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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lageranordnung, wobei die Lageranordnung mindestens ein erstes Wälzlager und ein zweites Wälzlager umfasst, die jeweils einen Lageraußenring und einen Lagerinnenring aufweisen und die zur Aufnahme axialer und radialer Lasten ausgebildet sind, wobei zwischen den beiden Wälzlagern eine definierte axiale Vorspannung oder Lagerluft eingestellt wird. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Lageranordnung.
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Bei einer Lageranordnung der gattungsgemäßen Art ist es nicht immer unproblematisch, eine axiale Lagervorspannung zwischen den beiden Wälzlagern so einzustellen, dass ein angestrebter Vorspannungswert erreicht wird. Mitunter sind aufwändige Einstellarbeiten erforderlich, im Rahmen deren Distanzscheiben so abgestimmt werden, dass sich nach dem Zusammenbau der Lageranordnung ein gewünschter Vorspannungswert ergibt. Analoges gilt für den Fall, dass keine Vorspannung im Lager, sondern eine definierte Lagerluft (oder Spielfreiheit) gewünscht wird.
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Dies ist mit entsprechend aufwändigen Maßnahmen verbunden, die hohe Kosten nach sich ziehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass in einfacher und reproduzierbarer Weise ein gewünschter Vorspannungswert oder eine definierte Lagerluft in der Lageranordnung erreicht wird. Die Lager-Vorspannung bzw. die Lagerluft soll also in reproduzierbarer und einfacher Weise erzeugt werden können, wodurch die Lageranordnung in kostengünstiger Weise herstellbar sein soll.
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Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung sieht verfahrensgemäß die Schritte vor:
- a) koaxiales Anordnen der beiden Wälzlager und Platzieren mindestens eines Federelements zwischen den beiden Lageraußenringen oder den beiden Lagerinnenringen;
- b) Axiales Zusammendrücken der beiden Lagerringe, zwischen denen das Federelement nicht angeordnet ist, durch eine axiale Klemmkraft;
- c) Einfassen der beiden Lagerringe, zwischen denen das Federelement nicht angeordnet ist, mit einem Material, das in einen gießfähigen Zustand gebracht wurde, so dass die beiden Lagerringe mit axialem Hinterschnitt vom gießfähigen Material eingefasst werden, wobei die Klemmkraft aufrecht erhalten wird;
- d) Aushärtenlassen des gießfähigen Materials;
- e) Wegnahme der axialen Klemmkraft.
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Die genannten Schritte c) und d) werden dabei bevorzugt im Rahmen eines Spritzgießprozesses durchgeführt, bei dem als gießfähiges Material Kunststoff verwendet wird.
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Bei der Durchführung des genannten Schritts a) kann das mindestens eine Federelement vor der koaxialen Anordnung der beiden Wälzlager mit einem der Lagerringe verbunden werden.
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Als Federelement kann ein separates Bauteil verwendet werden. Es kann aber hierbei auch eine Beschichtung verwendet werden, die auf mindestens einen der Lagerringe aufgebracht wird. Für diese Beschichtung sind verschiedene Ausgestaltungen möglich (s. unten).
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Bei der Durchführung des obigen Schritts c) kann mindestens ein weiteres Bauteil im noch gießfähigen Material angeordnet werden. Als das mindestens eine weitere Bauteil kann ein Lagerring eines weiteren Wälzlagers vorgesehen sein. Die Achse des ersten und zweiten Wälzlagers und die Achse des mindestens einen weiteren Wälzlagers können dabei konzentrisch zueinander angeordnet werden; es ist aber auch möglich, dass die Achse des ersten und zweiten Wälzlagers und die Achse des mindestens einen weiteren Wälzlagers exzentrisch und/oder unter Einschluss eines Winkels zueinander angeordnet werden. Eine solche Ausgestaltung ist insbesondere für Taumellageranwendungen vorteilhaft.
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Die erfindungsgemäße Lageranordnung umfasst mindestens ein erstes Wälzlager und ein zweites Wälzlager, die jeweils einen Lageraußenring und einen Lagerinnenring aufweisen und die zur Aufnahme axialer und radialer Lasten ausgebildet sind, wobei zwischen den beiden Wälzlagern eine definierte axiale Vorspannung oder Lagerluft eingestellt ist. Erfindungsgemäß zeichnet sich diese Lageranordnung dadurch aus, dass zwischen den beiden Lageraußenringen oder den beiden Lagerinnenringen der beiden koaxial angeordneten Wälzlager mindestens ein Federelement angeordnet ist, wobei die beiden Lagerringe, zwischen denen das Federelement nicht angeordnet ist, mit gießfähigen Material so eingefasst sind, dass die beiden Lagerringe mit axialem Hinterschnitt vom gießfähigen Material eingefasst werden.
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Die Erfindung schlägt also eine Vorgehensweise vor, um Wälzlager (insbesondere in X- oder in O-Anordnung) gegeneinander anzustellen und mit einer axialen Vorspannung bzw. Lagerluft zu versehen. Die eingestellte Vorspannung bzw. Lagerluft wird dann in einfacher und stabiler Weise fixiert.
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Dabei können zwei einzelne Lager miteinander gepaart werden. Um eine definierte Anstellung (d. h. Vorspannung) oder Lagerluft (gegebenenfalls auch eine Nullluft) der Lager zu erreichen, wird mit Federelementen (Distanzelementen) gearbeitet. Es können aber auch universell paarbare oder gepaarte Lager verwendet werden.
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Die Federelemente (Distanzelemente) können entweder zwischen den Stirnseiten der Außenringe oder der Innenringe oder auch zwischen beiden Ringpaaren angeordnet werden.
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Die Federelemente können dabei beispielsweise als Scheiben bzw. Ringe ausgebildet sein. Als Material kommt bevorzugt Stahl, Kunststoff, Lack, Filz oder Gummi zum Einsatz. Eine weitere Variante sieht hierfür eine Folie vor, was insbesondere bei kleinen Lagern vorteilhaft sein kann.
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Hinsichtlich der Platzierung der Federelemente kann primär zunächst ein Einlegen zwischen die axial benachbarten Lagerringe vorgesehen sein. Es ist aber auch ein Einkleben möglich, insbesondere im Falle der Verwendung von Folien als Federelement (ähnlich eines Klebebands oder eines doppelseitigen Klebebands).
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Die Federelemente können auch durch Punktschweißen an den Lagerringen befestigt werden.
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Die Federelemente können auch direkt auf die Lagerringstirnseiten aufgebracht werden, beispielsweise durch Lackieren, durch Beflocken, durch Beschichten oder durch Plasmaspritzen. Hierbei sind die unterschiedlichsten Beschichtungsmaterialien denkbar. Insbesondere können die Stirnseiten bei beiden benachbarten Lagerringe beschichtet werden (daraus kann beispielsweise eine Torsionssteifigkeitserhöhung resultieren, analog einer Reibscheibe).
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Das Beschichten der Stirnseiten kann auch mit Klebstoff erfolgen, der auf einen aufgebrachten Druck hin aktiviert wird und erst dann aushärtet. Zusätzlich kann auch eine Aktivierung in der Form vorgesehen werden, dass zwei Klebekomponenten (ähnlich wie bei einem Zwei-Komponenten-Kleber) in Kontakt gebracht werden.
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Als Federelement wird primär ein elastisches Distanzelement vorgesehen; dieses hat also eine Federwirkung in axiale Richtung, die zwischen den beiden benachbarten Lagerringen entfaltet wird. Der Vorteil ist hierbei, dass das Federelement nicht besonders genau gefertigt sein muss; demgemäß ist kein Ausmessen der Lager notwendig, die axiale Vorspannung im Lager kann infolge der Federfunktion auch nur sehr gering bis hin zu einer Nullluft (Spielfreiheit) sein.
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Es ist aber auch möglich, dass das Federelement teilweise plastisch verformt wird. Es kann beispielsweise nach dem Anpressen aushärten und hierbei fixiert werden. Es kann sich auch beim axialen Zusammenpressen plastisch verformen und dann in seiner Endposition aushärten; es bleibt dann in der Endposition stehen. Das Federelement soll in jedem Falle nach dem Aushärten die beiden Lager auf einem definierten Abstand halten.
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Generell gilt, dass das Federelement letztlich nur gewisse elastische Eigenschaften aufweisen muss. Dies kann beispielsweise auch durch ein relativ steifes Distanzelement realisiert werden (dessen Federkonstante entsprechend groß ist).
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Ein bevorzugter Anwendungsfall der vorgeschlagenen Lageranordnung ist die Schaffung einer solchen für eine Taumellageranwendung.
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In jedem Falle erfolgt die axiale Fixierung der Lagerringe mittels des eingespritzten Materials, bevorzugt durch den spritzgegossenen Kunststoff. Dabei besteht die Möglichkeit, auch weitere Bauteile mit in den Kunststoff einzuspritzen, um so mit den eingespritzten bzw. umspritzten Lagerringen verbunden zu werden. Ein solches mit an- bzw. eingespritztes Bauteil kann auch ein weiteres gepaartes Lagerpaar sein („Lager-in-Lager-Lösung“). Dabei müssen die beiden Achsen nicht unbedingt fluchten bzw. konzentrisch sein; es ist auch ein radialer und/oder ein Winkelversatz möglich (relevant beispielsweise für Taumellageranwendungen).
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Der Wärme-Ausdehnungskoeffizient des Federelements kann gleich, geringer oder höher sein als der des Wälzlagerstahls. Bei der Erwärmung der Lageranordnung dehnen sich die Lagerringe aus. Liegt dabei ein Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außenring vor, hat dies Auswirkungen auf die Lagerluft (in Abhängigkeit der Lageranordnung).
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Im Falle eines Federelements (Distanzelements), das zwischen den Innenringen bei X-Anordnung angeordnet ist bzw. im Falle eines Federelements, das zwischen den Außenringen bei O-Anordnung angeordnet ist, gilt, dass im Falle einer im Vergleich mit der Außenringtemperatur höheren Innenringtemperatur sich bei X-Anordnung die Lagerluft verringert: der Wärmeausdehnungskoeffizient des Federelements soll dann geringer als der des Wälzlagerstahls der Lageringe sein. Bei der O-Anordnung erhöht sich die Lagerluft: der Wärmeausdehnungskoeffizient des Federelements soll dann höher als der des Wälzlagerstahls der Lageringe sein.
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Ist die Innenringtemperatur kleiner als die Außenringtemperatur gilt, dass sich bei X-Anordnung die Lagerluft erhöht: der Wärmeausdehnungskoeffizient des Federelements soll dann höher als der des Wälzlagerstahls der Lageringe sein. Bei der O-Anordnung verringert sich die Lagerluft: der Wärmeausdehnungskoeffizient des Federelements soll dann geringer als der des Wälzlagerstahls der Lageringe sein.
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Sind die Temperaturen von Lagerinnenring und Lageraußenring gleich, gilt bei X-Anordnung, dass die Lagerluft (nahezu) gleich bleibt: der Wärmeausdehnungskoeffizient des Federelements soll dann gleich dem des Wälzlagerstahls der Lageringe sein. Gleichermaßen gilt, dass bei O-Anordnung die Lagerluft (nahezu) gleich bleibt: der Wärmeausdehnungskoeffizient des Federelements soll dann gleich dem des Wälzlagerstahls der Lageringe sein.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 im Radialschnitt zwei Wälzlager einer Lageranordnung zu einem ersten Zeitpunkt der Herstellung der Lageranordnung,
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2 im Radialschnitt die beiden Wälzlager der Lageranordnung zu einem zweiten, späteren Zeitpunkt der Herstellung der Lageranordnung,
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3 im Radialschnitt die beiden Wälzlager der Lageranordnung zu einem dritten, noch späteren Zeitpunkt der Herstellung der Lageranordnung,
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4 im Radialschnitt die beiden Wälzlager der Lageranordnung zu einem vierten, noch späteren Zeitpunkt der Herstellung der Lageranordnung, während dem die Lagerinnenringe einfassendes Spritzgießmaterial angeordnet wird,
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5 im Radialschnitt die fertige Lageranordnung zu einem fünften, noch späteren Zeitpunkt der Herstellung der Lageranordnung,
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6 im Radialschnitt die fertige Lageranordnung gemäß 5,
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7 im Radialschnitt eine alternativ ausgebildete Lageranordnung,
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8 im Radialschnitt eine weitere alternativ ausgebildete Lageranordnung,
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9 im Radialschnitt eine weitere alternativ ausgebildete Lageranordnung,
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10 im Radialschnitt eine weitere alternativ ausgebildete Lageranordnung,
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11 im Radialschnitt eine weitere alternativ ausgebildete Lageranordnung,
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12 die Ansicht, gesehen in axiale Richtung, eines Federelements der Lageranordnung,
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13 den Radialschnitt des Federelements nach 12, wobei mehrere Varianten dargestellt sind, und
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14 im Radialschnitt eine weitere alternativ ausgebildete Lageranordnung, bei zwei weitere Wälzlager konzentrisch zu den beiden Wälzlagern der Lageranordnung vorgesehen sind.
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In den 1 bis 5 ist in zeitlicher Abfolge dargestellt, wie eine Lageranordnung 1 entsteht. Diese umfasst zwei Wälzlager, nämlich ein erstes Wälzlager 2 und ein zweites Wälzlager 3. Beide Wälzlager 2, 3 sind ausgebildet, um Lasten in axiale Richtung a und in radiale Richtung r zu übertragen; vorliegend handelt es sich um Rillenkugellager, was allerdings keinesfalls zwingend ist.
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In einem ersten Schritt, s. 1, werden die beiden Lager 2, 3 koaxial zueinander angeordnet. Dabei wird zwischen den beiden Lageraußenringen 4 und 5 ein Federelement 8 in Form eines Rings platziert; zwischen den beiden Lagerinnenringen 6 und 7 wird kein derartiges Federelement angeordnet.
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In einem zweiten Schritt, s. 2, werden die beiden Wälzlager 2, 3, mit dazwischen liegendem Federelement 8 axial zusammengeschoben. Wie zu sehen ist, verbleibt zwischen den beiden Lagerinnenringen 6 und 7 ein axialer Spalt, während der Verbund aus den beiden Lageraußenringen 4 und 5 samt Federelement 8 gegeben ist.
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In einem dritten Schritt, s. 3, wird auf die beiden Lagerinnenringe 6 und 7 eine Klemmkraft F aufgebracht. Im vorliegenden Falle erfolgt dies so lange bzw. in einer solchen Intensität, bis dass die beiden Lagerinnenringe 6, 7 schließlich an ihren einander zugewandten Stirnseiten aneinander liegen; dies ist aber nicht zwingend. Die Klemmkraft kann auch geringer gewählt werden. In jedem Falle wird die Lagerluft eliminiert und ein gewünschter Vorspannungsbetrag in den beiden Wälzlagern 2, 3 aufgebaut.
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Generell gilt abhängig vom Anwendungsfall allerdings, dass die Vorspannung bzw. die Lagerluft auf einen gewünschten Wert eingestellt wird, wobei hierunter auf eine Nulluft im Lager fällt (d. h. ein spielfreier, aber kein vorgespannter Einbau).
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In einem vierten Schritt, s. 4, wird nun unter Beibehaltung der Klemmkraft F in einem – nicht dargestellten – Spritzgießwerkzeug schmelzflüssiges Kunststoffmaterial 9 an die Lagerinnenringe 6, 7 angespritzt, und zwar in einer solchen Weise, dass die beiden Lagerringe 6 und 7 mit axialem Hinterschnitt von der Kunststoffschmelze eingefasst werden. Die Klemmkraft F bleibt bei diesem Verfahrensschritt aufrecht erhalten. Das Kunststoffmaterial 9 bildet, wie dargestellt, einen Block, der die beiden Lagerinnenringe 6, 7 einfasst.
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In einem fünften Schritt, s. 5, wird abgewartet, bis die Kunststoffschmelze verfestigt ist. Dann kann die Klemmkraft F weggenommen werden. Die dargestellte Lageranordnung 1 ist nunmehr als Einheit realisiert, in der die gewünschte Klemmkraft wirksam ist.
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In den weiteren Figuren sind verschiedene Variationen dieses Konzepts illustriert.
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In 6 ist zunächst noch einmal die vorbeschriebene Lageranordnung 1 zu sehen. In 7 ist eine Alternative dahingehend gezeigt, nach der es nicht die Lagerinnenringe 6, 7 sind, die vom gießfähigen Material 9 eingefasst werden, sondern die Lageraußenringe 4 und 5. Entsprechend ist das Federelement 8 hier zwischen den beiden Lagerinnenringen 6 und 7 platziert.
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In 8 ist zu sehen, dass sich das Federelement 8 nicht zwingend über die gesamte radiale Erstreckung der beiden Lagerringe ausdehnen muss.
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Bei der Lösung nach 9 ist vorgesehen, dass ein weiteres Bauteil 10 im Rahmen des Anspritzens des gießfähigen Materials 9 mit integriert wird. Hier ist das weitere Bauteil 10 als ringförmiges Element ausgebildet, das unverlierbar in den Block aus gießfähigem Material 9 inkorporiert wird.
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Wie bereits oben erwähnt, muss keinesfalls zwingend vorgesehen sein, dass das Aufbringen der Klemmkraft F erfolgt, bis die Stirnseiten der beiden Lagerringe, zwischen denen das Federelement 8 nicht angeordnet ist, aneinander liegen. Vielmehr – und dies ist in 10 illustriert – kann beispielsweise ein Abstandshalter 13 zwischen den beiden Lagerringen, zwischen denen das Federelement 8 nicht angeordnet ist, platziert werden, so dass für das Aufbringen der Klemmkraft F ein definierter Anschlag vorliegt.
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11 zeigt eine Lösung analog zu der nach 9, wobei das weitere Bauteil 10 im radial außenliegenden Bereich angeordnet ist. Es kann sich hierbei um eine Hülse handeln (wie im Falle von 9), die der entstehenden Lageranordnung eine hohe mechanische Festigkeit für deren Einbau in ein Maschinenteil verleiht.
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In den 12 und 13 ist gezeigt, dass für die Ausbildung des Federelements 8 diverse Variationen möglich sind. Das generell ringförmige Federelement 8, wie es in 12 gezeigt ist, hat im Radialschnitt eine Form, s. hierzu 13, die den jeweiligen Bedürfnissen insbesondere mit Blick auf die benötigte Federkonstante in axiale Richtung Rechnung trägt.
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In 14 ist eine Variation der Lösung nach 9 dargestellt, bei der das weitere Bauteil, das in das gießfähige Material 9 eingegossen wird, durch zwei Lagerringe 10‘ und 10‘‘ gebildet wird, die zu jeweiligen Wälzlagern 11 und 12 gehören. Auch hier ist wieder vorgesehen, dass ein Federelement 8 zwischen zwei Lagerringen platziert wird, um in der erläuterten Weise eine Vorspannung zu generieren, nämlich zwischen den beiden Lagerinnenringen der beiden Wälzlager 11 und 12.
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Im Ausführungsbeispiel sind die beiden Wälzlager 2 und 3 auf der einen Seite und 11 und 12 auf der anderen Seite konzentrisch zueinander ausgerichtet. Dies ist aber keinesfalls zwingend. Es kann auch ein radialer und/oder Winkelversatz zwischen den beiden Wälzlager 2 und 3 auf der einen Seite und 11 und 12 auf der anderen Seite vorgesehen werden, was beispielsweise bei der Schaffung einer Lageranordnung für eine Taumellagereinheit beachtlich ist.
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Nicht dargestellt ist, dass am Block aus gießfähigem Material 9 auch weitere Funktionselemente beim Spritzgießen angeformt werden können. So kann beispielsweise eine (stirnseitige) Verzahnung direkt durch den Spritzgießvorgang des Materials 9 ausgebildet werden, über die die Lageranordnung 1 später mittels eines eingreifenden Ritzels angetrieben werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lageranordnung
- 2
- erstes Wälzlager
- 3
- zweites Wälzlager
- 4
- Lageraußenring
- 5
- Lageraußenring
- 6
- Lagerinnenring
- 7
- Lagerinnenring
- 8
- Federelement
- 9
- gießfähiges Material
- 10
- weiteres Bauteil
- 10‘
- Lagerring
- 10‘‘
- Lagerring
- 11
- Wälzlager
- 12
- Wälzlager
- 13
- Abstandshalter
- a
- axiale Richtung
- r
- radiale Richtung
- F
- Klemmkraft