DE3402631A1

DE3402631A1 - Linear-kugellager zum uebertragen von drehmomenten

Info

Publication number: DE3402631A1
Application number: DE19843402631
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Teramachi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-01-29
Filing date: 1984-01-26
Publication date: 1984-08-09
Also published as: GB8326184D0; DE3402631C2; IT1177516B; IT8447606A0; FR2540201B1; GB2134603A; FR2540201A1; JPS59140920A; US4629337A; GB2134603B

Description

Linear-Kugellager zum übertragen von Drehmomenten

Die Erfindung betrifft ein Linear-Kugellager zum übertragen von Drehmomenten.

Derartige Linear-Kugellager, welche gelegentlich auch als Rillenkugellager bzw. als Schulterkugellager bezeichnet werden, sind bekannt und umfassen typischerweise einen äußeren Lagerring, eine Keilnutwelle und einen zwischen diesen Elementen angeordneten Kugelkäfig, welcher mehrere Schlitze aufweist, die der Aufnahme von Kugeln dienen, die im Betrieb belastet sind und bei einer axialen Relativbewegung längs der Schlitze rollen können. Bei derartigen Linear-Kugellagern beträgt der Kontaktwinkel welcher als Winkel zwischen der Verbindungslinie der Kontaktpunkte einer Kugel mit den sie führenden Kugelnuten einerseits und einer durch den Mittelpunkt der Kugel und die Mittelachse des Lagers gehenden Linie definiert ist, etwa 30°.

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Es hat sich gezeigt, daß bei einem Kontaktwinkel von etwa 30° das mit Hilfe des Linear-Kugellagers übertragbare Drehmoment relativ gering ist. Außerdem erhöht die Notwendigkeit für die Verwendung eines Kugelkäfigs bei den bekannten Ijinear-Kugellägern die Pertigungs- und Montagekosten .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Linear-Kugellager zum Übertragen von Drehmomenten anzugeben, welches bei kompaktem, vergleichsweise einfachem Aufbau die übertragung großer Drehmomente ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Linear-Kugellager zum Übertragen von Drehmomenten gelöst, welches gemäß der Erfindung durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:

es ist ein äußerer Lagerring vorgesehen, der an seiner inneren Mantelfläche mit mehreren, in axialer Richtung verlaufenden, in Umfangsrichtung in vorgegebenen Abständen voneinander angeordneten Kugelnuten versehen ist und in dem mehrere, der Aufnahme unbelasteter Kugeln dienende, in.axialer Richtung verlaufende, in Umfangsrichtung in vorgegebenen Abständen voneinander angeordnete Kugelkanäle vorgesehen sind; es ist eine Keilnutwelle vorgesehen, die vom hohlen Inneren des äußeren iagerrings aufgenommen wird, und die an ihrer Mantelfläche mit; mehreren, in axialer Richtung verlaufenden Keilnuten versehen ist, von denen jede zusammen mit einer.zugeordneten Kugelnut des äußeren Lagerrings einen Kugelkanal für im Betrieb belastete Kugeln bildet; und es sind zwei ~ Kappen

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vorgesehen, von denen jeweils eine an je einem der beiden offenen Enden des äußeren Lagerrings angebracht und auf ihrer dem Lagerring zugewandten Innenseite mit einer Anzahl von Kugel-Umlenknuten versehen ist, die jeweils einen der Aufnahme von belasteten Kugeln dienenden Kugelkanal mit einem zugeordneten, der Aufnahme von unbelasteten Kugeln dienenden Kugelkanal derart miteinander verbinden, daß sich geschlossene Umlaufbahnen für Kugelketten ergeben, welche jweils eine Anzahl von Kugeln umfassen.

Es ist ein wesentlicher Vorteil desLinear-Kugellagers gemäß der Erfindung, daß auf den üblichen Kugelkäfig verzichtet werden kann, so daß die der Übertragung des Drehmoments dienenden, im Betrieb belasteten Kugeln tiefer in die Kugelnuten der Keilnutwelle und des äußeren Lagerrings eingreifen können, wodurch sich ein höherer Kontaktwinkel von etwa 45° ergibt, so daß hohe Drehmomente übertragen werden können, während gleichzeitig die Produktionskosten verringert werden und die Montage vereinfacht wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von ünteranspruchen. Es zeigen:

Fig. 1A eine Stirnansicht einer bevorzugten

Ausführungsform eines Linear-Kugellagers gemäß der Erfindung bei abgenommener Kappe;

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Fig. 1B einen vergrößerten Ausschnitt der Darstellung gemäß Fig. 1A;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Lager gemäß Fig. 1, jedoch ohne die Keilnutwelle;

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Lager gemäß

Fig. 1 längs der Linie III-III in Fig.1A;

Fig. 4 eine Stirnansicht des Süßeren Lagerrings des Lagers gemäß Fig. 1;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch den Lagerring gemäß Fig. 4 längs der Linie V-V in dieser Figur;

Fig. 6 einen Längsschnitt durch den Lagerring gemäß Fig. 4 längs der Linie VI-VI in dieser Figur;

Fig. 7 eine Stirnansicht der Keilnutwelle des Lagers gemäß Fig. 1;

Fig. 8 eine Seitenansicht der Keilnutwelle gemäß Fig. 7;

Fig. 9 eine Draufsicht auf die Außenseite einer Kappe des Lagers gemäß Fig. 1 und 2;

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Fig. 10 eine Draufsicht auf die Innenseite der Kappe gemäß Fig. 9;

Fig. 11 einen Querschnitt durch die Kappe gemäß Fig. 9 längs der Linie XI-XI in dieser Figur;

Fig. 12 einen Querschnitt durch die Kappe

gemäß Fig. 10 längs der Linie XII-XII in dieser Figur;

Fig. 13 einen Querschnitt durch die Kappe

gemäß Fig. 10 längs der Linie XIII-XIII in dieser Figur und

Fig. 14 den Darstellungen gemäß Fig. IA und und 1B entsprechende Stirnansichten eines Fig. 15 konventionellen Linear-Kugellagers.

Ehe nachstehend näher auf die Erfindung eingegangen wird, soll zunächst anhand von Fig. 14 und 15 noch einmal der Beschreibungseinleitung angesprochene Stand der Technik näher erläutert werden. Im einzelnen zeigen Fig. 14 und 15 ein typisches/ der Übertragung eines Drehmoments dienendes Linear-Lager mit einem äußeren Lagerring 100 und mit einem Kugelkäfig 102, welcher zwischen dem äußeren Lagerring 100 und einer Keilnutwelle 101 angeordnet ist. Der .Kugelkäfig 102 besitzt mehrere axiale Nuten 103, welche der Aufnahme von mehreren, der Übertragung eines Drehmoments dienenden, im Betrieb belasteten Kugeln 1.04

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dienen, die längs der Nuten 103 entlangrollen können. Bei diesem konventionellen Linear-Lager beträgt der Winkel θ etwa 30°. Der Winkel θ ist dabei als Winkel zwischen zwei Geraden X-X und Y-Y definiert, von denen die Gerade X-X den Mittelpunkt O des äußeren Lagerrings 100 bzw. der Keilnutwelle 101 mit dem Mittelpunkt O' einer Kugel 104 verbindet. Die zweite Gerade X-X ist durch die Verbindungslinie definiert, welche zwei Punkte P₁, P„ miteinander verbindet, an denen die betreffende Kugel 104 in Kontakt mit den zugeordneten Nuten 105,106 im äußeren Lagerring 100 bzw. in der Keünutwelle 101 steht. Bei einem Kontaktwinkel θ von etwa 30°, wie er sich bei einem konventionellen Linear-Lager ergibt, ist das mit Hilfe des Linear-Lagers übertragbare Drehmoment in unerwünschter Weise eingeschränkt. Außerdem wird durch die Notwendigkeit,zwischen dem äußeren Lagerring 100 und der Keünutwelle 101 den Kugelkäfig 102 anzuordnen, die Anzahl der Bauteile in unerwünschter Weise erhöht, wodurch die Produktionskosten für das Linear-Kugel-Lager steigen und außerdem der Zusammenbau erschwert wird. Diese Nachteile werden bei einem erfindungsgemäßen Linear-Lager überwunden, welches nachstehend anhand von Fig. 1 bis 13 detailliert erläutert wird.

Im einzelnen zeigen Fig. 1 bis 13 ein erfindungsgemäßes Linear-Lager .zur Drehmomentübertragung, bei dem ein äußerer Lagerring 1 eine Keünutwelle 2 unmittelbar umgibt, bei dem also kein Kugelkäfig vorgesehen ist. Bei dem betrachteten, bevorzugten Ausführungsbeispiel ist an jedem der beiden offenen Enden des äußeren Lager-

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rings 1 jeweils eine Abdeckung bzw. eine Kappe 3 vorgesehen, wobei die Kappen 3 die Bildung von Kugelketten 4 ermöglichen, von denen jede aus einer Anzahl von Kugeln besteht, die bei einer Axialbewegung zwischen dem äußeren Lagerring 1 und der Keilnutwelle 2 auf geschlossenen, ringförmigen Bahnen umlaufen können.

Im einzelnen wird aus Fig. 1 bis 6 deutlich, daß der äußere Lagerring 1 ein hohlzylindrisches Bauteil ist, welches aus einem durch Abschrecken härtbaren Material besteht und an seiner inneren Mantelfläche mit drei in axialer Richtung verlaufenden Trennstegen 100 versehen ist, die in Umfangsrichtung jeweils um 120° gegeneinander versetzt sind. Längs beider Seiten jedes der Trennstege 10 sind in der inneren Mantelfläche des äußeren Lagerrings 1 außerdem halbrunde Nuten 11 vorgesehen, die im Betrieb der Aufnahme der belasteten Kugeln dienen. Die Nuten 11 sind dabei symmetrisch zur radialen Mittelebene der Trennstege angeordnet. Insgesamt sind also -drei Paare von halbrunden Nuten 11 bzw. sechs Nuten in der inneren Mantelfläche des äußeren Lagerrings 1 ausgebildet. Dabei ist der Radius der Nuten 11 größer als der Radius der von ihnen aufzunehmenden Kugeln der Kugelketten 4. Durch die beschriebene Anordnung wird die Kontaktfläche zwischen den belasteten Kugeln und der Nutfläche, die sich bei Belastung aufgrund der elastischen Verformung der Kugeloberflache und der Nutoberfläche ergibt, gegenüber den bekannten Linear-Lagern.erhöht, so daß die Belastung pro Flächeneinheit verringert wird, was bedeutet, daß das mit dem erfindungsgemäßen Linear-Lager übertragbare Drehmoment erhöht wird.

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Der äußere Lagerring 1 ist ferner mit sechs Kugelkanälen 12 versehen, die im Material des Lagerrings 1 ausgebildet und in ümfangsrichtung in vorgegebenen Abständen voneinander angeordnet sind und der Aufnahme der im Betrieb nicht belasteten Kugeln der Kugelketten 4 dienen. Um ein leichtes Rollen der Kugeln in den Kugelkanälen 12 zu gewährleisten, haben diese einen etwas größeren Durchmesser als die Kugeln. Am Ausführungsbeispiel liegen die Kugelkanäle 12, welche in axialer Richtung verlaufen, jeweils zu beiden Seiten der einzelnen Trennstege und sind symmetrisch zur Mittelebene der Trennstege angeordnet.

Nachstehend soll unter Bezugnahme auf Fig. 1 näher erläutert werden,wie die halbrunden Nuten 11 in Verbindung nit den zugeordneten Nuten 21 der Keilnutwelle 2 einerseits als Kanäle für die im Betrieb belasteten Kugeln mit den Kugelkanälen 12 andererseits für die im Betrieb unbelasteten Kugeln zusammenwirken, um diese Erläuterung zu vereinfachen, soll lediglich derjenige Trennsteg 10 betrachtet werden, der in Fig. 1 im oberen, mittleren Teil des äußeren Lagerrings 1 liegt. Man erkennt, daß eine halbrunde Nut 11₁ auf der linken Seite des Trenn-. Stegs 10 liegt und zusammen mit einem Kugelkanal 12.. auf der linken Seite des Trennstegs 10 zu einem geschlossenen Kugelkanal für eine Kugelkette gehört. In entsprechender Weise gehören eine Nut H₂ und ein Kugelkanal 12_ auf der rechten Seite des Trennstegs 1.0 zu einem anderen geschlossenen Kugelkanal für eine weitere Kugelkette.

Der aus der Nut 11_Ί und der zugeordneten Nut 21 gebildete innere Kugelkanal besitzt einen Mittelpunkt O₁, während

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der zugehörige .äußere Kugelkanal 12- einen Mittelpunkt C>2 besitzt. Der Radius r.. zwischen dem Mittelpunkt O des äußeren Lagerrings 1 ist dabei kleiner als der Radius r zwischen den Mittelpunkten O und O₂, wobei die Differenz R = r- - r^ so gewählt ist, daß sie kleiner als der Kugeldurchmesser ist, so daß die Kugelkanäle 12 im Material des äußeren Lagerrings 1 an einer Stelle vorgesehen werden können, die bezüglich der Lage der zugehörigen Nut 11 relativ dicht am Mittelpunkt 0 des äußeren Lagerrings 1 liegt. Folglich kann der Einfluß der Zentrifugalkraft auf die im Betrieb unbelasteten Kugeln 4 in den Kugelkanälen 12 bei rotierendem äußeren Lagerring 1 gegenüber dem Stand der Technik verringert werden, um so ein glattes Umlaufen der Kugeln zu fördern.

Wie aus Fig. 1, 7 und 8 deutlich wird, besitzt die Keilnutwelle 2 einen im wesentlichen kreisrunden Querschnitt und wird mit geringem Spiel von dem äußeren Lagerring 1 aufgenommen.. An ihrer Mantelfläche ist die Keilnutwelle 2 mit Trennstegen 20 versehen, welche den Trennstegen 10 des äußeren Lagerrings 1 entsprechend und welche in Umfangsrichtung ebenfalls um 120° versetzt sind. Zu beiden Seiten jedes der.Trennstege 20 ist dabei wieder eine halbrunde Nut 21 vorgesehen, welche im Betrieb der Aufnahme der belasteten Kugeln 4.. dient, wobei die Nuten 21 symmetrisch zur radialen Mittelebene jedes Trennstegs 20 angeordnet sind. Am Umfang der Keilnutwelle 2 sind also drei Paare von Keilnuten 21 vorgesehen. Die halbrunden Nuten 11 und die Keilnuten 21 bilden also insgesamt 6 Kugelkanäle, wobei auch der Radius der Keilnuten 21 wieder größer ist als der Radius der Kugeln 4.

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Die Kugeln 4 bestehen aus Stahl und können in den durch die Nuten 11 und 21 gebildeten Kugelkanälen laufen, da die Nuten 11 und 21 jeweils etwa eine dem Kugelradius entsprechende Tiefe besitzen. Durch den Verzicht auf den Kugelkäfig ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Linearlager ein deutlich vergrößerter Winkel θ von etwa 45°, wie dies aus Fig. 1B deutlich wird, wo die Verbindungslinie X-X zwischen den Mittelpunkten O und O' eingezeichnet ist sowie die Verbindungslinie Y-Y zwischen den beiden Berührungspunkten P.. und V , welche die im Betrieb belastete Kugel 4 mit den Nuten 11 bzw. 21 besitzt.

Die vordere und die hintere Kappe 3 ist jeweils am axial offenen Ende des äußeren Lagerrings 1 befestigt. Die Kappen 3 werden als Kunststoff-Spritzteile, durch Präzisionsgießen oder durch Formgießen hergestellt. Wie in Fig. 1 bis 3 sowie in Fig. 9 bis 13 gezeigt, besitzt jede Kappe 3 auf ihrer Innenseite mehrere Kugel-Umlenknuten 30, wobei jede dieser Umlenknuten jeweils einen Kugelkanal für die belasteten Kugeln mit einem Kugelkanal 12 für die unbelasteten Kugeln einer Kugelkette verbindet. Die aus einem inneren Kugelkanal 11,21 austretenden Kugeln werden also zwangsweise umgelenkt und rollen längs der Umlenknuten 30.ab _h bis sie in den betreffenden Kugelkanal 12 eingeführt sind.. In entsprechender Weise werden die Kugeln aus dem Kugelkanal 12 in den Kugelkanal .11,21 umgelenkt. An den Enden der Umlenknuten 30 sind dabei angrenzend an den Kugelkanal 11 ,21 für die belasteten Kugeln Zungen 31 angeformt, welche die

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aus dem angrenzenden Kugelkanal 11,21 austretenden Kugeln 4- glatt und fehlerfrei in die Umlenknuten hineinheben.

Das erfindungsgeinäße Linear-Kugellager arbeitet wie folgt:

Wenn sich der äußere Lagerring 1 oder die Keilnutwelle 2, während sie eine Drehbewegung ausführen, in axialer Richtung bewegen, dann laufen die belasteten Kugeln A., die der Drehmomentübertragung dienen, längs des äußeren Lagerrings 1 in axialer Richtung, wobei sie in einem perfekten Rollkontakt mit den Flächen der Kugelkanäle 11,21 stehen. Dabei werden die Kugeln 4.. nacheinander von den Zungen 31 der Kappen 3 in die betreffenden Umlenknuten 30 gelenkt. Damit endet die Belastung der betreffenden Kugeln und diese werden nach Passieren der betreffenden Umlenknuten 30 in die zugeordneten Kugelkanäle 12 für die unbelasteten Kugeln 4„ eingeführt. Auf diese Vieise erreicht man, daß die Kugeln der einzelnen Kugelketten 4 auf.ihren geschlossenen Bahnen umlaufen.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß bei dem erfindungsgemäßen Linear-Lager zur· Drehmomentübertragung auf einen Kugelkäfig verzichtet werden kann, wie er bei den konventionellen Linear-Lagern als wesentliches Bauteil benötigt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Linearlager liegen -sich die Nuten im äußeren Lagerring und in der Keilnutwelle dagegen unmittelbar gegenüber und definieren gemeinsam Kugelkanäle für die belasteten Kugeln, so daß diese tief in die Nuten hineinragen, so daß sich ein großer Kontaktwinkel von etwa 45° ergibt," wodurch

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das übertragbare Drehmoment bei sonst gleichen Bedingungen merklich erhöht wird.

Gemäß der Erfindung ist es also möglich, den Durchmesser des äußeren Lagerrings und der Keilnutwelle gegenüber dem Stand der Technik zu verringern/ ohne daß damit die Belastbarkeit und das übertragbare .Drehmoment reduziert würden.

Es wird also ein kompaktes Linear-Kugellager geschaffen, welches einer hohen Belastung standhält und ein großes Drehmoment übertragen kann. Ein derartiges, kompaktes Linear-Kugellager ermöglicht,beispielsweise beim Einsatz für drehbare Teile eines Industrie-Roboters, eine kompakte Ausbildung des Roboters selbst bei hoher Leistungsfähigkeit desselben.

Außerdem wird durch den Verzicht auf den Kugelkäfig die Anzahl der Teile verringert, wodurch auch die Produktionskosten gesenkt, werden. Zusätzlich wird auch die Montage des Lagers vereinfacht, wodurch die Kosten weiter gesenkt werden. Weiterhin wird durch den Verzicht auf einen Kugel-.käfig das Gesamtgewicht des Lagers verringert, so daß sich eine geringere träge Masse ergibt, wenn der äußere Lagerring oder die Keilnutwelle mit hoher Beschleunigung gestartet oder stillgesetzt werden. Das erfindungsgemäße Linear-Kugellager ist .damit aber besonders für Maschinen geeignet, welche mit hohen Geschwindigkeiten arbeiten müssen.

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Durch die unterschiedlichen Radien der Kugelnuten 11, 21 wird erfindungsgemäß erreicht, daß die Krümmung der Nutflächen etwas schwächer ist als diejenige der Kugeloberfläche, so daß die Kugeln leicht in den Kugelnuten laufen. Außerdem wird die Tiefe der Kugelnuten so gewählt, daß der Lagerring frei gegenüber der Keilnutwelle verschiebbar ist. Die Kugelnuten haben also kein vollständiges Halbkreisprofil, sondern sind geringfügig flacher.

Während vorstehend ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel erläutert wurde, versteht es sich, daß dem Fachmann, ausgehend von diesem Ausführungsbeispiel, zahlreiche Möglichkeiten für Änderungen und/oder Ergänzungen zu Gebote stehen, ohne daß er dabei den Grundgedanken der Erfindung verlassen müsste.

Claims

Hans Niemeyer 7024

Sh

DiDl Ina ~ Schwalbenstraße 11

^H ^y Telefon 0711/772650

Dresdner Bank AG Stuttgart Kt.-Nr. 1911934

Patentanwalt Dip! -Ing Hans Niemeyer. 7024 Filderstndl-4

A 2007 Anmelder: Hiroshi Teramachi

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25. Januar 1984 Setagaya-Ku

Tokio / Japan

Patentansprüche

Linear-Kugellager zum übertragen von Drehmomenten, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: Es ist ein äußerer Lagerring (1) vorgesehen, der an seiner inneren Mantelfläche mit mehreren, in axialer Richtung verlaufenden, in ümfangsrichtung in vorgegebenen Abständen voneinander angeordneten Kugelnuten (11) versehen ist und in dem mehrere, der Aufnahme unbelasteter Kugeln (4„) dienende, in axialer Richtung verlaufende, in Ümfangsrichtung in vorgegebenen Abständen voneinander angeordnete Kugelkanäle (12) vorgesehen sind; es ist eine Keilnutwelle (2) vorgesehen, die vom hohlen Inneren des äußeren Lagerrings (1) aufgenommen wird und die an ihrer Mantelfläche mit mehreren, in axialer Richtung verlaufendem Keilnuten (21) versehen ist, von denen jede zusammen mit einer zugeordneten Kugelnut (11) des äußeren Lagerrings (1) einen Kugelkanal (11,21) für im Betrieb belastete Kugeln (4.) bildet; und

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es sind zwei Kappen (3) vorgesehen/ von denen jeweils eine an je einem der beiden offenen Enden des äußeren Lagerrings (1) angebracht und auf ihrer dem Lagerring (1) zugewandten Innenseite mit einer Anzahl von Kugel-Umlenknuten (30) versehen ist, die jeweils einen der Aufnahme von belasteten Kugeln (4-) dienenden Kugelkanal (11,21) mit einem zugeordneten, der Aufnahme von unbelasteten Kugeln (4„) dienenden Kugelkanal (12) derart miteinander verbinden, daß sich geschlossene Umlaufbahnen für Kugelketten (4) ergeben, welche jeweils eine Anzahl von Kugeln umfassen.
2. Linear-Kugellager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktwinkel (Θ) für die im^Betrieb belasteten Kugeln H₁) in den zugeordneten Kugelkanälen (11,21) etwa 45° beträgt.
3. Linear-Kugellager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Kugel-Umlenknuten (30) in jeder der Kappen (3) an ihrem einen Ende mit einer Zunge (31) versehen ist.

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