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Die Erfindung geht aus von einer hydrostatischen Maschine, insbesondere eine Axialkolbenmaschine, die die Merkmale aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufweist.
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Bekannte Axialkolbenmaschinen dieser Bauart besitzen eine in einem Gehäuse drehbar gelagerte Triebwelle, die antriebseitig eine Schrägscheibe durchsetzt, mit der eine Zylindertrommel, über einen Mitnahmebereich drehfest und axial verschiebbar, in Verbindung steht und die eine gehäusefeste Anschlussplatte koaxial durchsetzt. Die Zylindertrommel weist in auf einem Teilkreis angeordneten Zylinderbohrungen längsverschiebbare Verdränger auf. Die Schrägscheibe ist im Gehäuseinneren gelagert. Im Betrieb entstehen interne dynamische Kräfte, die vor allem durch die Überlagerung der an den einzelnen Verdrängern auftretenden, zeitlich veränderlichen Druckkräften verursacht werden. Da das Gehäuse im Kraftfluss der internen dynamischen Kräfte liegt, wird das Gehäuse zu Schwingungen angeregt, die Schallabstrahlung und Körperschallübertragung an die Anschlussplatte, an Rohr- oder Schlauchleitungen sowie andere mit dem Gehäuse gekoppelte Strukturen zur Folge haben. Da der Kraftfluss vollständig über das Gehäuse geführt wird, muss das Gehäuse entsprechend dimensioniert werden, wodurch sich Gewicht und Materialaufwand erhöhen. Da eine untere Gewichtsgrenze bei Gehäusen, insbesondere Gehäusen aus Sandguss, bereits durch die Oberfläche und Mindestwandstärke des Fertigungsverfahrens vorgegeben ist und die Anforderungen zunehmend zu einer Bauraum einsparenden Bauweise mit möglichst geringem Gewicht tendieren, bietet sich kaum Spielraum für Zusatzmasse für akustische Maßnahmen. Zudem verringern bekannte Maßnahmen zur Geräuschreduzierung nicht die Schwingungsanregung, sondern behindern lediglich die Schwingbereitschaft des Gehäuses.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine hydrostatische Maschine, insbesondere Axialkolbenmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die Gewicht einsparend ausgeführt ist und bei der die Schwingungsausbreitung und daraus resultierend die Geräuschbildung reduziert sind.
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Diese Aufgabe wird für eine hydrostatische Maschine, insbesondere eine Axialkolbenmaschine, mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff durch eine zusätzliche Ausstattung mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Maschine, insbesondere eine Axialkolbenmaschine, durchsetzt die Triebwelle nur ein inneres Gehäuseteil zumindest teilweise und ist in einem Gehäuseboden und im inneren Gehäuseteil drehbar gelagert. Das innere Gehäuseteil und der Gehäuseboden sind Bestandteil eines Gehäuses, das zusätzlich ein zum inneren Gehäuseteil beabstandetes äußeres Gehäuseteil aufweist. Aus diesem Grund liegt hier nur das innere Gehäuseteil und der Gehäuseboden im Kraftfluss der internen dynamischen Kräfte. Bedingt durch die Gehäusekonstruktion und durch die Lagerung der Triebwelle im inneren Gehäuseteil und im Gehäuseboden ist die Schwingungsneigung und damit die Körperschallübertragung an die Anschlussplatte und an Rohr- oder Schlauchleitungen, sowie die direkte Schallabstrahlung reduziert. Der Gehäuseboden stellt zusätzlich eine Sperrmasse zur Körperschallabkopplung vom Anschlussbereich dar. Da die dynamischen Kräfte durch die Beabstandung der Gehäuseteile vom äußeren Gehäuseteil entkoppelt sind, ist dieses nahezu anregungsfrei und hat nur noch abdichtende Funktion. Dadurch erschließen sich neue Möglichkeiten hinsichtlich der Materialwahl der Gehäuseteile. Da die Dichtfunktion von dem äußeren Gehäuseteil realisiert wird, kann das innere Gehäuseteil als offene Struktur und damit gewichtsreduziert ausgebildet sein. Dadurch kann die Triebwelle das innere Gehäuseteil auch ganz durchsetzen, was sich vorteilhaft auf die Funktion und Ausgestaltung der Wellenlagerung in der inneren Gehäusewandung auswirkt. Besondere Materialanforderungen für das innere Gehäuseteil sind hohe Festigkeit bei geringem Gewicht und kompakter Ausführung.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Maschine, insbesondere einer Axialkolbenmaschine, sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Gehäuseteile zueinander beabstandet an einer Oberseite des Gehäusebodens fixiert. Der Gehäuseboden wirkt dadurch als Sperrmasse bezüglich der Einleitung von Körperschall in die nachfolgende Struktur. Das äußere Gehäuseteil schließt dicht mit dem Gehäuseboden ab und ist akustisch vom inneren Gehäuseteil entkoppelt. Das äußere Gehäuse kann ohne spezielle Entkopplungsmaßnahme mit dem Gehäuseboden z. B. durch direkte Verschraubung verbunden sein. Es ist jedoch auch eine Verbindung mit zusätzlicher Entkopplungsmaßnahme, z. B in Form eines Elastomers möglich.
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Als äußerst vorteilhaft erweist es sich, dass das äußere Gehäuseteil aus schwingungsdämpfendem Material mit geringem Gewicht, insbesondere zumindest teilweise aus Kunststoff besteht. Da das äußere Gehäuseteil nur noch abdichtende Funktion hat, gibt es für die Materialwahl viele Möglichkeiten. Auch Verbundwerkstoffe (GFK/CFK) sind als Material für das äußere Gehäuseteil einsetzbar. Wesentlich ist dabei, dass das Material eine dämpfende Wirkung auf die Schwingungsausbreitung hat und eine Abdichtung des Gehäuseinnenraumes erzielt. Daraus resultierend kann das äußere Gehäuseteil zusätzlich hinsichtlich Gewichts- und Bauraumreduzierung ausgewählt werden.
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Besondere Vorteile ergeben sich hinsichtlich der Konstruktion und des Gehäusegewichtes, wenn das innere Gehäuseteil ein strebenförmiger Tragrahmen ist. Die Entstehung von Schwingungen wird durch die kompakte Bauform des Tragrahmens reduziert. Hierdurch werden die Anforderungen an das innere Gehäuse in Bezug auf das Gewicht und die Komplexität reduziert. Wenn die Streben fachwerkartig angeordnet sind, ist das innere Gehäuse besonders stabil ausgeführt. Der strebenförmige Tragrahmen kann auch in Wirkung und Ausgestaltung einem Zuganker entsprechen.
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Vorteilhafterweise ist das innere Gehäuseteil eine Rahmenstruktur mit eingearbeiteten Lagerbahnen für die Schrägscheibe und eingearbeitetem Lager für die Triebwelle. Neben der deutlichen Geräuschreduzierung wirkt sich eine derartige Ausgestaltung des inneren Gehäuseteils vorteilhaft auf die Fertigung und die Montage aus.
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Wenn die Rahmenstruktur für die Schrägscheibe eine Lagerbahn auf einer Hochdruckseite und eine Lagerbahn auf einer Niederdruckseite aufweist, die beide durch eine Aussparung entweder auf der Niederdruckseite oder auf der Hochdruckseite zugänglich sind, vereinfacht sich das Fertigungsverfahren bezüglich der Lagerbahnerstellung. Damit kann eine Werkzeugachse parallel zur Schwenkachse ausgerichtet werden und die die Lagerbahnen können mit hoher Fertigungsgenauigkeit in einer Aufspannung gefertigt werden.
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Als äußerst vorteilhaft erweist es sich, dass die Rahmenstruktur auf der Hochdruckseite Versteifungen in Form von Verrippungen oder Verstärkungen aufweist. Durch die asymmetrische Gestaltung der Tragstruktur wird die unterschiedliche Belastung auf der Hoch- und Niederdruckseite berücksichtigt. Infolge der hochdruckseitigen Versteifung ist die Tragstruktur verstimmt, sodass eine gemeinsame Resonanz auf der Hoch- und Niederdruckseite vermieden werden kann. Ungünstiger ist eine Versteifung auf der Niederdruckseite, sie ist jedoch auch möglich.
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Vorzugsweise hat die Rahmenstruktur mindestens einen Querschnittsprung, z. B. beim Übergang der Rahmenstruktur auf die Lagerbahnen. Ein Querschnittsprung behindert die Weiterleitung von Schwingungen. Longitudinalwellen werden bei der Umwandlung in Biegewellen und umgekehrt gebrochen und verlieren an Schwingungsenergie.
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Wenn in das innere Gehäuseteil mindestens eine Nachgiebigkeit eingebracht ist, können stoßartige Kräfte des Triebwerkes abgefedert werden und die Schrägscheibenlagerung kann sich besser anschmiegen. Durch eine nachgiebige Halterung des Wellenlagersitzes schrägscheibenseitig wird bei Wellenverkippung das Risiko von Kantenläufern vermieden.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in das innere Gehäuseteil, insbesondere auf der Niederdruckseite, mindestens ein schwingungsfähiges System zur Aufnahme von Schwingungsenergie integriert.
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Die unterschiedlichen Ausführungen des inneren Gehäuses können einteilig oder mehrteilig sein. Insbesondere bei Lagerung der Schwenkwiege in einem Lagerbock kann dieser in das innere Gehäuse eingesetzt werden.
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Für eine Vielzahl von hydraulischen Anwendungsfällen geeignet wird die Erfindung dadurch, dass die hydrostatische Kolbenmaschine eine Axialkolbenmaschine ist, mit einem Gehäuse, das aus einem inneren Gehäuseteil, einem äußeren Gehäuseteil und einem Gehäuseboden besteht, und einer Triebwelle, die antriebseitig den Gehäuseboden koaxial durchsetzt, die mit einer Zylindertrommel drehfest verbunden ist und antriebabseitig eine Schrägscheibe durchsetzt. Die Schrägscheibe kann verstellbar oder nicht verstellbar ausgeführt sein.
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Dies erschließt ein breites Anwendungsfeld und auch den Massenmarkt für die Erfindung, wobei es gerade bei der genannten Ausgestaltung nach Anspruch auf eine im Gewicht stark reduzierte und bezüglich der Geräuschbildung optimierte Axialkolbenmaschine sehr stark ankommt.
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Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Kolbenmaschine, insbesondere einer Axialkolbenmaschine sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert. Es zeigen
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1 einen Längsschnitt durch eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise gemäß Stand der Technik,
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2 einen vereinfachten Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise,
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3 eine bevorzugte Ausführungsform des inneren Gehäuses als Tragrahmenkonstruktion der erfindungsgemäßen Axialkolbenmaschine in perspektivischer Ansicht,
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4 die Tragrahmenkonstruktion nach 3 um 90° gedreht,
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5 eine zweite Ausführungsform der Tragrahmenkonstruktion gemäß 3,
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6 eine dritte Ausführungsform der Tragrahmenkonstruktion gemäß 3 und
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7 eine vierte Ausführungsform der Tragrahmenkonstruktion gemäß 3.
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Die in 1 dargestellte Axialkolbenmaschine 1 in Schrägscheibenbauweise weist ein Triebwerk 2 auf, das in einem Gehäuse 3 angeordnet ist.
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Das Triebwerk 2 umfasst als wesentliche Bauteile eine über zwei Wälzlager 8, 9 drehbar gelagerte Triebwelle 4, eine Zylindertrommel 5, die auf einem Teilkreis angeordnete, axial verlaufende Zylinderbohrungen 6 mit darin längsverschiebbaren Kolben 7 aufweist und über einen Mitnahmebereich 11 in Form einer Zylinderverzahnung drehfest und axial verschiebbar mit der Triebwelle 4 in Verbindung steht und eine gehäusefeste, von der Triebwelle 4 koaxial durchsetzte Anschlussplatte 10.
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Die in den Zylinderbohrungen 6 längsverschiebbar geführten Kolben 7 sind zylindrisch ausgeführt. Die zylindertrommelabseitigen Enden der Kolben 7 stützen sich jeweils über ein Gelenk 12 an einer Schrägscheibe 13 ab.
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Die Schrägscheibe 13 wird von der Triebwelle 4 durchsetzt. In dieser Figur ist nicht dargestellt, dass die als schwenkbar gelagerte Schwenkwiege mit kreissegmentförmigen Lagerbahnen ausgebildet ist, sie ist in der jeweiligen Schwenkstellung durch eine Verstellvorrichtung 14 einstellbar angeordnet.
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Die Zylinderbohrungen 6 münden über Zylindernieren 15 in eine Zylinderbodenfläche, die mit einer Steuerfläche einer nichtrotierenden Steuerplatte 16 zum Zwecke der Zu- und Abführung des Druckmittels kooperiert.
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Bei einer Drehung der Triebwelle 4 dreht sich aufgrund der drehfesten Verbindung auch die Zylindertrommel 5 mitsamt den Kolben 7. Wenn durch Betätigung der Verstellvorrichtung 14 die Schrägscheibe 13 in eine Schrägstellung gegenüber der Zylindertrommel 5 verschwenkt ist, führen die Kolben 7 Hubbewegungen aus. Bei einer kompletten Drehung der Zylindertrommel 5 durchläuft jeder Kolben 7 einen Saug- und einen Kompressionshub, wobei entsprechende Ölströme erzeugt werden, deren Zu- und Abführung über die Zylindernieren 15, Steuerplatte 16 und nicht dargestelltem Druck- und Saugkanal in der Anschlussplatte 10 erfolgen.
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Die in 2 dargestellte erfindungsgemäße Axialkolbenmaschine 30 in Schrägscheibenbauweise weist ein Triebwerk 31 auf, das in einem Gehäuse 32 angeordnet ist. Das Triebwerk 31 umfasst als wesentliche Bauteile eine drehbar gelagerte Triebwelle 34, eine Zylindertrommel 35, die auf einem Teilkreis angeordnete, axial verlaufende Zylinderbohrungen 36 mit darin längsverschiebbaren Kolben 37 aufweist, und die drehfest und axial verschiebbar mit der Triebwelle 34 in Verbindung steht, und eine gehäusefeste, von der Triebwelle 34 koaxial durchsetzte Anschlussplatte 38. Die in den Zylinderbohrungen 36 längsverschiebbar geführten Kolben 37 sind zylindrisch ausgeführt. Die zylindertrommelabseitigen Enden 39 der Kolben 37 stützen sich jeweils an einer Schrägscheibe 40 ab.
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Die Schrägscheibe 40 wird von der Triebwelle 34 durchsetzt. Die als schwenkbar gelagerte Schrägscheibe 40 oder auch Schwenkwiege ist mit kreissegmentförmigem Querschnitt ausgebildet.
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Das Gehäuse 32 besteht aus einem äußeren Gehäuseteil 46, einem inneren Gehäuseteil 47 und einem Gehäuseboden 48. Der Gehäuseboden 48 entspricht der Anschlussplatte 38. Das innere Gehäuseteil 47 ist zum äußeren Gehäuseteil 46 beabstandet angeordnet und beide Gehäuseteile 46 und 47 sind zueinander beabstandet an einer Oberfläche 45 des Gehäusebodens 48 fixiert.
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Die Triebwelle 34 durchsetzt nur das innere Gehäuseteil 47 und ist im Gehäuseboden 48 und im inneren Gehäuseteil 47 drehbar gelagert. Das innere Gehäuseteil 47 ist als strebenförmiger Tragrahmen 49 ausgeführt. Da die Dichtfunktion für das innere Gehäuseteil 47 entfällt, kann der Tragrahmen 49 als offene Struktur ausgeführt sein, die eine gewichtsreduzierte, kompakte und einfache Bauweise zur Folge hat. Bedingt durch die Gehäusekonstruktion und durch die Lagerung der Triebwelle 34 im Tragrahmen 49 und im Gehäuseboden 48 ist die Schwingungsneigung und damit die Schallabstrahlung und Körperschallübertragung an die Anschlussplatte 38 und an Rohr- oder Schlauchleitungen reduziert und nur das innere Gehäuseteil 47 liegt im Kraftfluss der internen dynamischen Kräfte. Der Gehäuseboden 48 stellt zusätzlich eine Sperrmasse zur Körperschallabkopplung vom Anschlussbereich dar. Das äußere Gehäuseteil 46 schließt dicht mit dem Gehäuseboden 48 ab und ist akustisch vom inneren Gehäuseteil 47 entkoppelt. Deshalb bleibt das äußere Gehäuse 46 nahezu schwingungsfrei und hat nur noch abdichtende Funktion.
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In 3 ist das innere Gehäuseteil 47 durch eine Tragrahmenstruktur 50 realisiert, in die Lagerbahnen 51, 52 für die Schrägscheibe und ein Lager 53 für die Triebwelle eingearbeitet sind. Die Lagerbahn 51 ist auf einer Hochdruckseite 55 der Tragrahmenstruktur 50 und die Lagerbahn 52 ist auf einer Niederdruckseite 56 der Tragrahmenstruktur 50 angeordnet, sodass beide Lagerbahnen 51, 52 von der Niederdruckseite 56 aus zugänglich sind.
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So können diese von der Niederdruckseite 56 aus in einer Aufspannung gefertigt werden. Die unterschiedliche Belastung auf der Hoch- und Niederdruckseite 55, 56 wird durch eine asymmetrische Gestaltung der Tragrahmenstruktur 50 berücksichtigt.
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In 4 ist die perspektivische Ansicht der Hochdruckseite 55 des Tragrahmens 50 gemäß 3 abgebildet. Sie weist Versteifungen in Form von Längsrippen 58 auf.
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Infolge der hochdruckseitigen Versteifung 58 und der asymmetrischen Gestaltung ist die Tragrahmenstruktur 50 verstimmt, das bedeutet, dass eine gemeinsame Resonanz auf der Hoch- und Niederdruckseite 55, 56 vermieden wird. Dadurch ist der Tragrahmen 50 in seiner Schwingungsneigung reduziert.
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Die 5 zeigt eine Teilansicht einer weiteren Ausführungsform des Tragrahmens 50, der mit einem Querschnittssprung 60 beim Übergang von einem Längssteg 61 zur Lagerbahn 52 ausgeführt ist. Durch die Querschnittsprunganordnung zwischen Längssteg 61 und Lagerbahn 52 wird die Weiterleitung von Schwingungen behindert. Die Umwandlung von Longitudinalwellen in Biegewellen und umgekehrt wird durch den Querschnittsprung 60 behindert. Dadurch wird die Schwingungsanregung stark gemindert. Querschnittsprünge sind an allen Übergängen zu den Lagerbahnen 51, 52 einbringbar.
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Die 6 zeigt eine Teilansicht einer weiteren Ausführungsform des Tragrahmens 50, der ein schwingungsfähiges System in Form einer Tilgermasse 64 aufweist. Die Tilgermasse 64 ist frei schwingend auf der Niederdruckseite 56 angeordnet.
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In den Tragrahmen 50 können ein oder mehrere schwingungsfähige Systeme 64 integriert sein. Sie nehmen die Schwingungsenergie auf, indem sie auf die Nenndrehzahl oder breitbandig auf einen Drehzahlbereich abgestimmt sind. Die Tilgermasse 64 kann auch als Zungenblech, Biegebalken oder als weich aufgehängte Masse aus einem durch Nuten oder Durchbrüchen geschwächten Teilbereich des inneren Gehäuses ausgeführt sein. Durch Einhaltung eines geringen Spaltmaßes zwischen Tilger 64 und Tragrahmen 50 in Verbindung mit einem Gehäuseöl, durch Auffüllung des Zwischenraums zwischen Tilgermasse und innerem Gehäuse mit einem elastischem Dämpfungselement, durch eine adaptive Anpassung der Tilgerfrequenz an den jeweiligen Betriebspunkt oder durch aktive bzw. passive Maßnahmen kann die Tilgermasse 64 zusätzlich bedämpft werden.
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Bei der in 7 dargestellten weiteren Ausführungsform des Tragrahmens 50 ist eine Nachgiebigkeit 66 eingebracht.
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Hierdurch werden stoßartige Kräfte des Triebwerkes abgefedert und die Schrägscheibenlagerung kann sich besser anschmiegen. Durch eine nachgiebige Halterung des Wellenlagersitzes schrägscheibenseitig wird bei Wellenkippung das Risiko von Kantenläufern vermieden. Zur Einbringung von Nachgiebigkeiten sind mehrere Positionen möglich.
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Die Ausführungsformen der 5, 6 und 7 sind zur Verstärkung der Geräuschreduzierung kombinierbar.
