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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Lager gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die als Unterstützungen
für Drehwellen dienen, und betrifft außerdem jene dieser
Lager, die für große Wellen verwendet werden, die sich
mit hoher Drehzahl drehen, beispielsweise Wellen für
Getriebe (Drehzahlübersetzungs- und
Drehzahluntersetzungseinrichtungen), die dazu bestimmt sind,
Turbotriebwerke anzutreiben und/oder von Turbotriebwerken
angetrieben zu werden.
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Diese Lager sind im Hinblick auf die technologischen
Zwänge bei der Montage und ihre lange Lebensdauer nahezu
stets vom hydrodynamischen Typ. Diese hydrodynamischen
Lager weisen jedoch ihre eigentümlichen Grenzen auf, die
die Leistungen und die Lebensdauer der Übersetzungs- und
Untersetzungseinrichtungen bedingen, so daß in den
letzten Jahren erhebliche Anstrengungen unternommen worden
sind, um diese Lager zu optimieren. Die Erfindung zielt
auf einen großen neuen Schritt bei dieser Optimierung.
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Es sind selbstverständlich Lager mit festen Profilen
bekannt, die aus zwei festen Bogenstücken in einem Körper
gebildet sind und im wesentlichen in einem Wellenstrang
mit niedriger Drehzahl verwendet werden. Diese
Bogenstücke können in bezug auf die Achse des Lagers versetzt sein
("offset halves"), wobei die Welle ihrerseits die
optimale Position einnimmt, wenn sie ihre Nenndrehzahl
erreicht. In einem solchen Fall ist die
Lastausübungsoberfläche maximal, so daß sowohl der Verlust der
Lagerleistung als auch der Verlust des Getriebes maximal sind.
Außerdem sind sogenannte Oszillationskufenlager
entwic
kelt worden, in denen auf der inneren Oberfläche des
Körpers (im allgemeinen fünf) Kufen gleichmäßig verteilt
und so angebracht sind, daß sie entweder eine
Kippbewegung längs einer Kontaktlinie mit der zur Wellenachse
parallelen Oberfläche ausführen können oder um 360º um
ein an der inneren Oberfläche des Körpers befestigtes
Kugelgelenk beweglich sind. In diesem Fall kippen die
Kufen bei der Drehung der Welle, um ihre optimale
Position einzunehmen.
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Derzeit wird angenommen, daß diese Oszillationskufenlager
für einen Hochdrehzahl-Wellenstrang besser geeignet sind
(siehe "Calcul des caracteristiques statiques et
dynamiques d'un palier ä patins oscillants", Laboratoire de
Mecanique des Contacts, INSA, Lyon, Juni 1983). Darüber
hinaus ist es in diesem Fall auch vorteilhaft, diese
oszillierenden Lager an Kugelgelenken anzubringen, deren
Kugel in bezug auf das Zentrum des Aufnahmesitzes der
Kufe versetzt ist.
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Das Dokument US-A-4597676 offenbart ein Lager des
obengenannten Typs.
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Die Erfindung beruht auf der überraschenden
experimentellen Feststellung, daß mit dem Lager des obengenannten
Typs noch bessere Ergebnisse erhalten werden können, wenn
es durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des
Anspruchs 1 gekennzeichnet ist.
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Wie später genauer entwickelt wird, macht der
experimentelle Vergleich zwischen den Lagern der Erfindung und den
herkömmlichen Lagern mit oszillierenden Kufen im Hinblick
auf die maximale Temperatur, die Lastverluste und die
Schwingungsfestigkeit einen deutlichen Vorteil der Lager
der Erfindung deutlich.
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Zunächst wird die Erfindung genauer beschrieben, indem
auf zwei Ausführungsformen Bezug genommen wird, die in
der beigefügten Zeichnung dargestellt sind, worin:
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- Fig. 1 ein Axialschnitt längs I-I von Fig. 2 einer
ersten Ausführungsform der Erfindung ist, in der der
Kontakt der oszillierenden Kufen mit der inneren
Oberfläche des Körpers längenbezogen ist;
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- Fig. 2 ein transversaler Halbschnitt längs II-II und
eine Halbstirnansicht von Fig. 1 ist;
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- Fig. 3 ein Teilschnitt längs III-III in Fig. 2 ist;
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- Fig. 4 ein Axialschnitt längs IV-IV in Fig. 5 einer
zweiten Ausführungsform der Erfindung ist, in der die
oszillierenden Kufen an versetzten Gelenkzapfen
angebracht sind;
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- Fig. 5 ein transversaler Halbschnitt längs V-V und
eine Halbstirnansicht von Fig. 4 ist;
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- Fig. 6 ein Teilschnitt längs VI-VI in Fig. 5 ist;
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- Fig. 7 den Plan des Vergleichsuntersuchungsapparates
für Lager zeigt;
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- Fig. 8 die in Tabelle II zusammenfassend bezifferten
Ergebnisse graphisch veranschaulicht;
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- die Fig. 9 und 10 die in Tabelle III zusammenfassend
bezifferten Ergebnisse graphisch veranschaulichen;
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- Fig. 11 die in Tabelle IV zusammenfassend bezifferten
Ergebnisse graphisch veranschaulicht;
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- Fig. 12 die in Tabelle V zusammenfassend bezifferten
Ergebnisse graphisch veranschaulicht.
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Zunächst wird auf die Fig. 1-3 Bezug genommen, in denen
ein Lager gemäß der Erfindung gezeigt ist, das aus einem
Körper 1 gebildet ist, der mit drei Abstützoberflächen
versehen ist, nämlich:
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- mit einem festen Bogenstück 2, das sich über einen
Winkel von ungefähr 115º erstreckt,
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- mit zwei oszillierenden Kufen 3-3', die sich jeweils
über einen Winkel von ungefähr 60º erstrecken.
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Das feste Bogenstück 2 ist im Körper 1 durch jedes
bekannte Mittel angebracht, das für die Konstruktion von
Lagern mit festen Profilen (Schrauben oder Anschläge)
geeignet ist. Es wird stromaufwärtig durch eine Rinne 4
in herkömmlicher Weise geschmiert.
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Jede oszillierende Kufe weist einen Krümmungsradius auf,
der kleiner als der Radius der Oberfläche des Körpers
ist, so daß sie auf dieser Oberfläche längs einer Linie
sitzt, um die sie frei kippen kann. Bei fehlender Welle 6
wird sie durch einen mit 7-7' bezeichneten Halterring
festgehalten. Wenn die Welle vorhanden ist und ihre
Nenndrehzahl erreicht, kippt jede Kufe 3-3', um ohne
jeglichen Kontakt ihre optimale Position einzunehmen.
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Außerdem befindet sich jede Kufe in der Nähe des festen
Bogenstücks 2 und liegt in Umfangsrichtung stromabwärtig
ständig an den Anschlägen 8-8' und stromaufwärtig ständig
an den Schmierungsdüsen 9-9' an. Fig. 3 zeigt die
Verteilung jeder Einheit aus drei Düsen mit gerichtetem Strahl
9a, 9b, 9c.
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Die Welle 6 dreht sich in Richtung ω, wobei die Last in
Richtung des Pfeils F orientiert ist.
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Nun wird auf die Fig. 4-6 Bezug genommen, in denen ein
Körper 11 gezeigt ist, an dem ein festes Bogenstück 12,
das sich über einer Bogen vor ungefähr 115º erstreckt,
beispielsweise durch Schrauben oder Anschläge befestigt
ist und stromaufwärtig durch eine Rinne 14 geschmiert
wird, ferner ist ein Paar oszillierender Kufen 13-13'
gezeigt, die sich in der Nähe der Enden des festen
Bogenstücks über einen Bogen von ungefähr 60º erstrecken und
in Umfangsrichtung stromabwärtig an (nicht gezeigten)
Anschlägen und stromaufwärtig an Schmierungsdüsen 19-19'
mit gerichteten Strahlen anliegen (siehe Fig. 6).
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Im Unterschied zu den Kufen 3-3', die lediglich in
Drehrichtung der Welle kippen können, sind die Kufen 13-13'
im inneren des Körpers über Kugelgelenke angebracht, die
eine sphärische Kappe 21 aufweisen, die am Körper 11 über
eine Schraube 22 gehalten wird, und mit einem
Aufnahmesitz in Form eines sphärischen Hohlraums, der der
hinteren Fläche der Kufe 13-13' entspricht, zusammenwirkt.
Zwischen der hinteren Fläche der Kappe 21 und der inneren
Oberfläche des Körpers 11 (siehe Bezugszeichen 23') ist
ein Einstellteil eingesetzt, das die Präzision der Höhe
der Kufe 13 gewährleistet, wodurch ihr
Verschleißvermieden wird und gleichzeitig das Spiel eingestellt werden
kann.
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Die Welle 6 dreht sich in Richtung ω, wobei die Last in
der Richtung des Pfeils F ausgeübt wird.
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Gemäß einer Variante, die im Umfang der Erfindung liegt,
sind die Elemente des Kugelgelenks, d. h. die Achse der
Kappe 21 und die Achse des sphärischen Hohlraums der Kufe
13, in der Weise versetzt, daß ein dezentrierter
Drehpunkt erzeugt wird, der beste Leistungen des Lagers
sicherstellt.
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In dieser zweiten Variante können nicht nur die Kufen in
Drehrichtung der Welle schwenken, sondern sie können
darüber hinaus in einer senkrechten Richtung, d. h.
parallel zur Achse des Lagers, kippen, um sich an die
eventuelle Biegung der Welle anzupassen.
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Es wird angemerkt, daß die ungefähre Gesamtlänge der
Unterstützungsflächen des festen Bogenstücks und der
beiden Kufen ungefähr einen Bogen von 235º ausmacht. Wenn
den Anschlägen und Düsen, die den Umfangsanschlag der
Kufen sicherstellen, eine Gesamtlänge von ungefähr 50º
zugeschrieben wird, bleibt somit zwischen den Kufen ein
freier Raum von ungefähr 65º, auf den keine Last wirkt.
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Dieser Besonderheit können wenigstens teilweise die
besseren Leistungen der Lager gemäß der Erfindung
zugeschrieben werden, wie später mit Bezug auf die
experimentellen und theoretischen Untersuchungen erläutert wird.
Hierzu muß berücksichtigt werden, daß, da die Last auf
das feste Bogenstück gerichtet ist, wie durch den Pfeil F
in den Fig. 2 und 5 gezeigt ist, und die Kufen nur die
Aufgabe des Haltens, d. h. die Begrenzung oder sogar die
fast vollständige Beseitigung von Schwingungen und keine
Lastkapazität haben, deren Position einen Kompromiß
zwischen der "Steifigkeit" des Lagers und seiner
Dämpfungsaufgabe erfüllen muß. Dies ist der Grund, weshalb
sie sich erfindungsgemäß so nahe wie möglich bei dem
festen Bogenstück befinden, nämlich die linke Kufe (3
oder 13), die die Unterstützung verbessert, und die
rechte Kufe (3' oder 13'), die den optimalen Kompromiß
zwischen der Steifigkeit und der Dämpfung sicherstellt,
wobei dazwischen ein bestimmtes Leerintervall vorhanden
ist. Eine vorausgehende theoretische Untersuchung hat
ermöglicht, die optimalen Positionen der Drehpunkte zu
ermitteln. Die experimentellen Untersuchungen haben die
Angemessenheit der theoretischen Hypothesen bestätigt.
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Nun wird eine kurze Zusammenfassung der experimentellen
Untersuchungen gegeben, auf die oben Bezug genommen
worden ist.
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Das Ziel der Versuche ist die vergleichende Untersuchung
von Lagern mit fünf oszillierenden Kufen mit entweder
zentrierten oder versetzten Drehpunkten mit einem
Hybridlager mit einem festen Träger-Bogenstück und zwei
oszillierenden Kufen mit Stabilisatorkufen gewesen.
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Hierzu ist ein Apparatepaar verwendet worden, dessen
Plan, der in Fig. 7 wiedergegeben ist, das Prinzip der
sogenannten "Rücken-an-Rücken"-Versuche erläutert. Die
beiden verwendeten Apparate sind hinsichtlich ihrer
Gangart und ihres Achsabstandes völlig gleich. Einer
arbeitet als Übersetzungseinrichtung (Maschine A),
während der andere als Untersetzungseinrichtung (Maschine B)
arbeitet. Sie bilden somit eine geschlossene kinetische
Kette, in deren Inneren es durch verschiedene Mittel
möglich ist, interne Belastungen (Drehmomente auf Wellen
und Kräfte auf die Zahnungen), die den Nennkräften der
Apparate entsprechen, zu erzeugen. In dieser Figur geben
die Pfeile die aktiven Flanken der Zahnungen an. Die
Versetzung der Gesamtheit in Bewegung wird mittels eines
Motors M erzielt, der an das Niederdrehzahl-Wellenende
(PV) des Strangs 4 gekoppelt ist, während die
Beaufschlagung mit der Last durch eine Vorrichtung C am
Hochdrehzahl-Wellenende (GV) erfolgt.
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Das Grundprinzip dieser Lastbeaufschlagung der
kinematischen Kette ist das folgende:
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Der gesamte Wellenstrang besitzt eine konstante globale
Torsionssteifigkeit, derart, daß dann, wenn an einem
Kopplungspunkt am Wellenstrang eine relative
Winkelverschiebung zwischen den zwei Kopplungsplatten erfolgt,
daraus ein zur Verschiebung proportionales
Belastungsdrehmoment folgt. Je nach Torsionssteifigkeit des Strangs
wird das Nenndrehmoment der Apparate durch mehr oder
weniger hohe Verschiebungswerte erreicht.
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In dieser Vorrichtung ruft die axiale Verschiebung einer
beweglichen Einheit in bezug auf die konjugierte Zahnung
die erwünschte relative Drehung hervor. Diese Bewegung
wird Kraft der Verwendung eines Oszillationskufen-
Anschlags erhalten, auf den die axialen Kräfte für die
Belastung über einen selbstblockierenden Hochdruck-
Hydraulikzylinder C wirken. Diese Kräfte sind gleich und
den axialen Gegenkräften auf die Zahnungen, die der
übertragenen Belastung entsprechen, entgegengesetzt.
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Die auf die Lager ausgeübte radiale Last ergibt sich hier
somit aus der axialen Kraft des Zylinders, die auf die
schraubenlinienförmigen Zahnungen der Versuchsmaschinen
ausgeübt wird.
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Die Versuchsbedingungen sind die folgenden:
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- Der Motor M besitzt eine Nennleistung von 1 MW und
eine Nenndrehzahl von 1200 Umdrehungen/Minute;
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- Eine Übersetzungseinrichtung m erhöht diese
Nenndrehzahl auf 3060 U/min am Eingang der Maschine A;
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- Die Abmessungscharakteristiken der dem Versuch
unterworfenen Lager sind in der folgenden Tabelle I
zusammengefaßt.
Tabelle I
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In dieser Tabelle ist:
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- Dn = Nenndurchmesser (Durchmesser des Wellenlagers,
d. h. des zwischen dem Zentrum des Bogenstücks und
den Zentren der beiden Kufen einbeschriebenen
Kreises);
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- L = Breite des Lagers;
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- m = Vorbelastung.
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Von den vergleichend ausgeführten Messungen an diesen
Lagern muß als besonders charakteristisch festgehalten
werden:
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1/ die Entwicklung der Maximaltemperaturen der Lager
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2/ die Entwicklung der Lastverluste,
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3/ die Schwingungsfestigkeit.
1/ Temperaturen
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Die Messung der Temperaturen erfolgt mittels
Thermoelementen, die hauptsächlich am Umfang der Kufen angeordnet
sind, wobei ihr empfindlicher Teil direkt in die
Lagermetallschicht implantiert ist und mit der inneren
Oberfläche der Kufen bündig ist.
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Die folgende Tabelle II faßt die in % ausgedrückten
Verhältnisse zwischen den Temperaturwerten, die in der
Mittelebene des Lagers 11B von Fig. 7 gemessen wurden,
zusammen, wobei dieses Lager entweder vom Typ mit 5
oszillierenden Kufen mit zentrierten Drehpunkten oder vom
Hybridtyp gemäß der Erfindung ist, wobei die Lasten W %
von null (Leerlauf) bis 100 (Nennlast) laufen und die
Drehzahlen N % von 25% bis 100% der Nenndrehzahl
(normaler Arbeitspunkt) und selbst über 100% hinaus
(Überdrehzahl in bestimmten Anwendungen) laufen.
Tabelle II Verhältnis der Temperaturen (%)
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Fig. 8 zeigt graphisch die Änderung dieses Verhältnisses
in Form einer Kurve für jeden Lastwert in Abhängigkeit
von der Drehzahl.
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Aus Tabelle II und Fig. 8 geht klar hervor, daß sich für
äquivalente Drehzahl-/Lastbedingungen das Hybridlager
gemäß der Erfindung deutlich weniger als das bekannte
Oszillationskufenlager aufheizt, und dies insbesondere
bei Nennbedingungen. Der Unterschied ist erheblich und
rechtfertigt allein schon die Patentfähigkeit des
Hybridlagers gemäß der Erfindung.
2/ Lastverluste
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In ähnlicher Weise faßt die folgende Tabelle III die in %
ausgedrückten Verhältnisse zwischen den Werten in kW der
von einem Lager in Wärme abgeführten Leistung zusammen,
wenn dieses Lager vom Typ mit fünf oszillierenden Kufen
mit zentrierten Drehpunkten bzw. wenn dieses Lager vom
Hybridtyp gemäß der Erfindung ist, und dies für
Kombinationen zwischen der Drehzahl N (die von 25 bis 100% und
selbst über die Nenndrehzahl hinaus laufen kann) und der
Last W (die von null bis 100% der Nennlast laufen kann).
Tabelle III
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Tabelle III faßt außerdem die Verhältnisse in % zwischen
den gemessenen Durchsätzen mit variabler Last in
Abhängigkeit von der Geschwindigkeit für die beiden Lagertypen
zusammen.
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Die Fig. 9 und 10 zeigen graphisch die in Tabelle III
enthaltenen Daten:
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- Fig. 9 zeigt die Änderungen des Verhältnisses der
Verluste zwischen dem herkömmlichen Lager und dem
Lager gemäß der Erfindung bei Last null bzw. bei
Nennlast in Abhängigkeit von der Drehzahl, während
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- Fig. 10 die Änderungen des Verhältnisses der
Durchsätze zwischen diesen beiden Lagern bei Last null
bzw. bei Nennlast in Abhängigkeit von der Drehzahl
zeigt.
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Aus Tabelle III und aus den Kurven der Fig. 9 und 10 geht
deutlich der Vorteil des Lagers gemäß der Erfindung
gegenüber dem bekannten Lager mit fünf Kufen und
dezentrierten Drehpunkten unter allen Drehzahl-/Last-
Betriebsbedingungen hervor. Somit ist unter
Nennbedingungen die vom Hybridlager gemäß der Erfindung in Wärme
abgeführte Leistung viel geringer als jene, die vom
herkömmlichen Lager mit fünf Kufen abgeführt wird.
3/ Schwingungsfestigkeit:
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Die verglichene Beständigkeit gegenüber Schwindungen der
Lager mit fünf dezentrierten oszillierenden Kufen und der
Hybridlager gemäß der Erfindung ist bewertet worden:
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a einerseits durch Messen der Amplitude des
Schwingungspegels unter der Last W von null bei variabler
Drehzahl N (die von 25% der Nenndrehzahl bis zu
Überdrehzahlen von 115% der Nenndrehzahl läuft);
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b andererseits durch Messen der Schwingungsamplitude
bei Nenndrehzahl für veränderliche Lasten W, die von
0% bis zur Nennlast laufen.
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In den beiden Fällen ist diese Amplitude vertikal (V) und
horizontal (H) gemessen und in den entsprechenden Spalten
in um ausgedrückt worden.
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a - Die folgende Tabelle IV faßt die Verhältnisse in %
zwischen den Werten der Amplituden V und H für das Lager
mit oszillierenden Kufen bzw. für das Hybridlager gemäß
der Erfindung bei Last 0 und mit variabler Drehzahl
zusammen.
Tabelle IV Verhältnisse der Schwingungsamplituden (%) (Last null und variable Drehzahl)
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Fig. 11 zeigt graphisch die Änderungen des Verhältnisses
der vertikalen und horizontalen Schwingungspegel zwischen
den beiden Lagertypen bei Last null in Abhängigkeit von
der Drehzahl an.
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b - Außerdem faßt die folgende Tabelle V die Werte in %
des Verhältnisses zwischen den Werten der Amplituden der
Schwingungen für das herkömmliche Lager bzw. für das
Lager gemäß der Erfindung bei Nenndrehzahl (N bei 100%)
in Abhängigkeit von der Last W zusammen.
Tabelle V Verhältnis der Schwindungsamplituden (%) (Nenndrehzahl und variable Last)
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Fig. 12 zeigt graphisch die Änderungen des Verhältnisses
der Pegel der vertikalen und horizontalen Schwingungen
zwischen den beiden Lagertypen bei Nenndrehzahl
(N = 100%) in Abhängigkeit von der Last.
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Die Gesamtheit der in den Tabellen IV und V und in den
Fig. 11 und 12 zusammengefaßten Ergebnisse führt zu den
Feststellungen:
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- der Schwingungspegel der Hybridlager ist relativ zu
den Kufenlagern erheblich verringert;
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der Schwingungspegel der Hybridlager nimmt bei einer
Zunahme der Last im allgemeinen ab.
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Der Vergleich der Kombination dieser drei
charakteristischen Faktoren ergibt: Die Entwicklung der Temperatur,
die Entwicklung der als Wärme abgeführten Leistung und
die Entwicklung der Schwingungamplituden machen den
Vorteil der Hybridlager gemäß der Erfindung gegenüber den
herkömmlichen Oszillationskufenlagern deutlich.