DE102007054378A1 - Lageranordnung - Google Patents
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Abstract
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung umfassend eine Welle, die in zwei an Lagerböcken angeordneten Wälzlagern, von denen ein erstes als Festlager ausgeführt ist, drehgelagert ist.
- Hintergrund der Erfindung
- Derartige Lageranordnungen sind vornehmlich Teil von Vorschubsystemen mit Gewindetrieben, wie sie beispielsweise im Bereich der Werkzeugmaschinen Einsatz finden. Auf der in zwei Wälzlagern, die als einreihige oder mehrreihige Einzel- oder Doppellager ausgeführt sein können, gelagerten Gewindespindel läuft eine Spindelmutter, mit der das zu bewegende Maschinenteil gekoppelt ist. An solche Vorschubspindeln und ihre Lagerung werden hohe Anforderungen gestellt, beispielsweise eine hohe statische und dynamische Steifigkeit, eine hohe axiale Tragfähigkeit sowie die Realisierung hoher Beschleunigungen und Geschwindigkeiten. Probleme bei Vorschubspindeln ergeben sich durch eine Ortsabhängigkeit der Axialsteifigkeit der Spindel, die von der Position der Gewindetriebmutter beeinflusst wird, sowie eine längenabhängige Axialsteifigkeit, ferner ist eine Begrenzung der Spindeldrehzahl und damit der Verfahrgeschwindigkeit durch die biegekritische Drehzahl der Spindel sowie durch Wärmedehnungen bzw. Wärmespannungen infolge der Erwärmung der Gewindespindel im Betrieb gegeben. Um insbesondere den rein mechanischen Anforderungen Rechnung zu tragen, wird eine Fest-Fest-Lagerung der Gewindespindel angestrebt. Diese ermöglicht es, den Einfluss der Position der Gewindetriebmutter auf die Axialsteifigkeit zu reduzieren und das Axialsteifigkeitsniveau anzuheben. Eine solche Lagerung zeichnet sich ferner durch eine hohe statische und dynamische Axialsteifigkeit aus, ferner kann eine hohe biegekritische Drehzahl und eine hohe knickkritische Axialspindelmutterlast erreicht werden. Mit üblichen Fest-Fest-Lagerungen können jedoch keine thermischen Dehnungen der Spindel im Betrieb aufgefangen bzw. ausgeglichen werden, sofern nicht besondere Vorkehrungen getroffen werden. Hierzu sieht
DE 10 2004 062 320 B4 eine Lageranordnung vor, bei der ein Lager mit einer Kupplung versehen ist, die einen Aufnahmeraum aufweist, in dem ein viskoelastisches Material vorgesehen ist, das sich je nach Krafteinwirkung viskos, plastisch, elastisch oder starr verhält. Bei einer niedrigen Wellendrehfrequenz kommt es zu keiner Abstützung des inneren Kupplungselements gegen das äußere Kupplungselement, was es ermöglicht, dass die ergebende thermische Dehnung, die langsam vonstatten geht, ausgeglichen werden kann, indem das innere Kupplungselement relativ zum äußeren Kupplungselement axial verschoben wird. Hingegen werden axiale Kräfte hoher Frequenz, z. B. Schwingungen aufgrund des Betriebs der Vorschubspindel, abgestützt, so dass das innere Kupplungselement gegen das äußere Kupplungselement abgestützt ist. Für thermische Dehnungen wirkt die dort beschriebene Lageranordnung somit wie eine Lageranordnung mit einem Festlager und einem Loslager. Für Kräfte hoher Frequenz wirkt die Lageranordnung wie eine solche mit zwei Festlagern. Zwar kann über die dort beschriebene Lageranordnung ein thermischer Längenausgleich realisiert werden, jedoch ist die konstruktive Ausführung der dort beschriebenen Lageranordnung aufwändig, ihre Funktion hängt stark von dem Verhalten des viskoelastischen Materials ab. Weiterhin können keine Axial schwingungen mit Kraftamplituden mit Mittelwert ±0 sowie konstant einwirkende Axialkräfte aufgenommen werden. Derartige Belastungen haben zur Folge, dass sich die inDE 10 2004 062 320 B4 beschriebene Lösung axial in ihre Endlage verschiebt. Weiterhin stellt diese Lösung eine reaktive Lösung dar, die auf den am Lager auftretenden Axialschwingungen beruht. Oftmals sind diese aber nicht bekannt. - Zusammenfassung der Erfindung
- Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine demgegenüber verbesserte, einfach aufgebaute Lageranordnung anzugeben.
- Zur Lösung dieses Problems ist eine Lageranordnung umfassend eine Welle, die in zwei Wälzlagern, die an sich als Festlager ausgeführt sind, drehgelagert ist, vorgesehen, die sich dadurch auszeichnet, dass mindestens ein Wälzlager wenigstens eine von einer elastischen Membran radial nach außen begrenzte, mit einem Druckmedium befüllbare Druckkammer aufweist, welche Membran sich bei in der Druckkammer anstehendem Druck radial nach außen wölbt und sich bei fehlendem Druck elastisch zurückverformt, derart, dass das Wälzlager in einem Lagerblock zur axialen Fixierung verklemmbar und im nicht geklemmten Zustand axial beweglich ist.
- Bei der erfindungsgemäßen Lageranordnung ist eines der beiden als Festlager ausgeführten Spindellager gesteuert radial verspannbar und damit radial verklemmbar, worüber durch Reibschluss eine hohe axiale Haltekraft erzeugt werden kann. Die Übertragung von aus dem Betrieb resultierenden Axiallasten ist bei gleichzeitig hoher Axialsteifigkeit möglich. Das heißt, dieses Wälzlager weist die mechanisch vorteilhaften Eigenschaften eines Festlagers auf. Bei Bedarf ist es möglich, die radiale Verspannung und damit radiale Verklemmung wieder zu lösen, so dass sich das Lager temporär wie ein Loslager verhält, es ist axial beweglich. Auftretende Wärmedehnungen bzw. Wärmespannungen seitens der Gewindespindel können im gelösten, also nicht geklemmten Zu stand ausgeglichen werden, es kommt zu einer wenngleich sehr kurzen Ausgleichsbewegung von wenigen Hundertstel oder Zehntel Millimetern zwischen dem Lager und einem der radialen Fixierung dienenden Lagerbock. Spannungen können also vorteilhaft abgebaut werden und wirken sich nicht nachteilig auf den Betrieb, insbesondere die Lebensdauer der Lager, aus. Sobald die Spannungen abgebaut sind, kann das Wälzlager erneut reibschlüssig mit dem Lagerbock verklemmt werden, es ist dann erneut axial fixiert und kann hohe Lasten aufnehmen.
- Um die gesteuerte radiale Verklemmung zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß ein Wälzlager mit einer Druckkammer versehen, die mit einem Druckmedium, sei es hydraulisch oder pneumatisch, beaufschlagt werden kann. Die Druckkammer ist radial über eine Druckmembran begrenzt, die sich bei anstehendem Druck leicht radial nach außen wölbt und sich reibschlüssig an ein entsprechendes Widerlager im Lagerbock spannt. Je nach anstehendem Druck kann eine beliebig hohe Haltekraft erzeugt werden, die zu einer vollkommen festen axialen Fixierung führt.
- Die erfindungsgemäße Lageranordnung ist damit in der Lage, bedarfsabhängig sowohl die Eigenschaften eines Loslagers als auch eines Festlagers an einem Wälzlager realisieren zu können. Im Betrieb der Werkzeugmaschine, bei der die Lageranordnung integriert ist, wird das Wälzlager über die Druckkammer verspannt, so dass es die Eigenschaften eines axial sehr starren Festlagers aufweist. Während einer Bearbeitungspause kann durch einfaches, schnelles Lösen der radialen Verspannung der thermische Längenausgleich wie im Falle eines konventionellen Loslagers vollzogen werden.
- Hinsichtlich der konkreten Ausgestaltung der Lageranordnung zur Realisierung der reversiblen, bedarfsabhängigen Klemmmöglichkeit sind zwei unterschiedliche Alternativen gegeben. Nach einer ersten Erfindungsausgestaltung kann die Druckkammer direkt an einem Außenring des Außenlagers vorgesehen sein. Hier wird also die Druckkammer und damit die Verklemmmöglichkeit direkt in das Wälzlager selbst integriert. Eine Alternative sieht vor, dass die Druckkam mer an einem auf den Außenring des Wälzlagers aufgesetzten, mit diesem drehfest verbundenen Druckring vorgesehen ist. Auch bei dieser Ausgestaltung erfolgt eine vollständige Integration der Verklemmmöglichkeit in die erfindungsgemäße Lageranordnung, jedoch nicht unmittelbar im Wälzlager selbst, sondern mittels eines Zusatzbauteils in Form eines Druckrings, der drehfest mit dem Außenring des Wälzlagers beispielsweise verschraubt wird. Dies bietet die Möglichkeit, bereits bestehende Lageranordnungen mit der erfindungsgemäßen reversiblen Verklemmmöglichkeit nachzurüsten, wobei hierzu gegebenenfalls auch eine Variation im Lagerbock vorzunehmen ist. Grundsätzlich jedoch bieten beide Möglichkeiten, also die unmittelbare Integration der Druckkammer in den Außenring des Wälzlagers oder das Aufsetzen eines separaten Druckrings den erfindungsgemäßen Vorteil der reversiblen, flexiblen Klemmmöglichkeit.
- Zur Realisierung der Druckkammer ist zweckmäßigerweise an der Außenseite des Außenrings oder des Druckrings eine umlaufende, beidseits axial begrenzte Nut vorgesehen, die die Druckkammer bildet und die von der Membran übergriffen ist. Die Nut weist zweckmäßigerweise an beiden Enden des Außenrings oder des Druckrings axial begrenzende Randstege auf, auf denen die Membran, vorzugsweise ein Metallring, der bei anliegendem Innendruck radial beweglich ist, aufsitzt. Das heißt, die Wandstärke des Membranrings sowie das verwendete Material ist entsprechend zu wählen, so dass sich der gewünschte Reibschluss zwischen der Membran und der entsprechenden Oberfläche (= Lagersitz) im Lagerbock ergibt. Die massiven Randstege, die die Druckringnut axial begrenzen, gewährleisten eine hohe Steifigkeit der Druckkammergestaltung und des Lagers, weil sich die konkrete Gestaltung der Druckkammer, insbesondere ihre geometrischen Abmessungen, nach der Höhe der geforderten axialen Haltekräfte und somit der notwendigen radialen Verspannkräfte richtet. Die Druckkammer kann auch durch eine U-förmige Membran und glatte Außenkontur des Lagers gebildet werden, so dass die Randstege Bestandteile der Membran sind. Die Gestaltung der Membran ist so zu wählen, dass sie sich in größer Fläche an den Lagersitz anlegt und verspannt.
- Der Außenring oder der Druckring und die Membran sind mittels eines Dichtelements oder stoffschlüssig (Schweißen, Löten) gegeneinander abgedichtet. Das verwendete Dichtelement oder die stoffschlüssige Verbindung sind so gewählt, dass die Druckkammer auch bei hohem Innendruck (gasdicht/flüssigkeitsdicht) dicht ist. Zweckmäßigerweise ist am Außenring oder dem Druckring und/oder der Membran eine umlaufende Aufnahmenut für das Dichtelement in Form eines Dichtrings oder das Dichtmittel, das in die Nut eingebracht wird, vorgesehen (bzw. entsprechende Fügestelle vorzubereiten).
- Um einen hinreichenden Innendruck in der Druckkammer erzeugen zu können, ist am Außenring oder am Druckring wenigstens ein Zuführkanal für das Druckmedium vorgesehen. Der Zuführkanal wird in der Montagestellung mit einer entsprechenden Zuführleitung einer Druckmittelpumpe oder dergleichen verbunden. Als Druckmittel kann beispielsweise ein Öl verwendet werden, wie aber natürlich auch andere fluidische viskose, elastische sowie viskoelastische Druckmittel wie auch gasförmige Druckmittel verwendet werden können.
- Der Zuführkanal erstreckt sich zweckmäßigerweise axial in den Außenring oder den Druckring, kann also auf einfache Weise ausgeführt werden und ist nur über eine kurze Stichbohrung mit der Druckkammer zu verbinden. Gegebenenfalls ist der Zuführkanal mit einem Innengewinde für den Anschluss der Zuführleitung oder einem entsprechenden Steckanschluss oder dergleichen versehen.
- Kurze Beschreibung der Zeichnung
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Lageranordnung, -
2 eine Längsschnittansicht eines Wälzlagers mit Druckkammer, und -
3 eine Querschnittansicht durch das Wälzlager aus2 . - Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
-
1 zeigt eine erfindungsgemäße Lageranordnung1 , umfassend eine Gewindespindel2 , auf deren in bekannter Weise eine Gewindemutter3 läuft, die, wenn die Lageranordnung1 Teil einer Werkzeugmaschine ist, mit einem axial zu bewegenden Werkzeugelement verbunden ist. Die Gewindespindel2 ist in zwei Wälzlagern4 ,5 , die jeweils an einem Lagerbock6 ,7 angeordnet sind, an beiden Enden gelagert. Das Wälzlager5 , hier ein doppelreihiges Schrägkugellager, ist als reines Festlager ausgeführt, es ist über Schraubverbindungen8 fest mit dem Lagerblock verschraubt. Demgegenüber ist das Wälzlager4 als reversibel zwischen einem Festlager und einem Loslager schaltbares Lager ausgeführt, wozu das Wälzlager4 , worauf nachfolgend noch eingegangen wird, radial verformbar ist, um es in reibschlüssiger Anlage mit dem Lagerbock6 zu bringen. -
2 zeigt in einer vergrößerten Schnittansicht das Wälzlager4 aus1 ,3 zeigt den entsprechenden Querschnitt. Das Wälzlager4 besteht aus einem Innenring9 , der fest auf der Gewindespindel2 aufsitzt. Über zwei Kugelreihen10 ist der Außenring11 drehgelagert, die gezeigte Ausgestaltung ist hier als Schrägkugellager ausgeführt. Gleichwohl können selbstverständlich auch beliebige andere Lagertypen zum Einsatz kommen. - Am Außenring
11 ist eine Druckkammer12 realisiert. Diese wird durch die Innenkontur der Membran und die Außenkontur des Lageraußenrings gebildet und ist durch Stege axial außen begrenzt. Sie besteht aus einer umlaufenden Nut13 , die in axialer Richtung beidseits von massiven Stegen14 begrenzt ist. Radial wird die Druckkammer12 von einer elastischen Membran15 begrenzt, beispielsweise einem Metallring relativ dünner Wandstärke, der, wenn in der Druckkammer12 ein hinreichend hoher Innendruck aufgebaut wird, sich radial nach außen bewegt bzw. wölbt und so mit seiner Außenfläche16 in reibschlüssige Anlage mit der Gegenlagerfläche17 am Lagerbock6 tritt. Der Reibschluss realisiert eine derart hohe Haltekraft, dass das Wälzlager4 fest verklemmt wird und axial fixiert ist, mithin also keine Axialbewegung durchführt, auch wenn hohe Axialkräfte aufgrund einer thermischen Längenänderung der Länge der Gewindespindel2 auftreten. Vielmehr werden die Axialkräfte über die Stege14 und die Membran15 in den Lagerbock6 geführt. - Um in der Druckkammer
12 einen hinreichenden Druck zu erzeugen, ist eine Zuführbohrung18 vorgesehen, die sich hier axial erstreckt und über eine Stichbohrung19 mit der Druckkammer12 verbunden ist. Die Zuführbohrung18 weist zweckmäßigerweise ein Innengewinde20 auf, über das ein Zuführschlauch, beispielsweise einer Hydraulikversorgung der Werkzeugmaschine oder dergleichen, angeschlossen werden kann. - Die Druckkammer
12 ist vollkommen dicht. Hierzu ist die Membran15 druckmitteldicht auf den Randstegen14 angeordnet, wozu im gezeigten Beispiel an der Membran15 wie auch den Randstegen14 entsprechende umlaufende Nuten zur Bildung einer umlaufenden Aufnahme21 für ein Dichtelement wie einen Dichtungsring oder zur Vorbereitung einer stoffschlüssigen Verbindung (wie einer Dichtpaste oder dergleichen vorgesehen sind). Insgesamt ist die Gestaltung des Außenrings11 mit der Dichtkammer12 derart, dass zum einen eine Druckkammer ausgebildet wird, in der hohe Drücke erzeugt werden können, um die Membran15 nach außen wölben zu können, zum anderen ist die Gestaltung derart gewählt, dass insbesondere über die Wandstärke und die Randstege der Membran15 eine hohe Radial-, Axial- und Kippsteifigkeit der dann verspannten Anordnung gewährleistet ist. - Im Betrieb wird das Wälzlager
4 als Festlager geschaltet, das heißt, in der Druckkammer12 wird ein hinreichend hoher hydraulischer oder pneumatischer Druck erzeugt, so dass sich die Membran15 nach außen in Anlage an die Ge genlagerfläche17 des Lagerbocks wölbt und es dort zu einem klemmenden Reibschluss kommt, der über hinreichend hohe radiale Verspannkräfte realisiert wird. Aus dem Betrieb der Lageranordnung bzw. der Gewindespindel2 resultierende Radialkräfte werden über die Randstege14 und über die Membran15 in den Lagerbock6 geleitet, während axiale Betriebslasten über den Reibschluss der Außenseite16 der Membran15 und der Gegenlagerfläche17 im Lagerbock6 abgeführt werden. - Da es im Betrieb der Lageranordnung üblicherweise zu einer Erwärmung der Gewindespindel
2 kommt, längt sich diese, so dass eine thermisch bedingte Axialkraft auf die beiden Wälzlager4 ,5 ausgeübt wird. In diesem Fall wird nun beispielsweise zeitabhängig, z. B. in Bearbeitungspausen der Werkzeugmaschine oder bei Werkzeugwechsel oder bei Überschreitung einer definierten Mindestgröße (festgestellt über eine entsprechende Kraftmessung im Bereich der Lager oder Spindel) ein axialer Dehnungs- bzw. Spannungsausgleich vorgenommen. Hierzu wird der Druck in der Druckkammer12 reduziert, so dass die Verklemmung des Wälzlagers4 im Lagerbock aufgehoben wird und das Wälzlager4 in der von der Gegenlagerfläche17 begrenzten Aufnahme im Lagerbock6 axial bewegt werden kann. Es kommt unmittelbar nach Lösen der reibschlüssigen Verklemmung zu einem Dehnungs- bzw. Spannungsausgleich. Denn das Wälzlager4 ist in diesem Zustand als Loslager am Lagerbock6 aufgenommen. Der Zeitanteil für den thermischen Ausgleich ist als sehr gering anzusehen. - Unmittelbar nach erfolgtem Spannungsausgleich kann die Druckkammer
12 wieder unter Druck gesetzt werden, die Lagereigenschaften werden von einem Loslager wieder zu einem Festlager geändert. - Während die Figuren die Integration der Druckkammer
12 unmittelbar in den Außenring des Wälzlagers4 zeigen, ist es selbstverständlich auch denkbar, die Druckkammer12 in einem separaten Druckring vorzusehen, welcher Druckring auf den Außenring11 des Wälzlagers4 aufgesetzt und mit diesem verbunden wird. Hierzu weist beispielsweise der Druckring einen umlaufenden Verbindungsflansch auf, über den er mit dem Außenring11 des Wälzlagers verschraubt werden kann. Der Außenring11 weist dann nur noch entsprechende Befestigungsbohrungen auf, ist aber ansonsten nicht weiter ausgeformt, die Druckkammer12 sowie die Membran15 und die entsprechende Zuführbohrung sind dann sämtlich am Druckring vorgesehen. -
- 1
- Lageranordnung
- 2
- Gewindespindel
- 3
- Mutter
- 4
- Wälzlager
- 5
- Wälzlager
- 6
- Lagerbock
- 7
- Lagerbock
- 8
- Schraubverbindung
- 9
- Innenring
- 10
- Zwei Kugelreihen
- 11
- Außenring
- 12
- Druckkammer
- 13
- Nut
- 14
- Steg
- 15
- Membran
- 16
- Außenfläche
- 17
- Gegenlagerfläche
- 18
- Zuführbohrung
- 19
- Stichbohrung
- 20
- Innengewinde
- 21
- Aufnahme
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102004062320 B4 [0002, 0002]
Claims (9)
- Lageranordnung umfassend eine Welle, die in zwei an Lagerböcken angeordneten Wälzlagern, von denen ein erstes als Festlager ausgeführt ist, drehgelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wälzlager (
4 ) wenigstens eine von einer elastischen Membran (15 ) radial nach außen begrenzte, mit einem Druckmedium befüllbare Druckkammer (12 ) aufweist, welche Membran (15 ) sich bei in der Druckkammer (12 ) anstehendem Druck radial nach außen wölbt und sich bei fehlendem Druck elastisch zurückformt, derart, dass das Wälzlager (4 ) in einem Lagerbock (6 ) zur axialen Fixierung verklemmbar und im nicht geklemmten Zustand axial beweglich ist. - Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (
12 ) direkt an einem Außenring (11 ) des Wälzlagers (4 ) vorgesehen ist, oder dass die Druckkammer (12 ) an einem auf den Außenring (11 ) des Wälzlagers (4 ) aufgesetzten, mit diesem drehfest verbundenen Druckring vorgesehen ist. - Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Außenseite des Außenrings (
11 ) oder des Druckrings eine umlaufende, beidseits axial begrenzte Nut (13 ) vorgesehen ist, die die Druckkammer (12 ) bildet und die von der Membran (15 ) übergriffen ist, oder dass die Kammer durch eine ebene Mantelfläche des Außenrings und eine gewölbte, insbesondere eine U-förmige Membran gebildet ist. - Lageranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (
13 ) an beiden Enden des Außenrings (11 ) oder des Druckrings von Randstegen (14 ) begrenzt ist, auf denen die Membran (15 ) aufsitzt. - Lageranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (
11 ) oder der Druckring und die Membran (15 ) mittels eines Dichtelements oder einer stoffschlüssigen Verbindung gegeneinander abgedichtet sind. - Lageranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenring (
11 ) oder dem Druckring und/oder der Membran (1 ) eine umlaufende Aufnahme (20 ) für das Dichtelement vorgesehen ist. - Lageranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenring (
11 ) oder am Druckring wenigstens ein Zuführkanal (18 ) für das Druckmedium vorgesehen ist. - Lageranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Zuführkanal (
18 ) axial in den Außenring (11 ) oder den Druckring erstreckt. - Lageranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vorschubeinrichtung umfassend eine Spindel ist.
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|---|---|---|---|---|
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| DE102004062320B4 (de) | 2004-12-20 | 2007-01-11 | Klimke, Wolfgang, Dr.-Ing. | Lageranordnung |
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2007
- 2007-11-14 DE DE102007054378A patent/DE102007054378A1/de not_active Withdrawn
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| DE102008008855A1 (de) | 2008-02-13 | 2009-08-20 | Schaeffler Kg | Lageranordnung |
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