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Flüssiglieitsgese, hmiertes Gleitlager.
Die Erfindung bezieht sich auf Lager der gewöhnliehen Bauart, bei denen ein sieh drehender
Teil, wie z. B. eine Welle, mit einem feststehenden Teil, wie z. B. dem Futter eines Lagergehäuses, in
Berührung steht und bei denen ein flüssiges Schmiermittel zwischen diese beiden Teile eingeführt wird und dort verbleibt, um die Reibung zwischen den sich berührenden Flächen des feststehenden Teiles und des sich drehenden Teiles, die aufeinander gleiten, herabzusetzen. Solche Lager werden im folgenden als Gleitlager bezeichnet im Gegensatz zu Kugel-oder Walzenlagern, bei denen eine Mehrzahl von Kugeln oder Walzen zwischen die Lagerflächen des feststehenden Lagergehäuses und des sich drehenden Teiles und in Berührung mit diesen Flächen eingelegt ist.
Bei Gleitlagern kann der sich drehende Teil, d. i. die Welle, unter der Wirkung der Schwerkraft und anderer Kräfte eine schräge Lage gegenüber dem Lagergehäuse einnehmen, d. h., es kann zwischen der geometrischen Achse der Welle und der geometrischen Achse des Lagergehäuses ein Winkel entstehen, wodurch sich verschiedene Nachteile ergeben. Zur Vermeidung dieser Nachteile wurden bereits verschiedene Konstruktionen von Gleitlagern vorgeschlagen. Bei einer dieser Konstruktionen wird das
Gleitlager mit Kugelflächen versehen, die eine Relativbewegung der einzelnen Lagerteile entsprechend der Schrägstellung der Welle ermöglichen.
Dies kann entweder dadurch erreicht werden, dass man das Lager gegen das Gehäuse über sphärische Flächen abstützt, wobei also an diesen Kugelflächen keine andere Gleitbewegung als die für die Einstellung bei Schrägstellung der Welle erforderliche Gleit- bewegung eintritt (z. B. Hauptlager von Dampfturbinen, Sellerslager usw. ), oder man bildet die Lauf- fläche des Lagers kugelförmig aus, so dass für die Einstellbewegung bei Schrägstellung der Welle die sphärische Lauffläche selbst dient.
Diese aus starren Teilen zusammengesetzten Lager weisen aber wieder den Nachteil auf, dass sie in der Herstellung teuer sind, insbesondere mit Rücksicht auf den erforderlichen hohen Genauigkeitsgrad der sphärischen Flächen. Bei Lagern der zuerst erwähnten Bauart treten bei Auftreten einer Schrägstellung der Welle oder bei einer Änderung dieser Schrägstellung Gleitbewegungen zwischen den Kugelflächen ein, die von der Ruhelage ausgehen und daher unter Überwindung der Reibung der Ruhe vor sich gehen, so dass zur Einleitung der Gleitbewegung verhältnismässig grosse Kräfte erforderlich sind. Ein Lager dieser Art spricht daher sozusagen spät an, wodurch eine starke örtliche Beanspruchung eintritt.
Bei Lagern der zweiten erwähnten Bauart ist die Umfangsgeschwindigkeit der sieh drehenden Fläche gegenüber der feststehenden Fläche verhältnismässig hoch, wodurch eine hohe Temperatur des Schmierfilms zwischen den beiden miteinander zusammenwirkenden Kugelflächen entsteht, was wieder die Tragfähigkeit des Films verringert, so dass er leicht zerreisst. Bei beiden oben erwähnten Bauarten bringt die erforderliche genaue gegenseitige Anpassung der beiden miteinander zusammenwirkenden Kugelflächen grosse Schwierigkeiten mit sich, so dass Lager dieser Bauarten nicht genügend zuverlässig sind und nur kurze Lebensdauer haben.
Es wurde auch bereits vorgeschlagen, Gleitlager mit wälzenden Einstellgliedern zur Einstellung entsprechend einer allenfalls auftretenden Schrägstellung der Welle zu versehen. Solche Lager weisen aber den Nachteil auf, dass die wälzenden Einstellglieder verhältnismässig hohe örtliche Drücke erzeugen, wodurch ein schneller Verschleiss der Wälzflächen entsteht, so dass die Zentrierung oft nachgeprüft und nachgestellt werden muss.
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Weiters wurde vorgeschlagen, Gleitlager in Kardangelenken zu lagern, damit sie sich entsprechend einer allfälligen Schrägstellung der Wolle frei einstellen können. Abgesehen davon, dass derartige Lager sehr teuer und für mit grosser Belastung laufende Wellen ganz ungeeignet sind, ist ihr Verhalten in verschiedenen Richtungen verschieden.
Es wurde auch bereits vorgeschlagen, die Welle von Gleitlagern in weichen Werkstoff, wie z. B.
Kautschuk, einzubetten. Solche Lager sind aber ungeeignet für Wellen, die unter irgendwelcher nennenswerter Belastung laufen ; sie können bloss bei geringer Belastung verwendet werden. Überdies sind viele weiche Körper schlechte Wärmeleiter und infolgedessen haben solche Lager das Bestreben, rasch heiss zu werden, welches Verhalten die Lager nach kurzer Zeit unverwendbar macht.
Schliesslich wurden auch Gleitlager vorgeschlagen, bei denen der Träger des sich drehenden
Teils, d. i. die Laufhülse, in einem Ring aus Stahlblech befestigt ist, dessen äusserer Umfang in dem Lagergehäuse durch Reibung, beispielsweise mittels einer Klemmschraube, festgehalten wird. Derartige Lager sind schwer einzustellen und genau zu zentrieren und ihre Arbeit hängt gänzlich von dem praktisch nicht überprüfbaren Reibungsgrad ab.
Es soll an dieser Stelle auch bemerkt werden, dass für die Wellen von Separatoren oder für andere sich mit hoher Drehzahl drehende Wellen sieh selbst einstellende Lager vorgeschlagen wurden, die eine Büchse aufweisen, die in eine an dem inneren Rand eines ringförmigen, nachgiebigen Diaphragmas befestigte Hülse eingetrieben ist, wobei der äussere Rand dieses Diaphragmas an dem Lagergehällse angeklemmt oder angeschraubt ist, so dass dieses Diaphragma es dem Lager zusammen mit der in ihm gelagerten Welle ermöglicht, eine oszillierende Bewegung durchzuführen, während es eine seitliche Bewegung der Büchse in einer mit der Ebene des Diaphragmas zusammenfallenden Ebene verhindert.
Keine der bisher vorgeschlagenen Konstruktionen von Gleitlagern schafft ein Lager, das sich bei irgendeiner Schrägstellung des sich drehenden Teiles oder der Welle-bei vollkommener Erhaltung der kreiszylindrischen Form der Lauffläche-selbsttätig einstellt und das zum Einbau in das Lagergehäuse ohne besondere Adjustierung geeignet ist. Der Zweck vorliegender Erfindung besteht darin, ein derartiges Lager mit Verwendung eines flüssigen Schmiermittels zu schaffen, wodurch offensichtlich ein sehr bedeutsames Ergebnis erzielt wird, da man bloss ein von der Fabrik geliefertes Lager in die im Lagergehäuse zum Einbau des Lagers vorgesehene Öffnung einzusetzen und dort ohne mit einer genauen Einstellung verbundene Schwierigkeiten und Kosten zu befestigen braucht.
Gemäss der Erfindung weist ein flüssigkeitsgeschmiertes Gleitlager eine steife innere Hülse, eine in das Gehäuse einer Maschine ohne weitere Einstellung einsetzbare steife äussere Hülse und ein dazwischen liegendes ringförmiges nachgiebiges Glied auf, das über den ganzen inneren und äusseren Umfang mit der erwähnten inneren und äusseren Hülse fest verbunden ist, wobei dieses nachgiebige Glied genügend steif ist, um Drücken senkrecht auf die Wellenachse zu widerstehen, jedoch genügend deformierbar, um es der inneren Hülse zu ermöglichen, eine Schräglage einzunehmen, falls die Welle sich schräg stellt, ohne dass dabei der Schmiermittelfilm zerreisst.
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich demnach von den früheren Konstruktionen dadurch, dass das ringförmige nachgiebige Glied sowohl mit der inneren als auch mit der äusseren Hülse starr verbunden ist, wodurch eine gleichmässige Verteilung der Kräfte erzielt wird.
Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt vor allem auf dem Gebiete der kurzen Gleitlager, also solchen, bei welchen die Lauflänge etwa gleich oder auch kleiner als der Laufdurehmesser ist.
In Fig. 1 ist die Erfindung an Hand einer schematischen Skizze erläutert. 1 ist der Laufkörperträger, also beispielsweise der Träger der Laufschale, 2 ist das oben erwähnte Organ, welches so dargestellt ist, dass durch den geraden Strich die Eigenschaft der Lagerdruckaufnahme und durch den wellenförmigen Strich die Eigenschaft der Deformation bei Schrägstellung der Welle angedeutet ist.
. 3 ist der Lagerträger, d. h. im allgemeinen jener Teil der Maschine, in welchen das Lager eingesetzt wird. 4 ist der Mittelpunkt des Laufkörperträgers bzw. der Angriffspunkt der Resultierenden der Schmiersehichtdrücke (Lagerdruck) und P stellt den dort angreifenden Lagerdruck dar. Bei den in Fig. 1 dargestellten Verhältnissen ist angenommen, dass die Achsen der Welle und des Laufkörperträgers parallel sind. Bei diesen Verhältnissen stützt das Organ ohne Auftreten eines Drehmomentes des Lagerdruckes die Welle ab, da das Organ, wie oben gesagt, genügend Festigkeit und Steifigkeit zur Aufnahme des Lagerdruckes aufweist.
Die Fig. 2 zeigt schematisch die Verhältnisse bei Schrägstellung der Welle. Diese Schrägstellung tritt auf, wenn sich der Zapfen unter Einfluss irgendwelcher Aussersystemkräfte sehrägstellt. Während bei parallelen Achsen der Lagerdruck, wie in Fig. 1 dargestellt, durch den Mittelpunkt 4 des Laufkörperträgers geht, tritt bei Schrägstellung eine Verlagerung des Druckmittelpunktes von 4 nach 4'ein, u. zw. verschiebt sich dieser Druckmittelpunkt in der Richtung der Senkung der Welle, d. h. in Fig. 2 nach rechts. Dabei entsteht ein Drehmoment P. a. Da das Organ 2 deformierbar ist, tritt infolge der Wirkung dieses Drehmomentes eine entsprechende Deformation elastischer oder plastischer Art ein, u. zw. vor Eintritt einer unzulässigen Beanspruchung der Gleitstoffe.
Dies ist in Fig. 2 dadurch schematisch dargestellt, dass die Deformationseigenschaft des Organs 2, dargestellt durch die Wellenlinie, geneigt zu der die Druckfestigkeit und Steifigkeit darstellenden geraden Linie versinnbildlicht ist. Infolge dieser Deformation folgt der Laufkörper der Schrägstellung der Welle und es wird dadurch eine
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unzulässige Beanspruchung der Gleitstoffe vermieden, d. h., es kann durch das Kanten des Zapfens keine bleibende Verformung bzw.
kein Verschleiss der Gleitstoffe noch auch ein Festsitzen eintreten.
Während bei den bekannten Konstruktionen diese Einstellung der Gleitflächen nur unter Überwindung der Reibung der Ruhe erfolgen kann und so einen ziemlich hohen Schwellenwert (Wert, bei dessen Überschreitung die ruhende Reibung in Reibung der Bewegung übergeht) besitzt, ist dies bei der erfindungsgemässen Ausgestaltung des Gleitlagers nicht der Fall. Die Einstellung der Gleitflächen erfolgt bei dem erfindungsgemäss ausgestalteten Lager bereits beim Auftreten eines noch so kleinen Dreh- momentes P. a und wenn die Deformation des Organs unterhalb der Elastizitätsgrenze bleibt, so bildet sich ein neuer Gleichgewichtszustand gegen die elastischen Reaktionskräfte aus.
Bei den bekannten I, rgerii hingcgen tritt eine Einstellung der Gleitfläche erst dann ein, bis das Drehmoment so weit angewachsen ist, dass es den Widerstand der Ruhe überwinden kann, und es bildet sich sodann nach erfolgter Einstellung ein neuer Gleichgewichtszustand aus, für dessen Verlassen bei Änderung der
Schrägstellung wieder dieselben Bedingungen der Überschreitung eines Sehwellendrehmomentes erforderlich sind.
Hier treten besonders bei kurzer Baulänge wegen des verhältnismässig hohen Sehwellendreh- momentes leicht durch Kanten der Zapfen bleibende Verformungen bzw. ein Verschleiss der Gleitstoffe oder ein Festsetzen ein.
Die Fig. 3 zeigt eine schematische Konstruktionsausführung. Das Organ, welches die oben angeführten Eigenschaften aufweist, ist hier durch eine ringförmige Stegplatte. 5 gebildet, die in einen
Aussenring 6 eingespannt ist. Diese ringförmige Stegplatte ist beispielsweise mit entsprechenden Aus- nehmungen so ausgestattet, dass einerseits die erforderliche Steifigkeit verbleibt und anderseits die gewünschte Deformationsmöglichkeit besteht. In der schematischen Darstellung ist dies durch Bei- setzung der Wellenlinie zu der Stegplatte dargestellt.
Es sollen nun im folgenden an Hand einiger Konstruktionsbeispiele Ausführungen beschrieben werden.
Die Fig. 4 zeigt im Schnitt eine einfache Ausführungsform des Gleitlagers nach der Erfindung, bei welcher in dem Laufkörperträger 1 eine Büchse 7 aus Gleitwerkstoff angeordnet ist. Der Lagerkörper kann beispielsweise aus Stahl und die Büchse 7 aus Bronze hergestellt sein. Vorteilhaft wird der Aussenring 6 derart als Passfläehe hergestellt, dass er mit engem Sitz im Lagerträger ruht. Ist der Aussenring unter grösserem Spiel im Maschinengehäuse eingesetzt, so zeigen sich unter dem Einfluss der Lagerlasten Deformationen an sämtlichen Teilen des Lagers, die sich vornehmlich darin äussern, dass das Zentrum des Lagers in der Richtung der Kraft verschoben wird. Dabei verformt sich der Aussenring, soweit dies das Spiel zulässt, oval mit der Längsachse senkrecht zur Kraftrichtung.
Ist das Spiel klein, so wird also eine weitgehende Verformung im angegebenen Sinne vermieden. Soll diese Deformation bei grösserem Spiel vermieden werden, so müsste der Aussenring entsprechend stark ausgebildet werden : ist aber das Spiel gering, so kann ein schwacher Aussenring verwendet werden, u. zw. bei Edelpassungen am schwächsten.
Die Fig. 5 zeigt im Schnitt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die ringförmige Stegplatte 2 gewellt ausgebildet ist. Diese Wellung kann eine einfache oder mehrfache sein, sie kann sich über die ganze Stegplatte oder nur über einen entsprechenden Teil derselben erstrecken.
Die Fig. 6 zeigt eine andere beispielsweise Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die ringförmige Stegplatte 2 durch den Steg eines Ringes mit U-Profil gebildet ist. Da bei dieser Ausführungform die Stegplatte aus einem gesonderten Körper gebildet ist, kann selbstverständlich auch für dieselbe ein anderes Material als für die sonstigen Lagerteile verwendet werden, u. zw. ein Werkstoff, der hinsichtlich der Lagerdruckfestigkeit und der Deformationsmöglichkeit besondere Eignung besitzt. Der Ring kann mit dem Laufkörperträger 1 in irgendeiner Weise durch Schweissung oder Lötung oder Pressung verbunden sein.
Die Fig. 7 zeigt eine weitere beispielsweise Ausführungsform im Schnitt, wobei die ringförmige Stegplatte 2 als ein gesonderter Körper ausgebildet ist, der zwischen Laufkörperträger und Aussenring eingesetzt und beispielsweise mittels eines Pressringes 8 festgehalten wird. Der Pressring 8 kann eingeschraubt, kalt eingepresst oder sonstwie befestigt sein.
Die Fig. 8 zeigt eine andere beispielsweise Ausführungsform der Erfindung im Schnitt, u. zw. ist bei dieser Ausführungsform die ringförmige Stegplatte in einer Ebene angeordnet, die ausserhalb der querliegenden Symmetrieebene Z des Laufkörpers liegt.
Bei dieser Ausführungsform, die insbesondere für niedrig belastete Lager bestimmt ist, ergibt sich der Vorteil, dass von Haus aus ein Hebelarm des Ls gerdruckes vorhanden ist. Dieser Hebelarm ist in Fig. 8 mit b bezeichnet. Ein Lager dieser Ausführungsform spricht natürlich noch viel leichter an wie Lagerausführungen mit Stegplatte in der Symmetrieebene Z und es eignet sich daher die dargestellte Ausführungsform vor allem für geringe Belastung.
Die Fig. 9,10, 11 und 12 zeigen Stücke der ringförmigen Stegplatte 2 in Seitenansicht. Bei diesen Ausführungsformen sind Ausnehmungen verschiedener Form und verschiedener Verteilung in der Stegplatte angebracht, entsprechend den gewünschten Festigkeitseigenschaften der Stegplatte. Natür-
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lieh können je nach dem besonderen Zweck die Ausnehmungen und auch deren Verteilung von den dargestellten Formen und Verteilungen abweichen.
Die Fig. 13 zeigt eine beispielsweise Ausführungsform des Gleitlagers im Schnitt, bei welcher die erfindungsgemässe Ausgestaltung der ringförmigen Stegplatte in Kombination mit der erfindungs- gemässen Ausbildung des Aussenringes dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform wird die aus einem
Stuck mit dem Aussenring bestehende Stegplatte durch eine Überwurfsmutter 9 od. dgl. mit dem
Laufkörperträger starr verbunden. Auch beispielsweise bei dieser Ausführungsform kann durch ent- sprechende Wahl des Werkstoffes für Aussenring und Stegplatte besondere Rücksicht auf die Festigkeits- eigenschaften genommen werden. An Stelle einer Überwurfsmutter kann auch ein geeignet geformter
Sprengring verwendet werden.
Es kann beispielsweise auch an Stelle der Überwurfsmutter ein geschlossener Ring verwendet werden, der warm aufgebracht wird und beim Zusammenziehen in einer neben der Stegplatte angebrachten Ringnut liegt.
Zweckmässig wird bei der Ausführungsform der Erfindung mit der ringförmigen Stegplatte so dimensioniert, dass die Differenz der Radien des Aussen- und Innenrandes (R bzw. 2) der Stegplatte mindestens fünfmal so gross ist wie die mittlere Dicke der Stegplatte.
Bezüglich der Ausbildung der ringförmigen Stegplatte bzw. des Aussenringes kann im wesentlichen von der Wahl eines Werkstoffes oder/und der Wahl bestimmter Quersehnittsausgestaltung ausgegangen werden. In der Regel wird es sich empfehlen, sowohl mit der Wahl eines besonderen Werkstoffes als auch mit besonderer Querschnittsausgestaltung zu arbeiten. Aber es kann die Erfindung auch verwirklicht werden selbst an Lagern, die im ganzen aus einem einzigen, bestimmten Werkstoff, wie beispielsweise einer besonders geeigneten Bronze, hergestellt sind. Es wird immer die Frage des besonderen Falles sein, welche Konstruktion hinsichtlich des Aufbaues des Lagers aus einem einzigen oder ver- schiedenen Werkstoffen mit der einen oder andern Quersehnittsausgestaltung zu wählen ist.
Im folgenden seien zwei Beispiele angeführt :
1. Verwendung von Stahlkörpern.
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1000 kg, Schrägstellung der Welle 1 : 500 ; Umlaufssehmierung mit mittelschwerem Maschinenöl. Der Platzbedarf des ganzen Lagers soll annähernd gleich sein demjenigen eines schweren, einreihigen Kugellagers (Austauschbarkeit)..
Wegen der Umlaufssehmierung bestehen günstige Bedingungen für die Wärmeabfuhr, so dass
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erfordert im Vergleich zur Schrägstellung des Lagers einen bestimmten Stegquerschnitt, der auf Grund der Erfahrungswerte festzusetzen. ist. Der Laufkörperträger erhält zweckmässig hier zur Erzielung entsprechender Eigenfestigkeit eine Stärke von mindestens 6-5 mm. Zusammen mit der 3'5 mm starken Bronzebüehse ergibt sieh also beispielsweise eine Gesamtwandstärke von 10 mm. Daran schliesst sieh
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ring von etwa 2'5 mm Wandstärke ansehliesst. Die Stegplatte erhält beispielsweise vier Bohrungen von je 10 rum Durchmesser zwecks Erzielung der entsprechenden Deformierbarkeit.
Der Aussendureh- messer des Lagers beträgt somit D = 50 + 2 x 10 + 2 x 12 + 2 x 2-5 = 99 mm. Durch Umrechnung aus durch Messungen gewonnenen Erfahrungswerten ergibt sieh beispielsweise, dass bei der angenommenen Schrägstellung von 1 : 500 mm ein Moment P. a = 180 cm/kg auftritt, wenn die Stegstärke 0'65 m'in beträgt. Da die Schrägstellung durch eine Verschiebung der Lagerdruek-ResuItierenden aus der Symmetrieebene des Lagers erfolgt, errechnet sich der für die Schrägstellung nötige Hebels-
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Würde man die Stegplatte stärker als 0-65 iizrm wählen, so würde zur Erzeugung der gleichen Schrägstellung die Lagerdruck-Resultierende weiter vom Steg weg verschoben werden müssen. Weil dies eine örtliche Erhöhung der Beanspruchung zur Folge hat, ist es besser, die Ausführung nahe den soeben abgeschätzten Werten durchzuführen.
2. Verwendung von Leichtmetallkörpern.
Gegeben seien : Wellendurchmesser = 50 mm, Drehzahl n = 1000 U/min, Lagerdruck P = 500 leg, Schrägstellung der Welle 1 : 300. Der Platzbedarf in radialer Richtung sei ziemlich frei, jedoch soll der äussere Durchmesser des Aussenringes nicht mehr als 120 mm betragen. In axialer Richtung soll das Lager so gedrängt wie möglich ausfallen, kleines Gewicht ; Dochtschmierung.
Die Ermittlung der Abmessungen vollzieht sich genau so wie in Beispiel 1. Die Freiheit in radialer Richtung wird man zweckmässig zur Anbringung eines möglichst steifen Laufkörperträgers benutzen.
Bei einer Wandstärke der Bronzebüchse von 3 mm wird man die Wandstärke des Laufkörperträgers,
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sieh wieder nach Erfahrungsgrundsätzen, soll jedoch vorteilhaft nicht grösser sein als ein Fünftel der radialen Erstreckung, weil sie sonst unverhältnismässig steif wird. Weil in diesem Falle nicht nur
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mit niedrigerem Elastizitätsmass, also beispielsweise zu einer schmiedbaren Leichtmetallegierung mit möglichst hoher Festigkeit greifen. Das Elastizitätsmass sei etwa dreimal so klein als bei Stahl und ergibt daher unter sonst gleichen Verhältnissen die etwa dreifache Deformationsgrösse bzw. braucht bei gleicher Deformationsgrösse nur ein Drittel des Biegemomentes.
Die Verwendung von Leichtlegierung hat ausser der Gewichtsersparnis noch den schätzenswerten Vorteil, dass eine bessere Wärmeabfuhr zu den Kühlflächen des Gehäuses möglich ist. Dieser Vorteil wirkt sich um so mehr aus, als mangels einer Umlaufschmierung (die Wärme abtransportiert) die Wärmeabfuhr zum Teil durch die Stegplatte erfolgt. Bei guter Wärmeabfuhr bleibt das 01 zäher und damit ergibt sich eine stärkere Schmierschicht und erhöhte Betriebssicherheit.
Das erfindungsgemäss ausgestaltete Lager kann auch in irgendeiner an sich bekannten Weise
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PATENT-ANSPRUCHE :
1. Flüssigkeitsgeschmiertes einbaufertiges Gleitlager mit zylindrischem Innen-und Aussenring und einem an seinem ganzen Umfange mit dem Innen-und Aussenring fest verbundenen Steg (1-oder U-Profil), der bezüglich des normalen Zapfendruckes steif ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg so beschaffen ist, dass er die bei der Schrägstellung der Welle auftretenden Kantungsdrücke durch entsprechend Verformung aufnimmt, so dass solche Kantungsdrücke, die zum Zerreissen des ölfilm führen würden, nicht auftreten können.