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Kennwort: "Schallisolier-Lager"
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Lagerung für ein drehbares Maschinenteil Die Erfindung geht aus von
einer Lagerung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Eine solche Lagerung ist bekannt
aus der DE-OS 26 24 951 und dem VDI-Bericht Nr. 69, 1963, insbesondere Seite 111
und 112. Dort sind zwischen Lagerelementen, die als Wälzlager ausgebildet sind,
und dem Maschinengehäuse Kunststoff buchsen vorgesehen, die die Wälzlager umhüllen.
Diese Kunststoffbuchsen sollen die Ubertragung von Körperschall von dem drehbaren
Maschinenteil (z.B. einer Zahnradgetriebe-Welle) auf das Maschinengehäuse behindern,
so daß die von der Maschine insgesamt ausgehende Schallabstrahlung vermindert wird.
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Zwar geht aus der zuletzt genannten Literaturstelle hervor, daß man
bei Verwendung von Kunststoff als Werkstoff für die schalldämmenden Buchsen in der
Tat eine gewisse Reduzierung des Schallpegels erreichen kann. Dennoch hat diese
bekannte Maßnahme in den 15 Jahren seit Veröffentlichung keinen nennenswerten Eingang
in die Praxis gefunden. Dies ist erstaunlich angesichts der Tatsache, daß vielerorts
Anstrengungen zur Bekämpfung des von Maschinen ausgehenden Lärmes unternommen werden.
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Es sind auch noch zahlreiche andere Maßnahmen bekannt geworden, die
das Ziel haben, Lärm am Entstehungsort zu unterdrücken oder an der Ausbreitung zu
behindern. So sind z.B. aus dem obengenannten VDI-Bericht bei Zahnradgetrieben die
folgenden Maßnahmen bekannt: Feinere Bearbeitung der Zahnflanken; Teilung eines
Zahnrades in Zahnkranz und Nabe
und Einfügen elastischer Elemente
zwischen die genannten Teile (siehe auch DE-GM 77 19 322); Verwendung zylindrischer
statt quaderförmiger Gehäuse; Verwendung von Gleitlagern statt Wälzlagern.
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Ferner ist es aus der DE-OS 26 02 152 und aus dem DE-GM 77 30 395
bekannt, ein Zahnrad eines Zahnradpaares in zwei nebeneinander angeordnete Zahnradhälften
mit gleicher Zähnezahl zu unterteilen.und eine dieser beiden Zahnradhälften im Verzahnungsbereich
aus elastischem Werkstoff herzustellen und deren Zähne dicker als die Zähne der
anderen Zahnradhälfte auszubildet +. Schließlich ist es bekannt, Maschinen mit Hilfe
von Gummifederelementen schallisolierend auf Grundplatte, Rahmen od.dgl. zu befestigen
oder Maschinen mit Schallschluckhauben zu umgeben.
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Die meisten der bekannten Maßnahmen sind in ihrer Wirkung nicht ausreichend,
besonders im Hinblick darauf, daß viele Maschinen für immer höhere Leistungen ausgelegt
werden, demzufolge die Geräuschentwicklung noch zunimmt. Viele der genannten Maßnahmen
sind außerdem zu teuer, so z.B. die feinere Bearbeitung der Zahnflanken im Falle
eines Zahnradgetriebes. Das Einfügen elastischer Elemente zwischen Zahnkranz und
Nabe ist nur bei spezifisch gering belasteten Zahnrädern realisierbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch geeignete Maßnahmen
den sich von Maschinen ausbreitenden Lärm noch besser als bisher zu bekämpfen.
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Es ist gefunden worden, daß man bei den Bemühungen, die Geräuschentwicklung
und -fortpflanzung schon am Entstehungsort zu behindern, dadurch einen entscheidenden
Schritt weiterkommt, daß man - ausgehend von der eingangs genannten Lagerung - als
schalldämmende Buchsen an sich bekannte Gummi-Federelemente verwendet, die einen
festen Außenring, einen festen Innenring und eine dazwischen eingespannte elastische
Zwischenlage aufweisen. Solche Gummi-+/ siehe auch DE-OS 26 28 826
Federelemente
sind bekannt aus Lueger, Lexikon der Technik, Band 1, 1960, Seiten 196 und 197,
und aus weiteren dort unter dem Stichwort "Gummifedern" angegebenen Literaturstellen.Solche
Gummi-Federelemente werden bisher als federnde Verbindungselemente, z.B. zum Befestigen
einer Maschine auf ihrer Grundplatte, oder als sogenannte Drehschubfeder verwendet.
Dagegen sind sie als schalldämmende Buchsen an Wellenlagerungen bisher nicht verwendet
worden. Offensichtlich hat man sich bisher davor gescheut, z.B. in einem Zahnradgetriebe
an der Lagerung einer Zahnradwelle ein elastisches Element vorzusehen. Man fürchtete
wohl, es würde z.B. der ordnungsgemäße Eingriff der Verzahnungen nicht mehr gewährleistet
sein, oder es würden biegekritische Drehzahlen in den Betriebsbereich abgesenkt
werden, oder es könne eine Erwärmung im Gummi auf unzulässige Temperaturen auftreten.
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Außerdem scheinen bisher die besonderen Vorteile der Gummi-Federelemente
bei einer Verwendung als schalldämmende Lagerbuchsen nicht erkannt worden zu sein.
Zur Erläuterung dieser Vorteile wird zunächst - am Beispiel eines Zahnradgetriebes
- auf folgendes hingewiesen: Für die Geräuschentwicklung eines Zahnradgetriebes
ist es von besonderer Bedeutung, wie hoch einerseits die sogenannte Zahneingriffsfrequenz
(Produkt aus Drehfrequenz und Zähnezahl) und andererseits die Eigenfrequenz des
aus einer Zahnradwelle und ihrer Lagerung bestehenden Masse-Feder-Systems ist.Hierbei
ist diese Eigenfrequenz in erster Linie von der Masse der Welle und des Zahnrades
und von der Bauart der Lagerelemente abhängig. Eine besonders starke Geräuschreduzierung
kann erwartet werden, wenn die Zahneingriffsfrequenz genügend weit, d.h. um den
Faktor 2 oder mehr oberhalb der genannten Eigenfrequenz liegt.
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Zwar mag es bei Verwendung der bekannten Kunststoffbuchsen an den
Lagern der Zahnradwelle eines bestimmten Getriebes, das für einen bestimmten Einsatzfall
vorgesehen ist, gelingen, die genannte Eigenfrequenz nach obiger Forderung abzustimmen.
Schwierig wird es aber, wenn es sich um das Konzipieren einer Getriebebaureihe mit
zahlreichen Getriebegrößen handelt, von denen jede mehrere unterschiedliche Zahnradwellen
aufweist, die ihrerseits mit verschiedenen Drehzahlen betrieben werden können. Hierbei
müssen die zur
Minderung der Gerauschentwicklung notwendigen konstruktiven
Maßnahmen für jede einzelne Zahnradwelle für sich getroffen werden, weil die Eigenfrequenz
jeder Zahnradwelle von ihrer individuellen Gestalt abhängt und weil die Zahneingriffsfrequenz
sehr unterschiedliche Werte annehmen kann. Würde man hierbei an den Lagern der Zahnradwellen
die bekannten schalldämmenden Buchsen aus Kunststoff verwenden, so könnte man zwar
- zwecks Veränderung der Eigenfrequenzen der Zahnradwellen - durch Auswahl unterschiedlicher
Kunststoffsorten die Elastizität der Buchsen variieren, jedoch nur in verhältnismäßig
engen Grenzen. Häufig würde es sich ergeben, daß die Elastizität der Buchsen höher
sein sollte als sie mit Kunststoff erzielbar ist. In solchen Fällen wäre es zwar
denkbar, Gummit als Werkstoff für die Buchsen zu verwenden, wie dies zu einem ganz
anderen Zweck, nämlich zur Lastverteilung in einem Planetengetriebe, bekannt ist
(DE-OS 21 65 286). Aber abgesehen von den hierbei entstehenden Montageschwierigkeiten
ist die Elastizität der in Frage kommenden Gummisorten in aller Regel viel zu hoch.
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Es wurde nun erkannt, daß diese Schwierigkeiten bei Verwendung der
sogenannten Gummifeder-Elemente, vorzugsweise in Form von Gummi-Metall-Federelementen,
nicht auftreten. Denn die Elastizität dieser Elemente liegt in einem sehr günstigen
Bereich zwischen der Elastizität von Kunststoff und derjenigen von Gummi. Außerdem
kann die Elastizität solcher Gummi-Federelemente innerhalb sehr weiter Grenzen auf
beliebige Werte eingestellt werden, indem die Gummizwischenlage z.B. durch Aufweiten
des Innenringes unterschiedlich vorgespannt wird. Dadurch kann auch unter sehr unterschiedlichen
Bedingungen, d.h. (im Falle einer Getriebebaureihe) bei jeder einzelnen Zahnradwelle,
dafür gesorgt werden, daß die Eigenfrequenz des Masse-Feder-Systems mit Sicherheit
genügend weit unterhalb der erregenden Frequenz liegt.
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Zwar kann bei Zahnradgetrieben eine weitere Schwierigkeit auftreten:
Eine Erhöhung der Elastizität einer schalldämmenden Buchse (zwecks Erniedrigung
der Eigenfrequenz einer darin gelagerten Maschinenwelle) kann zur Folge haben, daß
die unter Last unvermeidbare Veränderung des Achsabstandes einen unzulässig hohen
Wert annimmt. Durch die Erfindung kann aber auch diese Schwierigkeit beherrscht
werden.
Man kann nämlich die Elastizität der Gummi-Federelemente ohne großen Aufwand sehr
genau einstellen. Dadurch kann die Elastizität derart bestimmt werden, daß die Eigenfrequenz
verhältnismäßig knapp neben der erregenden Zahneingriffsfrequenz liegt.
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D.h. die Elastizität kann auf das nur unbedingt notwendige Maß erhöht
werden, so daß die durch die Zahnkraft ausgelöste Verlagerung einer in elastischen
Lagern ruhenden Zahnradwelle innerhalb zulässiger Grenzen bleibt. Dabei wird man
in der Regel dafür sorgen, daß die maximale Achsabstandsänderung das 0,05-fache
des Moduls nicht überschreitet.
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Das vorgesagte gilt vorzugsweise für Zahnradgetriebe mit im wesentlichen
konstant bleibenden Drehzahlen und für ähnliche Maschinen mit im wesentlichen gleichbleibender
Erregerfrequenz. Für Maschinen mit variabler Erregerfrequenz können gemäß einem
weiteren Gedanken der Erfindung unter Umständen Gummi-Federelemente verwendet werden,
deren Elastizität nach der Montage, bei Bedarf auch während des Betriebes der Maschine,
verändert werden kann (Anspruch 17).
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Zweckmäßig ist es, durch die im Anspruch 2 beschriebene Maßnahme dafür
zu sorgen, daß z.B. in einem Zahnradgetriebe der Achsabstand im Ruhezustand vom
theoretisch richtigen Maß abweicht und sich im Betrieb unter Last dem theoretisch
richtigen Wert annähert. Diese Methode kann allerdings auch mit solchen Gummi-Federelementen
angewandt werden, deren Außen- und Innenringe im unbelasteten Zustand zueinander
konzentrisch angeordnet sind, wenn im Maschinengehäuse ein vom theoretisch richtigen
Maß abweichender Achsabstand vorgesehen wird.
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Wenn an den beiden Lagern einer Zahnradwelle die Lagerkräfte zur Verzahnung
nicht symmetrisch liegen, dann kann eine Achsschränkung dadurch verhindert werden,
daß verschiedene Steifigkeiten für die Gummifeder-Elemente der beiden Lager gewählt
werden. Ist dies nicht möglich, z.B. bei verschiedener Richtung der Lagerkräfte,
kann durch Einstellmöglichkeiten an den Lagern oder durch eine Korrektur des Schrägungswinkels
an den Verzahnungen ein Ausgleich geschaffen werden.
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Bei den gemäß der Erfindung verwendeten Gummi-Metall-Federelementen
kann nicht ganz ausgeschlossen werden, daß die elastische Zwischenlage im Laufe
längerer Betriebsdauer ermüdet. Dies kann unter Last eine größer werdende Verlagerung
des zu lagernden Maschinenteiles zur Folge haben. Ferner ist denkbar, daß es durch
eine Betriebsstörung, z.B. durch eine unzulässige Erhöhung der Betriebstemperatur,
zu einer Zerstörung der elastischen Zwischenlage kommt.
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In solchen Fällen sollte vermieden werden, daß sich die Drehachse
des gelagerten Maschinenteiles über ein zulässiges Maß hinaus verlagert. D.h. im
Falle eines Zahnradgetriebes soll die Veränderung des Achsabstandes auf ein bestimmtes
zulässiges Maß begrenzt werden. Hierzu können gemäß einem weiteren Gedanken der
Erfindung die in den Ansprüchen 3 bis 6 angegebenen Maßnahmen getroffen werden.
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Durch die im Anspruch 7 beschriebene Weiterbildung der Erfindung kann
erreicht werden, daß einerseits die Lagerkraft in Wirkrichtung weitgehend nur mittels
fester Ringe, nämlich vom Außenring über den elliptischen Ring auf den Innenring
übertragen werden kann, und daß andererseits dennoch durch die nunmehr sichelförmigen
elastischen Zwischenlagen eine intensive Körperschallisolierung stattfindet.
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Das Ergebnis kann durch die im Anspruch 8 beschriebene Maßnahme noch
verbessert werden, weil hierdurch die Vibratioren des elliptischen Zwischenringes
stark gedämpft werden.
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Bei den bisher beschriebenen Ausführungen kann in dem Gummifeder-Element
der Außen- und der Innenring und gegebenenfalls der elliptische Zwischenring aus
Metall hergestellt werden. Jedoch ist es auch möglich, wenigstens einen dieser Ringe
aus Kunststoff herzustellen (Anspruch 9), um hierdurch die schalldämmende Wirkung
des Gummifeder-Elementes noch zu verstärken. Die genannten Ringe können aber auch
gemäß Anspruch 10 aus Metall hergestellt sein und eine Kunststoffbeschichtung aufweisen.
Dies ist vor allem zweckmäßig, wenn eine direkte metallische Berührung der Ringe
untereinander vermieden werden soll, was vor allem bei Ausbildung des Gummifeder-Elements
nach einem der Ansprüche 3 bis 8 vorkommen kann.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen
11 bis 17 angegeben.
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Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand
der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen: Fig. 1 bis 3 verschiedene Bauarten der
errindungsgemäßen Lagerung einer Maschinenwelle, im Längsschnitt; Fig. 4 und 5 weitere
Varianten der erfindungsgemäßen Lagerung, jeweils in einer Ansicht in Achsrichtung;
Fig. 6 eine Abwandlung der in Fig. 2 gezeigten Ausführung; Fig. 7 eine Lagerung
mit Gummifeder-Element, dessen Steifigkeit einstellbar ist.
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Die in Fig. 1 dargestellte Lagerung ist als Gleitlager ausgebildet.
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Ein Maschinengehäuse ist mit 10, ein Lagergehäuse mit 11, eine Lagerschale
mit 12 und eine darin drehbare Welle mit 13 bezeichnet.
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Um den Übergang von Körperschall von der Welle 13 auf das Maschinengehäuse
10 zu behindern, ist gemäß der Erfindung zwischen dem Lagergehäuse 11 und einer
zur Aufnahme des Lagergehäuses in dem Maschinengehäuse 10 angeordneten Bohrung ein
Gummifeder-Element vorgesehen, das einen festen Außenring 14, einen festen Innenring
15 und eine dazwischen eingespannte elastische Zwischenlage 16 umfaßt. Die Kennzeichnung
der Ringe 14 und 15 als "fest" bezieht sich nur auf deren Werkstoff; d.h. die Ringe
14 und 15 können aus Metall, vorzugsweise Stahl, oder aus Kunststoff oder aus einem
mit Kunststoff beschichteten Metall hergestellt sein. Für die elastische Zwischenlage
kommen besonders öl- und hitzebeständige Gummisorten in Frage, z.B. Viton. Das Zuführen
von Schmiermittel in das Gleitlager kann über Kanäle lla, 11b und 12a sowie über
Schmiernuten 12b und Taschen 12c erfolgen. Ein Lagerdeckel ist mit 19 bezeichnet.
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In Fig. 2 ist für die Lagerung einer Welle 23 in einem Maschinengehäuse
20 ein Wälzlager 22 vorgesehen. Zwischen dem Außenring dieses Wälzlagers und dem
Maschinengehäuse ist wieder ein Gummifeder-Element angeordnet, das einen Außenring
24, einen Innenring 25 und eine elastische Zwischenlage 26 aufweist. Damit die Körperschall-Isolierung
auch beim Übertragen einer Axialkraft gewährleistet ist, weist der Innenring eine
nach innen ragende Schalter 25a auf; ferner ist eine z.B. metallische Scheibe 27
und eine Gummi-Zwischenscheibe
28 vorgesehen. Ein Lagerdekel 29
drückt die Scheiben 27 und 28 gegen die Schalter 25a, um hierdurch die Gummi-Zwischenscheibe
28 vorzuspannen. Der Grad der Vorspannung und damit der axialen Steifigkeit kann
durch Verändern der Dicke einer weiteren Zwischenscheibe 29a variiert werden.
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Bei dem Gleitlager gemäß Fig. 3 (mit Maschinengehäuse 30, Welle 33
und Lagergehäuse 31) ist wiederum ein Gummifeder-Element vorgesehen, bestehend aus
Außenring 34, Innenring 35 und elastischer Zwischenlage 36. Hier bildet, abweichend
von Fig. 1, der Innenring 35 zugleich die Lagerschale, in der die Welle 33 drehbar
gelagert ist. Deshalb ist das Gummifeder-Element 34, 35, 36 innerhalb des Lagergehäuses
31 angeordnet. Letzteres weist an seiner Bohrung, die den Außenring 34 aufnimmt,
mehrere Ringkanäle 31b auf. Das durch eine Bohrung 31a zugeführte Schmiermittel
durchströmt zunächst nacheinander die Ringkanäle 31b, wonach es über eine in dem
Gummifeder-Element 34, 35, 36 angeordnete radiale Bohrung 37 in die Schmiernuten
38 und Taschen 39 gelangt. Dadurch dient das Schmiermittel zugleich zum Kühlen des
Gummifeder-Elements 34, 35, 36.
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In den Fig. 4 und 5 sind mögliche Ausgestaltungen des in den Fig.
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1 bis 3 verwendeten Gummifeder-Elementes dargestellt. Gemäß Fig. 4
weist das Gummifeder-Element einen Außenring 44 auf, der auf seiner Innenseite mit
einer Kunststoffbeschichtung 43 versehen ist.
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Der Innenring 45 weist eine elliptische Außenkontur auf. Zwischen
der Kunststoffbeschichtung 43 und den Hauptscheitelpunkten der elliptischen Außenfläche
des Innenringes verbleibt an den Stellen 42 ein Spalt, der in der Größenordnung
etwa 1/10 mm beträgt. Die Anordnung des Innenringes 45 ist so getroffen, daß die
Hauptachse der Ellipse etwa senkrecht zur Richtung der mit einem Pfeil 41 angedeuteten
Lagerkraft liegt. Zwischen den Außenring 44 und den Innenring 45 ist wiederum eine
Gummi-Zwischenlage 46 eingespannt.
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Gemäß Fig. 5 ist zwischen dem Außenring 54 und dem Innenring 55 innerhalb
der elastischen Zwischenlage 56 ein elliptischer Ring 57 angeordnet. Der Hauptscheitel
des elliptischen Ringes ist wiederum quer zur Richtung der Lagerkraft 51 angeordnet.
In den Scheitelpunkten der Ellipse ist zwischen dem elliptischen Ring 57
rind
dem Außenring 54 bzw. dem Innenring wieder ein Spalt belassen. Außerdem können bei
Bedarf an den Ringen 54, 55 und 57 Kunststoffbeschichtungen vorgesehen werden.
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Die Ausführung nach Fig. 6 weicht von derjenigen nach Fig. 2 nur dadurch
ab, daß ein schon vor dem Einbau vorgespanntes Axial-Gummifeder-Element 64, 65,
66 vorgesehen ist. Dieses besteht aus einem Innenring 65 mit einem nach außen offenen
U-Profil und aus einem scheibenförmigen Außenring 64, der sich in das mit der elastischen
Zwischenlage 66 ausgefüllte U-Profil erstreckt. Außer einem Lagerdeckel 69 sind
alle übrigen Teile der Fig. 6 gleich den entsprechenden Teilen der Fig. 2 und weisen
die gleichen Bezugszeichen auf wie dort. Die in den Figuren 2 und 6 gezeigten Axial-Gummifeder-Elemente
können in ähnlicher Weise auch zusammen mit Gleitlagern verwendet werden.
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Ganz allgemein ist noch zu bemerken: Das Vorspannen der elastischen
Zwischenlage von Axial-Gummifeder-Elementen ist immer dann zweckmäßig, wenn der
durch die Axialkraft ausgelöste Verschiebeweg der gelagerten Welle so gering wie
möglich gehalten werden soll. Ein geringer axialer Verschiebeweg der Welle ist schon
deshalb anzustreben, damit in der elastischen Zwischenlage des laut Anspruch 1 vorgesehenen
Radial-Gummifeder-Elementes eine Schubbeanspruchung möglichst weitgehend vermieden
wird.
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Die in der Fig. 7 dargestellte Lagerung weist ein Gummifeder-Element
74, 75, 76 auf, dessen Elastizität, genauer: dessen radiale Steifigkeit, nach dem
Einbau verändert werden kann. Hierzu ist der Außenring 74 in mehrere (z.B. drei)
Segmente unterteilt, deren gemeinsame Außenmantelfläche konisch ist. Der so gestaltete
Außenring 74 ruht in einer Büchse 77, die eine konische Innenmantelfläche aufweist
und in der Lagerbohrung des Maschinengehäuses 70 in Achsrichtung verschiebbar ist.
Das Verschieben kann z.B. mit Hilfe von Stellschrauben 78 erfolgen, die in Gewindebohrungen
des Lagerdeckels 79 eingesetzt sind.
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L e e r s e i t e e