame Kraft muss
durch ein Lager abgestützt
werden. Hier kommt das Sensorlager, auf dem die Erfindung beruht,
vorteilhaft zum Einsatz.
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Im Gegensatz zum bekannten Stand
der Technik handelt es sich bei der vorgestellten Erfindung um ein
Lager, dessen stützende
Schalen konstruktiver Bestandteil des Sensors selbst sind. Es wird
kein Magnetring, sondern eine Magnetscheibe und eine seitlich angeordnete
variable Fläche
angeordnet. Der Sensor selbst hat Tragfunktion und gewährleistet
eine präsise
Abstützung
der Hülse
auf der Welle. Durch die Stützfunktion
wird gleichzeitig der Jochspalt stabil gehalten. Das Sensorlager
eignet sich auch in Überlagerungsgetrieben
zur Messung der Relativdrehzahl. Es lässt sich somit auch sehr gut in
Lenkgetrieben ohne zusätzliche
Abstützung
einsetzen. Das Sensorlager zeichnet sich durch seine geringe Teilevielfalt
aus.
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In einer weiteren Ausführung kann
ein elastisches Verformungsmodul direkt im Lager integriert werden.
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Kennzeichnend für die hier vorgestellte Erfindung
ist die Einbeziehung der funktionalen Teile des Sensors als Komponenten
des Lagers. Das hier vorgestellte Sensorlager ist also nicht nur
eine Kombination aus Sensor und Wälzlager, wie der Begriff bisher gebräuchlich
ist, sondern eine direkte funktionale Integration der Lagerkomponenten
und der aktiven Komponenten des Sensors.
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Der Sensor besteht aus einem Lager,
wobei das Moment in das Loslager eingeleitet und durch das Festlager
abgestützt
wird, oder auch visa versa. Die beiden Lagerschalen sind durch ein
elastisches Element miteinander torsionselastisch verbunden. Wie
in der
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1 gezeigt,
ist die Lagerinnenschale (1/4 Lagerinnenschale)
durch ein Torsionselement (1/1 Torsionselement)
mittelbar über
das Aussenrohr (1/2 Aussenrohr)
mit der Lageraussenschale (1/3 Lageraussenschale)
verbunden.
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Beim einleiten einer Kraft über den
Torsionsstab oder die Lagerinnenschale erfolgt eine der Torsionsfederstützkraft
proportionale Verdrehung der beiden Lagerschalen gegeneinander.
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Wie in 2 und 3 zu sehen, ist beide Lagerringe
an je einer ihrer Stirnflächen
radial scheibenförmig
ausgebildet. Beide Lagerschalen haben an dieser scheibenförmigen Ausbildungen
eine der Form der Magnetsegmente oder der Magnetisierung der Magnetscheibe
entsprechende Profilierung.
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Die aufteilung dieses Flächenprofiles
entspricht der Anzahl und Aufteilung der Magnete oder der Magnetisierung.
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Die Magnetscheibe ist wiederum drehfest
mit einer der Lagerschalen über
diese erhabenen Flächen
verbunden. Das bedeuted, dass eine der scheibenförmigen radialen Ausformungen
der Lagerschalen einen maximalen Magnetfluss durch die Lagerschale
ermöglicht.
Die andere Lagerschale des Lagers leitet den Magnetfluss durch einen
Luftspalt über
die erhabenen Flächen
in die Lagerschale.
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Eine Verdrehung der Lagerschalen
zueinander bewirkt eine stärker
werdende oder geringer werdende flächige Überdeckung der durch eine Luftspalt von
der Magnetscheibe getrennten Lagerschale und damit eine zunehmend
gleichpolige oder gegenpolige Magnetisierung, also eine Änderung
der Flussstärke
durch diese Lagerschale.
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Eine gleichpolige Magnetisierung
bedeuted eine gegen 0 gehende Flussstärke durch die Lagerschalen.
Das Magnetische Joch schliesst sich an der gegenüberliegenden Stirnfläche der
beiden Lagerschalen bzw. beim Sensorring (1/9 Sensorring).
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Die Magnetscheibe (1/5 Magnetscheibe) ist drehfest
mit einer der beiden Lagerschalen direkt und ohne Luftspalt verbunden.
Dadurch ist der magnetische Fluss über eine maximale Kontaktfläche in die
drehfest mit der Magnetscheibe verbundene Lagerschale möglich.
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Die Anzahl der Magnete ergibt die
mögliche relative
Verdrehung der beiden Lagerschalen zueinander in Bezug auf die Signaländerung
des Sensors.
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In einer weiteren Ausführung ist
der Magnetring mit dem Torsionselement drehfest verbunden, so daß bei dieser
Ausführung
beim Verdrehen der beiden Lagerschalen gegeneinander der Ring seine
absolute Position nicht ändert.
Damit ergibt sich bei Anordung des Magnetkreises in der Mitte des
Verformungskörpers
eine Verdoppelung der möglichen Winkelverdrehung
beider Lagerschalen gegeneinander für einen Signalspitzendurchgang.
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Die Signalspitze oder die maximale
Flussdichte im magnetischen Joch wird bei einer maximalen Überdeckung
von Magnetfläche
und der zugehörigen überlagernden Übertragungsfläche des
Magnetflusses am Lagerring erreicht.
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Beide Lagerringe sind mit je einem
Feld von Flächensegmenten
versehen, welche in Ihrer Ausbildung weitgehend den Magnetpolen
der Magnetscheibe oder dem Magnetring oder den analog angeordneten
Magnetsegmenten entspricht, wie aus 1 und 2 ersichtlich.
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Der Lagerring, der fest mit der Magnetscheibe
verbunden ist, ist auf eine maximale Überdeckung voreingestellt.
Der zweite Lagerring, auf dessen Feld die magnetische Flussübertragung
des Magnetringes oder der Magnetscheibe analoge durch einen Luftspalt
erfolgt, ist mit dem anderen Lagerring über ein elastisches Element
entsprechend der Lagerfunktion drehbar gekoppelt. Eine relative
Rotation beider Lagerschalen zueinander bewirkt eine sich verändernde Überlagerung
von Magnet und Segmentflächen
und dadurch eine sich verändernde Flussdichte.
Eine maximale Flussdichte wird bei einer vollständigen Überdeckung von magnetsegmenten
eines Poles erreicht, eine minimale Flussdichte bei minimaler Überdeckung.
Daraus ergibt sich, dass eine effektive Funktion dann gegeben ist,
wenn die Anzahl der Magnetpole der Anzahl der Flächensegmente auf jeder Lagerschale
entspricht.
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Beide Lagerschalen bilden ein magnetisches Joch.
Der Magnetfluss wird über
einen Luftspalt oder durch direkten Kontakt in die segmentierten
Rezeptorflächen
aufgenommen und über
die Lagerschalen zur gegenüberliegenden
Stirnfläche
des Lagers weitergeleitet. Die Lagerschalen müssen demnach aus magnetische
Leitfähigem
Material ausgebildet sein. Die Lagerschalen können auch geteilt sein, wie
bei Wälzlagern
heute, vor allem bei sogenannten Vierpunktlagern üblich.
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Bei geteilten Lagerschalten lässt sich
der Jochspalt enger gestalten.
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Der optimale Magnetfluss setzt indessen auch
voraus, dass die Wälzkörper aus
nichtmagnetisierbarem Material, vorzugsweise ceramischem Material
ausgeführt
sind. Das Sensorlager kann jedoch auch als Gleitlager ausgeführt sein.
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Die magnetische Übertragungsfläche und die
Magnetfläche
selbst können
sowohl axial als auch radial angeordnet sein, wie in 4 gezeigt.
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In einer weiteren Ausführung kann
das elastische Element zur Momentabstützung direkt in das Lager eingebaut
sein. Die Ausführung
ist in 5 gezeigt. Der
Magnetring wird dann zentral oder aussermittig angeordnet sein.
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Vorteilhaft ist die kombinierte Ausbildung
von Abstützfeder,
Wälzkörper und
Käfig.
In der gezeigten Ausführung
sind die Wälzkörper zwischen
die Windungen der schraubenförmigen
Abstützfeder
in einen gespritzten Kunststoffkäfig
eingebettet.
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In einer weiteren Ausführung ist
das in 5 beschriebene
Sensorlager als Gleitlager ausgeführt. Die Lageraussenschale
gleitet dann über
die als Gleitkörper
ausgebildete Schraubentorsionsfeder auf der Lagerinnenschale.
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In einer weiteren Ausführung kann,
wie in 6 gezeigt, der
Ringmagnet in der Mitte des elastischen Elementes angeordnet mit
diesem drehfest verbunden sein. Dadurch wird erreicht, dass beim Einleiten
einer Kraft der Ringmagnet seine Position nicht ändert, die beiden Lagerschalen
jedoch relative zum Ringmagnet eine gegengerichtete Drehbewegung
ausführen.
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Bei dieser Ausführung wird der magnetische Fluss
in beide Lagerschalen über
je einen Luftspalt geleitet. Bei dieser Ausführung wird für nicht
gleichnamige Magnetpole eine möglichst
gleich grosse und synchrone Überdeckung
der sich überlagernden
Flächen
angestrebt.
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Dies hat den Vorteil, dass die Torsion
bis zum Erreichen der höchsten
Flussdichte doppelt so gross sein kann und dass die Stärke des
Messignales ebenfalls wesentlich grösser ist, da eine variable Überlagerung
der Flächen
bei beiden Lagerschalen stattfindet. Der Magnetring kann bei einem
nichtlinearen elastischen Element, z.B. bei einer progressiv gewickelten
Abstützfeder
auch aussermittig angeordnet sein. Vorteilhafter Weise wird man
die kraftschlüssige
Anbindung des Magnetrings an der Stelle des elastischen Verformungselementes
vornehmen, an der die Umkehr der gegensinnigen Verdrehung der beiden
angekoppelten Lagerschalen stattfindet und dessen Position durch
die Torsion sich nicht oder nur unwesentlich ändert. Entscheidend ist die
Ankoppelung an dieser Stelle der Verformungsumkehr. Die Ankoppelung
kann auch mittelbar über
eine Buchse oder dgl. mehr erfolgen, so dass der Magnetring nicht an
dieser Stelle positioniert werden muss.
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In einer weiteren Ausführung der
Erfindung kann das Sensorlager mit einem in das Lager integrierten
Klemmkörper-
oder Sperrklinkenfreilauf kombiniert sein.
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In einer weiteren Ausführung der
Erfindung ist das elastische Element in das Sensorlager integriert
(5, 6). In der gezeigten Ausführung kommt
ein zweireihiges Wälzlager
mit dazwischen gespannter Torsionsschraubenfeder zum Einsatz. 1/5 Torsionsfeder
und 5/5 Wälzkörper sind
aus nichtmagnetischem Werkstoff. Die Torsionsfeder ist mit je einem
Ende fest mit einer Lagerschale verbunden. Der Magnetring kann sich,
wie in 5/7 dargestellt
entweder an einem Ende des Lagers oder wie in 5/5 dargestellt in einer anderen,
vorzugsweise einer Position der Richtungsumkehr des elasitschen
Elementes befinden, wie in 6/5 dargestellt.
Dann wird der Magnetring den magnetischen Fluss über zwei Luftspalte aus dieser relativ
statischen Positon auf das magnetische Joch übertragen.
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Die Torsionschraubenfeder ist in
den Wälzkörperkäfig eingebettet.
Das das Torsionssensorlager nur im Masse der Verformung des elastischen Körpers geringe
rotative Fege ausführt,
sind die Wälzkörper zur
Abstützung
der Lagerschalen gegeneinander in den Käfig zwischen die Schraubenfederwindungen
eingebettet (6/7 Wälzkörper und 5/7 Käfig).
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Das Sensorelement ist wie beim Sensorlager ohne
integrierte Feder an einer Stirnseite des Lagers angeordnet. Dabei
ist es unerheblich, ob es ein einreihiges oder ein zweireihiges
Lager ist.
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In einer weiteren Ausführung der
Erfindung kann der Magnetfluss noch verstärkt werden, indem der Sensorring
(4/8) aus Material
gefertigt ist, welches den Fluss leitet. Dadurch können die
Feldlinien am Sensorelement verstärkt werden.
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Ein entsprechender Ring kann auf
jeder der beiden oder beiden Lagerspalten angeordnet sein. Dieser
Ring kann gleichzeitig als Dichtung ausgebildet sein. Es könnte beispielsweise
eine Metalllabyrintdichtung zu diesem Zwecke eingesetzt werden.
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Beschreibung Abbildung
1
- 1
- Torsionselement
- 2
- Aussenrohr
- 3
- Lageraussenschale
- 4
- Lagerinnenschale
- 5
- Magnetscheibe
- 6
- Lagerkäfig
- 7
- Wälzkörper
- 8
- Sensor
- 9
- Sensorring
- 10
- Verzahnung
-
Beschreibung Abbildung
4
- 1
- Torsionselement
- 2
- Aussenrohr
- 3
- Lageraussenschale
- 4
- Lagerinnenschale
- 5
- Magnetscheibe
- 6
- Lagerkäfig
- 7
- Wälzkörper
- 8
- Sensor
-
Beschreibung Abbildung
5
- 1
- Torsionselement
- 2
- Aussenrohr
- 3
- Lageraussenschale
- 4
- Lagerinnenschale
- 5
- Magnetscheibe
- 6
- Lagerkäfig
- 7
- Wälzkörper
- 8
- Sensor
- 9
- Sensorring
- 10
- Verzahnung
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Beschreibung Abbildung
6
- 1
- Torsionselement
- 2
- Aussenrohr
- 3
- Lageraussenschale
- 4
- Lagerinnenschale
- 5
- Magnetscheibe
- 6
- Lagerkäfig
- 7
- Wälzkörper
- 8
- Sensor
- 9
- Sensorring
- 10
- Verzahnung
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Beschreibung Abbildung
7
- 1
- Wälzkörper
- 2
- Lagerschale
- 3
- Lagerschale
- 4
- Magnetscheibe
- 5
- Sensor