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DE102011014079A1 - Multipoint radial bearing, has rolling elements constructed such that contact region with cylindrical mold is provided in middle of rolling elements, where elements are guided on ring by line contact and on another ring over point contacts - Google Patents

Multipoint radial bearing, has rolling elements constructed such that contact region with cylindrical mold is provided in middle of rolling elements, where elements are guided on ring by line contact and on another ring over point contacts Download PDF

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DE102011014079A1
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Germany
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ring
bearing
rolling elements
guided
point contacts
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DE102011014079A
Other languages
German (de)
Inventor
Dipl.-Wirtsch.-Ing. Rossaint Jens
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
WZL AACHEN GmbH
Original Assignee
WZL AACHEN GmbH
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Publication date
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Abstract

The bearing has rolling elements (4) constructed such that a contact region with cylindrical mold (4'') is provided in middle of the rolling elements and the contact region with convex, spherical geometry (4') is provided at sides of the rolling elements. The rolling elements are guided on a bearing ring (3) by a line contact (7) and on another bearing ring over two point contacts (5, 6). A spacer ring with higher thermal expansion coefficient is mounted between ring halves (1, 2) having a concave groove geometry.

Description

Die Erfindung betrifft ein Radiallager, dass durch die Kombination aus zwei Punktkontakten und einem Linienkontakt eine hohe Drehzahleignung bei gleichzeitig relativer axialer Verschiebbarkeit zwischen Innen- und Außenring (Loslagerfunktion) und hoher Radialsteifigkeit ermöglicht.The invention relates to a radial bearing that allows high combination of two point contacts and a line contact a high speed suitability at the same time relative axial displacement between inner and outer ring (floating bearing function) and high radial stiffness.

In vielen Anwendungen ist es nötig schnelldrehende Wellen radial möglichst steif und genau, axial hingegen frei beweglich, d. h. als Loslagerung auszuführen. Dies ist beispielsweise häufig in Werkzeugmaschinenhauptspindeln erforderlich, um den Ausgleich thermischer Wellen- und Gehäusedehnungen zu ermöglichen und so die ungewollte Verspannung von vorderem und hinterem Lagerpaket zu vermeiden.In many applications, it is necessary for fast-rotating shafts to be radially as stiff and accurate as possible, but axially free to move. H. execute as a floating bearing. This is often required, for example, in machine tool main spindles to allow the compensation of thermal shaft and housing expansion and so to avoid the unwanted distortion of front and rear bearing package.

Nach dem aktuellen Stand der Technik werden hochgenaue Radiallagerungen mit Loslagerfunktion auf drei Arten realisiert:
Zylinderrollenlager weisen durch ihren Linienkontakt eine hohe radiale Steifigkeit auf und stellen durch ihre freie axiale Verschiebbarkeit ein ideales Loslager dar. Nachteilig ist jedoch, dass relative thermische Größenänderungen zwischen Innen- und Außenring, die sich zwangsläufig durch die vergleichsweise hohe Reibung des Lininenkontakts und die ungleiche Wärmeableitung innen und außen einstellen, zu einer Änderung ihrer Vorspannung führen. Ein Ausgleich radialer Dehnung ist im Lager nicht möglich. Es besteht dadurch die Gefahr, dass Zylinderrollenlager, insbesondere bei hohen Drehzahlen, durch die reibungsbedingte Wärmeentwicklung verklemmen und somit ausfallen. Des Weiteren werden durch eine Verkippung der Welle die Kanten der Wälzkörper stark belastet, wodurch es zu einer vorzeitigen Werkstoffermüdung und dadurch zu Schäden an der Laufbahn in diesem Bereich kommen kann. Das Gebrauchsmuster DE 7140218 beschreibt einen Ansatz, diesen Effekt durch eine Rücknahme des Wälzkörperdurchmessers an seinen Enden, verbunden mit einer Reduktion der Wälzkörpersteifigkeit in diesem Bereich, abzumildern. Die erreichbaren Drehzahlen liegen aufgrund der thermischen Verspannung des Lagers dennoch deutlich unter denen, die durch Spindellager realisiert werden können.
According to the current state of the art, highly accurate radial bearings with non-locating function are realized in three ways:
Cylindrical roller bearings have by their line contact a high radial stiffness and make by their free axial displacement an ideal floating bearing. The disadvantage, however, that relative thermal changes in size between inner and outer ring, which inevitably by the comparatively high friction of the Lininenkontakt and the unequal heat dissipation set inside and outside, lead to a change in their bias. A compensation of radial expansion is not possible in the warehouse. There is thus the risk that cylindrical roller bearings, especially at high speeds, jam due to the frictional heat generation and thus fail. Furthermore, by tilting the shaft, the edges of the rolling elements are heavily loaded, which can lead to premature material fatigue and thereby damage to the track in this area. The utility model DE 7140218 describes an approach to mitigate this effect by a withdrawal of the Wälzkörperdurchmessers at its ends, associated with a reduction of the rolling element stiffness in this area. The achievable speeds are still significantly lower than those that can be realized by spindle bearings due to the thermal stress of the bearing.

So genannte Floating Displacement Lager (FD Lager) kombinieren, wie beispielsweise in der EP 342 172 und der EP 926 368 A2 ausgeführt, die Eigenschaften von Zylinderrollenlagern mit denen von Rillenkugellagern. Dabei wird ein Lagerring mit einer zylindrischen Ringgeometrie und somit freier axialer Verschiebbarkeit relativ zu den Wälzkörpern, der andere mit Schultern zur axialen Führung der Wälzkörper, die als Kugeln ausgeführt sind, ausgeführt. Nachteilig sind hier die hohen Pressungen im Punktkontakt zwischen Kugel und zylindrischem Lagerring und die damit verbunden Verschleißerscheinungen bzw. um dies zu vermeiden die geringen ertragbaren Lasten. Es besteht bezüglich des Ausgleiches radialer Dehnungen das gleiche, Problem wie beim Zylinderrollenlager (s. o.).So-called floating displacement bearings (FD bearings) combine, such as in the EP 342 172 and the EP 926 368 A2 executed, the characteristics of cylindrical roller bearings with those of deep groove ball bearings. In this case, a bearing ring with a cylindrical ring geometry and thus free axial displacement relative to the rolling elements, the other with shoulders for axial guidance of the rolling elements, which are designed as balls executed. The disadvantage here are the high pressures in the point contact between the ball and cylindrical bearing ring and the associated wear and tear or to avoid the low tolerable loads. There is the same problem regarding the compensation of radial strains, problem as with the cylindrical roller bearing (see above).

Im Hochdrehzahlbereich werden typischerweise kombinierte Radial-/Axiallager (Spindellager) als Loslager eingesetzt, die gegenüber dem Gehäuse axial beweglich montiert werden. Dies wird beispielsweise durch einen Schiebesitz am Außenring oder durch Montage der Lager in einer zusätzlichen, axial beweglichen Schiebebuchse realisiert. Nachteilig ist die im Vergleich zu Zylinderrollenlagern geringere Steifigkeit der Spindellager. Es besteht bei engen Passungen die Gefahr, dass durch Betriebsveränderungen die Verschiebbarkeit nicht mehr gewährleistet ist. Durch den Einsatz eines Linearlagers (Kugelbuchse) kann die Loslagerfunktion weitgehend sichergestellt werden. Allerdings ist eine derartige Lösung kostenintensiv und mit Einbußen bezüglich der Steifigkeit und Genauigkeit verbunden.In the high-speed range, combined radial / thrust bearings (spindle bearings) are typically used as floating bearings, which are mounted axially movable relative to the housing. This is realized for example by a sliding fit on the outer ring or by mounting the bearings in an additional, axially movable sliding bushing. A disadvantage is the lower rigidity of the spindle bearings compared to cylindrical roller bearings. In the case of tight fits, there is a risk that displaceability is no longer guaranteed by changes in the operating situation. By using a linear bearing (ball bushing), the floating bearing function can be largely ensured. However, such a solution is costly and associated with losses in rigidity and accuracy.

Radiallager die den Ausgleich radialer Verformungen, insbesondere durch thermische Größenänderungen und einen spielfreien Betrieb ermöglichen sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. So beschreibt beispielsweise die UK 2 053 380 ein Dreipunktlager, welches die Wälzkörper durch eine radial elastischen Wälzoberfläche vorspannt. Ein solches Lager bietet jedoch nur geringe Steifigkeiten und eine schlechte Laufgenauigkeit. Die Offenlegungsschriften DE 10 2004 048 720 A1 und DE 4231 272 A1 beschreiben Lagervarianten, die durch einen zweigeteilten, axial vorgespannten Außenring einen spielfreien Lauf gewährleisten sollen. Der Ausgleich axialer Verschiebungen innerhalb des Lagers ist jedoch nicht möglich. Die Patenschrift DE 198 07 514 B4 offenbart eine Ausführung, die durch einen zweigeteilten, axial vorgespannten Innenring spielfrei vorgespannt wird und so auf Größenänderungen der einzelnen Komponenten durch Verlagerung reagieren kann. Durch einen deutlich größeren Radius der äußeren Laufbahn im Vergleich zum Wälzkörperradius sind axiale und winklige Ausgleichbewegungen in begrenztem Maße möglich. Nachteilig bei der Ausführung ist jedoch die Verringerte Tragfähigkeit durch den Punktkontakt mit weiter Schmiegung am Außenring.Radial bearings which enable the compensation of radial deformations, in particular by thermal size changes and play-free operation are known in various embodiments. For example, describes the UK 2 053 380 a three-point bearing, which biases the rolling elements by a radially elastic Wälzoberfläche. However, such a bearing offers only low stiffness and poor running accuracy. The publications DE 10 2004 048 720 A1 and DE 4231 272 A1 describe bearing variants, which are to ensure a backlash-free run by a two-part, axially preloaded outer ring. The compensation of axial displacements within the bearing is not possible. The patent DE 198 07 514 B4 discloses an embodiment which is biased backlash by a two-part, axially biased inner ring and can respond to size changes of the individual components by shifting. Due to a significantly larger radius of the outer race compared to Wälzkörperradius axial and angular compensation movements are possible to a limited extent. A disadvantage of the design, however, is the reduced load capacity by the point contact with further osculation on the outer ring.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit zur radial steifen, axial frei beweglichen und gleichzeitig bei hohen Drehzahlen (n × dm > 10°) zuverlässigen Lagerung von Wellen zu ermöglichen und die oben geschilderten Probleme des Ausgleichs radialer Dehnungen zu lösen.The object of the invention is therefore to enable a possibility for radially rigid, axially freely movable and at the same time at high speeds (n × d m > 10 °) reliable storage of waves and to solve the above-described problems of compensation radial expansions.

Die Aufgabe wird durch die Verwendung eines nach den Ansprüchen 1 bis 5 gestalteten Wälzlagers gelöst.The object is achieved by the use of a designed according to claims 1 to 5 rolling bearing.

Das neue erfindungsgemäße Lager bietet den Vorteil, radiale Aufweitungen des Innenrings gegenüber dem Außenring durch eine axiale Verlagerung der beiden Hälften des geteilten Lagerings kompensieren zu können. Es ist dadurch für höchste Drehzahlen, die i.d.R. mit der ungleichmäßigen Erwärmung von Innen- und Außenring einhergehen geeignet. Gleichzeitig ist eine freie axiale Verschiebbarkeit des Innenrings gegenüber dem Außenring gewährleistet. Durch den doppelten Punktkontakt auf der einen und den Linienkontakt auf der anderen Seite ist eine hohe Steifigkeit bei akzeptablen Kontaktpressungen und somit guten Lebensdauerwerten gegeben. The new bearing according to the invention has the advantage of being able to compensate radial expansion of the inner ring relative to the outer ring by an axial displacement of the two halves of the split bearing ring. It is therefore suitable for highest speeds, which are usually associated with the uneven heating of inner and outer ring. At the same time a free axial displacement of the inner ring relative to the outer ring is ensured. Due to the double point contact on the one hand and the line contact on the other hand, a high rigidity with acceptable contact pressures and thus good service life is given.

Im Folgenden sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigenIn the following, three embodiments of the invention are described with reference to drawings. Show it

1 ein erfindungsgemäßes Lager in der Schnittansicht mit Schnittebene durch die Lagerachse. 1 an inventive bearing in the sectional view with a sectional plane through the bearing axis.

2 eine vorteilhafte Ausführungsform des Lagers nach 1 mit Distanzring zwischen den Ringhälften. 2 an advantageous embodiment of the bearing after 1 with spacer ring between the ring halves.

3 eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Lagers nach 1 mit integrierter Vorspannkraftaufbringung. 3 a further advantageous embodiment of the bearing according to 1 with integrated preload application.

Das erfindungsgemäße Lager kombiniert die vorteilhaften Merkmale eines federnd angestellten Mehrpunkt-Spindellagers mit denen eines Zylinderrollenlagers. Die Wälzkörper (4) werden dazu derart gestaltet, dass sie in der Mitte einen Kontaktbereich mit zylindrischer Form (4'') und an den Seiten jeweils Kontaktbereiche mit konvexer, kugelförmiger Geometrie (4') aufweisen, die tangential ineinander übergehen. Der erste Lagerring (3) wird zylindrisch ohne axialen Führungsbord gestaltet und bildet mit dem mittleren Bereich der Wälzkörper einen Linienkontakt (7). Dies ermöglicht die freie axiale Relativbewegung zwischen Innen- und Außenring bei gleichzeitig geringeren Pressungen als im Kugel-Zylinderkontakt. Der andere Lagerring besteht aus zwei getrennten, axial zueinander verschiebbaren Ringhälften (1, 2), die jeweils eine konkave Laufbahn aufweisen, beispielsweise eine kreisförmige Laufrille, auf denen die Wälzkörper in ihren konvexen Bereichen (4') unter bestimmten, fertigungstechnisch voreingestellten Druckwinkeln α1 und α2 über Punktkontakte (5, 6) abwälzen. Die einzelnen Wälzkörper werden durch einen Käfig (10) voneinander getrennt und in ihrer Wälzachse geführt.The bearing of the invention combines the advantageous features of a spring-loaded multi-point spindle bearing with those of a cylindrical roller bearing. The rolling elements ( 4 ) are designed in such a way that in the middle of a contact area with a cylindrical shape ( 4 '' ) and at the sides contact areas with convex, spherical geometry ( 4 ' ), which merge tangentially into one another. The first bearing ring ( 3 ) is cylindrical without axial guide board and forms with the central region of the rolling elements a line contact ( 7 ). This allows the free axial relative movement between inner and outer ring at the same time lower pressures than in ball-cylinder contact. The other bearing ring consists of two separate, axially mutually displaceable ring halves ( 1 . 2 ), each having a concave track, for example, a circular track groove on which the rolling elements in their convex areas ( 4 ' ) under certain, production-technically preset pressure angles α 1 and α 2 via point contacts ( 5 . 6 ). The individual rolling elements are separated by a cage ( 10 ) separated and guided in their rolling axis.

Die Wälzkörper- und Lagerringgeometrien der beiden Ringhälften werden spiegelsymmetrisch zur axialen Lagermitte ausgeführt, so dass im normalen. Betrieb die beiden Druckwinkel α1 und α2 gleich groß sind und je nach Einsatzfall im Bereich von 5° bis 40° liegen. Geringe Verkippungen der Welle können durch Änderungen der Betriebsdruckwinkel α1 und α2 ohne lokale Pressungserhöhung aufgenommen werden.The Wälzkörper- and bearing ring geometries of the two ring halves are mirror-symmetrical to the axial bearing center, so that in the normal. Operation, the two pressure angles α 1 and α 2 are the same size and depending on the application in the range of 5 ° to 40 °. Small tilting of the shaft can be absorbed by changes in the operating pressure angle α 1 and α 2 without local increase in pressure.

Eine der beiden Ringhälften mit konkaver Rillengeometrie (2) ist axial frei beweglich gegenüber dem Gehäuse montiert und axial federnd gegenüber der anderen Ringhälfte angestellt, wodurch die Wälzkörper über die Druckwinkel α1 und α2 radial definiert vorgespannt werden. Die Schmiegungen der Kontaktpunkte liegen zwischen 70% und 98%. Im Falle einer relativen Aufweitung des Innenrings gegenüber dem Außenring kann der Vorspannungsanstieg durch eine Verschiebung der angestellten Ringhälfte gegen die Vorspannfeder weitgehend kompensiert werden. Hier besteht jedoch die Gefahr, dass die Verschiebung der Ringhälfte durch Verklemmen infolge der Radiallast oder thermischer Aufweitung behindert ist.One of the two ring halves with concave groove geometry ( 2 ) is mounted axially freely movable relative to the housing and axially resiliently employed with respect to the other ring half, whereby the rolling elements are biased radially defined by the pressure angle α 1 and α 2 . The Schmiegungen the contact points are between 70% and 98%. In the case of a relative expansion of the inner ring relative to the outer ring of the bias voltage increase can be largely compensated by a shift of the employed ring half against the biasing spring. Here, however, there is the danger that the displacement of the ring half is hampered by jamming due to the radial load or thermal expansion.

In einer vorteilhaften Ausführungsform nach 2 ist daher zwischen den beiden Hälften der Lagerringe ein Distanzring montiert, der einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Lagerwerkstoff besitzt. Die verschiebbare Ringhälfte wird mit hoher Federkraft gegen den eingepassten Distanzring angedrückt. Dieser schiebt die beiden Ringhälften bei Erwärmung des Lagers mit einer hohen thermischen Ausdehnungskraft auseinander wodurch die Vorspannung sinkt. Der Gefahr des Verklemmens einer der beiden Lagerhälften wird so durch die hohen Verschiebekräfte entgegengewirkt. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Distanzrings, der Laufring- und Wälzkörperwerkstoffe und deren geometrische Abmessungen sind aufeinander abgestimmt um eine sinnvolle Kompensation der thermischen Größenänderungen und damit der Vorspannkraftänderung zu erreichen.In an advantageous embodiment according to 2 Therefore, a spacer ring is mounted between the two halves of the bearing rings, which has a higher thermal expansion coefficient than the bearing material. The movable half ring is pressed against the fitted spacer with high spring force. This pushes the two halves of the ring when heating the bearing with a high thermal expansion force apart whereby the bias voltage decreases. The risk of jamming one of the two bearing halves is counteracted by the high displacement forces. The thermal expansion coefficients of the spacer ring, the raceway and Wälzkörperwerkstoffe and their geometric dimensions are coordinated with each other to achieve a meaningful compensation of the thermal size changes and thus the biasing force change.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird, wie in 3 dargestellt, die Führung und Vorspannung der zweiten Ringhälfte (13) in der ersten Ringhälfte (12) realisiert. Dazu wird in der ersten Ringhälfte (12) eine, mit einem geeigneten Führungsspiel gefertigte Führungsfläche zur axial verschiebbaren Lagerung der zweiten Ringhälfte (13) eingebracht. Weiterhin wird in der ersten Ringhälfte ein Deckel (14) mit integrierten Federspannelementen über ein Außengewinde oder einen Sicherungsring befestigt, der die zweite Ringhälfte (13) axial gegen die erste Ringhälfte (12) verspannt.In a further advantageous embodiment, as in 3 shown, the guidance and bias of the second half ring ( 13 ) in the first half of the ring ( 12 ) realized. For this purpose, in the first half of the ring ( 12 ), one, with a suitable guide game made guide surface for axially displaceable mounting of the second ring half ( 13 ) brought in. Furthermore, in the first ring half a lid ( 14 ) is fastened with integrated spring clamping elements via an external thread or a securing ring, which holds the second ring half ( 13 ) axially against the first ring half ( 12 ) braced.

Der zylindrische Lagerring kann, wie in den 1, 2 und 3 dargestellt, als Innenring und der geteilte Lagerring mit konkaven Laufbahnen als Außenring ausgeführt werden, oder umgekehrt, der zylindrische Ring als Außenring und der geteilte Ring als Innenring.The cylindrical bearing ring can, as in the 1 . 2 and 3 represented as inner ring and the split bearing ring with concave raceways are designed as an outer ring, or vice versa, the cylindrical ring as an outer ring and the split ring as an inner ring.

Um hohe Pressungsspitzen in den Enden der zylindrischen Wälzkörperbereiche zu vermeiden kann der zylindrische Lagerring in einer weiteren Ausführungsvariante auf seiner Laufbahnseite in axialer Richtung leicht ballig ausgeführt werden. Alternativ kann auch der zylindrische Wälzkörperbereich ballig, das heißt in axialer Richtung mit einer geringfügig konvexen Oberfläche ausgeführt werden. In order to avoid high pressure peaks in the ends of the cylindrical Wälzkörperbereiche the cylindrical bearing ring can be carried out slightly spherical in a further embodiment on its raceway side in the axial direction. Alternatively, the cylindrical Wälzkörperbereich spherical, that is to be carried out in the axial direction with a slightly convex surface.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 7140218 U [0003] DE 7140218 U [0003]
  • EP 342172 [0004] EP 342172 [0004]
  • EP 926368 A2 [0004] EP 926368 A2 [0004]
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  • DE 19807514 B4 [0006] DE 19807514 B4 [0006]

Claims (5)

Radiales Mehrpunktlager mit axialer Loslagerfunktion für hohe Drehzahlen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (4) derart ausgeführt sind, dass sie in der Mitte einen Kontaktbereich mit zylindrischer Form (4'') und an den Seiten jeweils Kontaktbereiche mit konvexer, kugelförmiger Geometrie (4') aufweisen, wodurch sie auf dem einen Lagerring durch einen Linienkontakt abwälzen und auf dem anderen Lagerring über zwei Punktkontakte geführt werden.Radial multi-point bearing with axial floating bearing function for high speeds, characterized in that the rolling elements ( 4 ) are designed such that in the middle of a contact area with a cylindrical shape ( 4 '' ) and at the sides contact areas with convex, spherical geometry ( 4 ' ), whereby they roll on the one bearing ring by a line contact and are guided on the other bearing ring via two point contacts. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Punktkontakte über einen geteilten Lagerring (1, 2), bei dem die beiden Ringhälften federnd gegeneinander angestellt sind realisiert werden.Rolling bearing according to claim 1, characterized in that the two point contacts via a split bearing ring ( 1 . 2 ), in which the two ring halves are made resiliently against each other realized. Wälzlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ringhälften mit konkaver Rillengeometrie ein angepasster Distanzring (11) mit höherem thermischen Ausdehnungskoeffizienten als dem der Lagerringe montiert ist.Rolling bearing according to claim 2, characterized in that between the ring halves with concave groove geometry an adapted spacer ring ( 11 ) is mounted with a higher thermal expansion coefficient than that of the bearing rings. Wälzlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Ringhälfte mit konkaver Rillengeometrie (13) in der anderen Ringhälfte mit konkaver Rillengeometrie (12) über eine zylindrische Führungsfläche geführt ist.Rolling bearing according to claim 2, characterized in that the one half of the ring with concave groove geometry ( 13 ) in the other ring half with concave groove geometry ( 12 ) is guided over a cylindrical guide surface. Wälzlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Vorspannung durch einen Federmechanismus der in einem Deckel (14) der Ringhälfte mit konkaver Rillengeometrie (12) integriert ist aufgebracht wird, und dass das Lager so eine in sich vorgespannte einsatzfähige Einheit bildet.Rolling bearing according to claim 5, characterized in that the axial prestressing by a spring mechanism in a lid ( 14 ) of the ring half with concave groove geometry ( 12 ) is applied, and that the bearing so forms a self-prestressed operational unit.
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