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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Gleitlagerschale zum Lagern
eines Gegenläufers (Welle oder Wellenzapfen) mit einer
innenumfänglichen Gleitfläche und sich auf der
Innenseite erstreckenden Rillen, sowie ein Gleitlager umfassend
zumindest eine derartige Gleitlagerschale.
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Bei
derartigen üblicherweise aus zwei Gleitlagerschalen aufgebauten
hydrodynamischen Gleitlagern entsteht im Betrieb ein Schmier- oder Ölfilm zwischen
der oder den Gleitlagerschalen und der Welle, so dass die Welle
auf dem Schmierfilm gleitet und nicht im direkten Kontakt mit der
Lagerschale steht. Der Schmierfilm wird durch die Rotation der Welle
und durch die Zufuhr von Schmiermittel mittels einer Pumpe ausgebildet.
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Eine
hydrodynamisch wirkende Gleitlagerschale ist in der
DE 101 56 344 A1 beschrieben.
Die darin beschriebene Gleitlagerschale weist Nuten auf, welche
dafür sorgen, dass das Öl aus der Ölnut
in Richtung von Stirnflächen transportiert und gleichmäßig über
den gesamten tragenden Bereich des Gleitlagers verteilt wird, so
dass sich ein die Reibung zwischen Welle und Gleitlagerschale vermindernder Schmierfilm
sicher ausbilden kann. Nachteilig daran ist, dass ein nicht unerheblicher
Teil des Öls in axialer Richtung aus dem Gleitlager austritt.
Durch die Ölleckage wird der Öldurchsatz erhöht,
was zu einem erhöhten Aufwand bei der Ölversorgung
oder zu der Gefahr nicht ausreichender Ölversorgung führen kann.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Menge des im Betrieb
axiale aus dem Gleitlager austretenden Öls zu reduzieren.
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Gelöst
wird die Aufgabe durch eine Gleitlagerschale der eingangs genannten
Art, bei welcher die Rillen zum Rückführen von
Schmiermittel zur axialen Mitte der Gleitlagerschale in Umlaufrichtung
des Gegenläufers betrachtet von einem axialen Randbereich
in Richtung der Mitte der Gleitlagerschale ausgerichtet sind.
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Im
Gegensatz zu den beispielsweise aus der
DE 101 56 344 A1 bekannten
Nuten dienen die erfindungsgemäßen Rillen nicht
zum Fördern des Öls aus der Ölnut und
zum Verteilen des bis innerhalb der tragenden Bereiche der Gleitlagerschale,
sondern zum Rückführen des Öls in Richtung
der Lagermitte, wodurch die Menge des axial aus dem Gleitlager austretenden Öls
zumindest reduziert wird. Das Rückführen in axialer
Richtung zur Lagermitte wird durch die in Umlaufrichtung betrachtet
pfeilförmige Anordnung der Rillen sichergestellt. Bei dieser
Rillenanordnung stellt sich aufgrund der Förderwirkung
in Umlaufrichtung auch eine Förderwirkung in axialer Richtung
einwärts, d. h. in Richtung der Lagermitte ein, was einem axialen
Austreten des Öls aus dem Gleitlager entgegenwirkt.
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Bevorzugt
weist die Gleitlagerschale eine auf deren Innenseite in Umfangsrichtung
verlaufende Ölnut zum Zuführen und Verteilen von
Schmiermittel auf der Gleitfläche auf, wobei sich die Rillen
zwischen der Ölnut und wenigstens einer axialen Stirnfläche erstrecken.
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Die
Erfindung kann also grundsätzlich bei Glattlagern wie auch
bei Lagern mit Ölnut zur Anwendung kommen.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung weisen die Rillen eine Längsachse
auf, die mit der Umfangsrichtung der Gleitlagerschale einen Anstellwinkel
einschließt, der zwischen 5° und 85°,
insbesondere zwischen 15° und 25° beträgt.
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Der
Anstellwinkel ist hierbei so definiert, dass er ausgehend von der
Lagermitte bzw. Ölnut zur Rille in Umlaufrichtung aufgetragen
wird. Bei der erfindungsgemäßen Größe
des Anstellwinkels wird sichergestellt, dass das Öl zuverlässig
in Richtung der Ölnut zurückgefördert,
ohne dass hierzu die Rillen mit einer besonderen Geometrie versehen
werden müssen.
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Bevorzugt
enden die Rillen in axialer Richtung vor den Stirnflächen.
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Das
heißt, die Rillen, die eine Vertiefung auf der Innenseite
der Gleitlagerschale bilden, laufen vor Erreichen der Stirnflächen
aus, so dass sie keine (axiale) Verbindung mit der Umgebung bilden,
durch die Schmiermittel aus dem Lager austreten könnte. Ferner
wird so zwischen den Rillen und dem axialen Ende der Gleitlagerschale
ein in Umfangrichtung durchgehender Tragflächenabschnitt
zum Tragen des Gegenläufers ausgebildet.
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Vorzugsweise
sind die Rillen geschlossen und weisen eine Länge auf,
die zwischen 5 und 30% der Lagerbreite, insbesondere zwischen 10
und 20% der Lagerbreite beträgt.
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Es
hat sich herausgestellt, dass die Förderung des Öls
in Richtung der Ölnut bei geschlossenen Rillen, also bei
Rillen ohne Verbindung zu Umgebung und ohne Verbindung zu einer
etwaigen Ölnut, besonders effektiv bewirkt wird, da vermieden
wird, dass aufgrund der Schleppwirkung der drehenden Welle Öl
aus der Ölnut in die Rillen gefördert wird. Ferner
hat sich die Länge der Rillen in den angegebenen Bereichen
als positiv für die Förderung erwiesen. Schließlich
wird so zwischen den Rillen und der Ölnut ein in Umfangrichtung
durchgehender Tragflächenabschnitt zum Tragen des Gegenläufers
ausgebildet.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, weisen die Rillen
eine Breite zwischen 0,1 und 10 mm auf.
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Ferner
weisen die Rillen eine Tiefe auf, die vorzugsweise zwischen 0,05
und 1 mm beträgt.
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In
einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung laufen die Rillen
in Richtung eines zu einer Stirnseite weisenden Endes mit einem
ersten Radius und in Richtung eines zur Ölnut weisenden
Endes mit einem zweiten Radius aus.
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In
dieser Weiterentwicklung lassen sich die Rillen fertigungstechnisch
besonders einfach herstellen.
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Eine
favorisierte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Lagerschale zeichnet sich dadurch aus, dass die Rillen einen kreissegmentförmigen Querschnitt
mit einem dritten Radius aufweisen.
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Eine
derartige Ausgestaltung des Rillengrundes ist fertigungstechnisch
einfach zur realisieren.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Lagerschale, in der
zwei benachbarte Rillen einen Abstand aufweisen, beträgt
der Abstand das 1- bis 10-fache der, insbesondere das 1- bis 2-fache
der Rillenbreite.
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Mit
zunehmendem Abstand wird die gesamte Tragfläche der Lagerschale
erhöht, wodurch größere Lasten aufgenommen
werden können. Andererseits wird die Förderung
des bis mit zunehmendem Abstand von zwei benachbarten Rillen verschlechtert.
Der beanspruchte Bereich des Abstands ist so gewählt, dass
er sowohl eine akzeptable Belastung der Lagerschale als auch eine
ausreichende Förderung des Öls in Richtung der Ölnut
ermöglicht.
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In
einer vorteilhaften Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen
Lagerschale, weisen die Rillen im Querschnittsprofil, bezogen auf
die Umlaufrichtung, eine rückwärtige Flanke und
eine vordere Flanke auf, wobei die rückwärtige
Flanke einen ersten Rillenwinkel α und die vordere Flanke
einen zweiten Rillenwinkel β jeweils mit der Oberfläche/Gleitfläche
der Gleitlagerschale einschließen und wobei der erste Rillenwinkel α kleiner
als der zweite Rillenwinkel β ist.
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Hierdurch
wird eine zusätzliche Förderwirkung in Richtung
der Lagermitte bzw. der Ölnut bewirkt.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Gleitlagerschale sind die Rillen durch einen ersten Tragflächenabschnitt,
der eine Breite von 20 bis 30% der Lagerschalenbreite aufweist,
axial von der Ölnut bzw. der Lagermitte und durch einen
zweiten Tragflächenabschnitt, der eine Breite von 5 bis
20% der Lagerschalenbreite aufweist, axial von der Stirnseite der
Gleitlagerschale beabstandet.
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Als
Tragflächenabschnitt ist in diesem Zusammenhang ein Gleitflächenabschnitt
zu verstehen, auf der sich der Schmierfilm ungestört ausbilden kann,
so dass er den Gegenläufers tragen kann. Bei den genannten
Breiten der Tragflächenabschnitte kann sich der hydrodynamische
Schmierfilm sicher ausbildet und es können ausreichend
hohe Lasten aufgenommen werden, und ferner wird vermieden, dass
eine größere Menge Öl aufgrund der Schleppwirkung
der drehenden Welle aus der Ölnut bzw. aus den Rillen in
Richtung der Stirnflächen der Gleitlagerschale gefördert
wird.
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Besonders
bevorzugt sind die Rillen in einem axialen Außenbereich
angeordnet, dessen Breite in Bezug auf die Gesamtbreite der Gleitlagerschale 20%,
insbesondere 10% nicht übersteigt.
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Auf
diese Weise wird die Funktion der Ölrückführung
auf den axialen Bereich beschränkt, in dem sie am wichtigsten
und deshalb am effektivsten ist, nämlich nahe der Stirnflächen.
Gleichzeitig wird ein maximaler Tragflächenanteil im Zentrum
der Gleitlagerschale sichergestellt.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Gleitlager
zum Lagern von Wellen, welche aus einer oder mehreren erfindungsgemäßen Gleitlagerschalen
besteht oder welche eine oder mehrere erfindungsgemäße
Gleitlagerschalen umfasst.
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Die
Erfindung wird nun anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
mit Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. Es zeigen
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1 eine
Abwicklung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen
Gleitlagerschale,
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2 eine
perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Gleitlagerschale,
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3 einen
vergrößerten Ausschnitt des zweiten Ausführungsbeispiels
in einer planaren Draufsicht,
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4 eine
Schnittdarstellung durch die Rillen entlang der in 3 mit
X-X gekennzeichneten Schnittebene,
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5 eine
Schnittdarstellung durch die Rillen entlang der in 3 mit
Y-Y gekennzeichneten Schnittebene und
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6 eine
Schnittdarstellung durch die Rillen entlang der in 1 gezeigten
Schnittebene Z-Z.
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Die
in 1 dargestellte Abwicklung einer erfindungsgemäßen
Gleitlagerschale 10 umfasst einen Grundkörper 30 (vgl. 2),
auf dessen Innenseite in Umfangsrichtung eine Ölnut 12 und
durch den hindurch zwei mit der Ölnut kommunizierende,
d. h. in diese mündende, Ölzuführkanäle 14 eingearbeitet
sind. Der oder die Ölzuführkanäle 14 sind
mit einem nicht dargestellten Ölreservoir verbunden, in dem
eine bestimmte Menge Öl vorgehalten werden kann. Typischer
Weise ist in die Zuführleltung zwischen dem Ölreservoir
und den Ölzuführkanälen 14 eine Ölpumpe
zur Erzeugung eines im Betrieb notwendigen Öldruckes eingeschaltet.
Von diesem Ölzuführkanal 14 gelangt das Öl
in die Ölnut 12, in der es sich ansammeln und
ausbreiten kann. Die Ölnut 12 ist axial in der
Mitte der Gleitlagerschale angeordnet, so dass eine Mittel- und
diesem Fall eine Symmetrieebene SE der Gleitlagerschale 10 die Ölnut 12 mittig
schneidet.
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Ferner
weist die Gleitlagerschale 10 Stirnflächen 16 auf,
die in axialer Richtung gleich weit von der Ölnut 12 beabstandet
sind. Der Ölnut 12 schließen sich axial
auswärts beidseits jeweils erste Tragflächenabschnitt 18 zum
Tragen eines Gegenläufers 20 (vgl. 6 und 7) mit einer Breite P, bevorzugt zwischen
20 und 30% der Gesamtlagerschalenbreite, an. Weiter in Richtung
der Stirnflächen 16 sind benachbart zu den ersten
Tragflächenabschnitten 18 wiederum beidseits,
d. h. symmetrisch, eine Vielzahl von Rillen 22 angeordnet.
Diese weisen in Breitenrichtung eine Erstreckung Q, bevorzugt zwischen
5 und 20% der Gesamtlagerschalenbreite, auf. Zwischen den Rillen 22 und
den Stirnflächen 16 sind auf beiden Seiten jeweils
zweite Tragflächenabschnitte 24 mit der Breite
R, bevorzugt zwischen 5 und 20% der Gesamtlagerschalenbreite, angeordnet.
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Die
in 1 nicht dargestellte Welle 20 dreht sich
um eine Achse M (vgl. 6 und 7),
wobei die Relativbewegung der Wellenoberfläche 20 bezüglich der
Gleitfläche der Gleitlagerschale 10, auch Umlaufrichtung
bezeichnet, durch den Pfeil A dargestellt ist.
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Die
Rillen 22 weisen eine Längsachse L auf, welche
in der abgewickelten Darstellung eine Gerade ist. Abweichend von
den gezeigten Ausführungsbeispielen können die
Rillen 22 auch in der Abwicklungsebene gekrümmt
verlaufen. Die Längsachse L schließt mit der Symmetrieebene
SE der Gleitlagerschale 10 einen Anstellwinkel γ ein,
wobei der Schnittpunkt der Längsachse L mit der Symmetrieebene
SE einen Ursprung O definiert. Der Anstellwinkel γ ist
in der Abwicklungsebene aufgetragen. Der Anstellwinkel γ ist
so definiert, dass er ausgehend von der Ölnut 10 oder
der Symmetrieebene SE zur Rille 22 in Umlaufrichtung A
aufgetragen wird.
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In 2 ist
ein gegenüber dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel modifiziertes zweites Ausführungsbeispiel
einer Gleitlagerschale 10' in einer perspektivischen Ansicht
gezeigt. Die Unterschiede sind im Wesentlichen eine kleinere Relativlänge
(E) der Rillen 22' im Bezug auf die Lagerschalenbreite,
andere Relativbreiten P und R der ersten bzw. zweiten Tragflächenabschnitte 18' bzw. 24' und kleinere
Anstellwinkel γ. insbesondere sind in diesem Ausführungsbeispiel
die Rillen in einem axialen Außenbereich angeordnet sind,
dessen Breite Q + R in Bezug auf die Gesamtbreite der Gleitlagerschale
vorzugsweise 10%, bis 40% beträgt.
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3 zeigt
insbesondere die Rillen 22' aus dem Beispiel gemäß 2 in
einer vergrößerten Darstellung. Die Rillen 22' sind
geschlossen, weisen eine Länge E und eine Breite B auf
und ihre Längsachse L schließt mit der Symmetrieebene
SE den Anstellwinkel γ ein. Die geschlossenen Rillen 22' weisen
ein erstes, zur Stirnfläche 16' der Gleitlagerschale 10' weisendes
Ende F1 und ein zweites, zur (hier nicht dargestellten) Ölnut
weisendes zweites Ende F2 auf. Zwei benachbarte Rillen 22' haben
in Umfangsrichtung einen Abstand D zueinander. Ferner ist der zweite
Tragflächenabschnitt 24' mit der Breite R zu erkennen.
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In 4 ist
eine der Rillen 22' in einer Schnittdarstellung entlang
der in 3 definierten Schnittebene X-X dargestellt. Neben
der Länge E ist zu erkennen, dass die dargestellte Rille 22' eine
Tiefe T aufweist und in Richtung des ersten Endes F1 mit einem ersten
Radius r1 und in Richtung des zweiten Endes F2 mit einem zweiten
Radius r2 ausläuft.
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5 zeigt
eine der Rillen 22' in einer Schnittdarstellung entlang
der in 3 definierten Schnittebene Y-Y. Man erkennt den
im Wesentlichen kreissegmentförmigen Querschnitt am Grund
der Rille 22' mit einem dritten Radius r3.
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In 6 sind
die Rillen 22 der Ausführungsform gemäß 1 in
einer planaren Schnittdarstellung entlang der in 1 dargestellten
Schnittebene Z-Z vergrößert gezeigt. Die Rillen 22 weisen
einen ersten Rillenwinkel α und einen zweiten Rillenwinkel β auf.
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Die
Rillenwinkel sind einerseits von einer seitlichen Flanke 25 bzw. 27 der
Rille 22, im Querschnitt Z-Z betrachtet, und andererseits
von der Innenoberfläche bzw. Gleitfläche 23 der
Gleitlagerschale eingeschlossen, wobei die, bezogen auf die Umlaufrichtung
A, rückwärtige, erste Flanke 25 den ersten
Rillenwinkel α und die, bezogen auf die Umlaufrichtung,
vordere, zweite Flanke 27 einen zweiten Rillenwinkel β der
Gestalt bildet, dass beide Rillenwinkel jeweils auf der Innenseite
der Rille aufgetragen werden.
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Die
Rillen 22 weisen in Umlaufrichtung den Abstand D auf, vgl. 3,
der unter Berücksichtigung der Rillenbreite B und des Anstellwinkels γ in 6 zu
einer Auflage- oder Tragfläche 32 zwischen den
Rillen mit der Breite D' = D·cosγ – B
führt.
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Im
Folgenden wird die Funktion des erfindungsgemäßen
Gleitlagers beschrieben. Aufgrund der Wahl des Anstellwinkels γ bildet
sich innerhalb der Rillen 22 im Betrieb ein Öldruckgradient
aus, so dass der in den jeweiligen Rillen 22 herrschende Druck
in Drehrichtung der Welle 20 ansteigt. Dies gilt unabhängig
von der Rillengeometrie. Deshalb kann beispielsweise eine der in
den 3 bis 5 dargestellten relativ einfachen
Geometrien verwendet werden. Durch die Wahl des Anstellwinkels γ findet eine
Förderung des Öls weg von den Stirnflächen 16 hin
zu der Ölnut 12 statt, was zumindest dafür
sorgt, dass eine geringere Ölmenge axial aus dem Gleitlager
austritt.
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Bei
den in 6 dargestellten Rillen 22 wird die Ölförderung
in Richtung der Ölnut durch die Wahl des ersten und des
zweiten Rillenwinkels α und β gesteigert, sofern
der in 6 definierte erste Rillenwinkel α kleiner
als der zweite Rillenwinkel β ist Die vorliegende Erfindung
ist beispielhaft anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
erläutert worden. Naheliegende Modifikationen oder Ergänzungen
gehen nicht über das der Erfindung zugrundeliegenden Konzept
hinaus und sind vom Schutzumfang erfasst, der durch die folgenden
Ansprüche definiert wird. So ist Kern der Erfindung, eine Ölförderung
weg von den Stirnflächen hin zu der Mitte der Gleitlagerschalen
zu erzeugen, wo üblicherweise eine Ölnut angeordnet ist.
Die Erfindung lässt sich aber genauso gut auf Gleitlagerschalen übertragen,
die keine Ölnut aufweisen.
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- 10,
10'
- Gleitlagerschale
- 12,
12'
- Ölnut
- 14,
14'
- Ölzuführkanal
- 16,
16'
- Stirnflächen
- 18,
18'
- erster
Tragflächenabschnitt
- 20
- Gegenläufer,
Welle
- 22,
22'
- Rille
- 23
- Innenoberfläche,
Gleitfläche
- 24,
24'
- zweite
Tragflächenabschnitt
- 25
- rückwärtige,
erste Flanke der Rille
- 26
- Lippe
- 27
- vordere,
zweite Flanke der Rille
- 28
- Schmierfilm
- 30
- Grundkörper
- 32
- weitere
Tragflächenabschnitte
- α
- erster
Rillenwinkel
- β
- zweiter
Rillenwinkel
- γ
- Anstellwinkel
- A
- Drehrichtung
der Welle, Umlaufrichtung
- B
- Breite
der Rillen
- D,
D'
- Abstand
zwischen zwei benachbarten Rillen
- E
- Länge
der Rillen
- F1
- zur
Stirnseite weisendes Ende der Rillen
- F2
- zur Ölnut
weisendes Ende der Rillen
- L
- Längsachse
der Rillen
- M
- Drehachse
der Welle
- O
- Ursprung
des Winkels ☐
- P
- Breite
des ersten Tragflächenabschnittes
- Q
- Erstreckung
der Rillen in Richtung der Stirnfläche
- R
- Breite
des zweiten Tragflächenabschnittes
- SE
- Mittelebene
der Gleitlagerschale
- T
- Tiefe
einer Rille
- V
- Pfeil
- r1
- erster
Radius
- r2
- zweiter
Radius
- r3
- dritter
Radius
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10156344
A1 [0003, 0006]