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Die Erfindung betrifft ein Radiallager, welches eine in einem Gehäuse gelagerte Welle und einen zwischen dem Gehäuse und der Welle vorgesehen Schwimmbüchsenkörper aufweist, wobei zwischen der Welle und dem Schwimmbüchsenkörper ein innerer Schmierspalt und zwischen dem Gehäuse und dem Schwimmbüchsenkörper ein äußerer Schmierspalt vorliegen.
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Derartige Radiallager sind bereits bekannt. Eine vereinfachte, maßlich überzeichnete Querschnittsdarstellung eines derartigen Radiallagers ist in der 1 gezeigt. Dort ist zwischen einer rotierenden Welle 8, die sich mit einer Drehzahl nW dreht, und einem Gehäuse 10 ein ebenfalls rotierender Schwimmbüchsenkörper 1, der sich mit einer Drehzahl nB dreht, vorgesehen. Zwischen dem Gehäuse 10 und dem Schwimmbüchsenkörper 1 ist ein mit Schmieröl gefüllter äußerer Schmierspalt 9 vorgesehen. Zwischen dem Schwimmbüchsenkörper 1 und der Welle 8 befindet sich ein ebenfalls mit Schmieröl gefüllter innerer Schmierspalt 11. Dem äußeren Schmierspalt 9 wird das Schmieröl durch im Gehäuse 10 vorgesehene, nicht gezeichnete Bohrungen zugeführt. Des Weiteren sind im Schwimmbüchsenkörper 1 ebenfalls nicht gezeichnete Bohrungen vorgesehen, durch welche der innere Schmierspalt 11 aus dem äußeren Schmierspalt 9 mit Schmieröl versorgt wird. Diese Schmierölfilme nehmen im Betrieb auftretende Radialkräfte auf.
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Ein mit einem Schwimmbüchsenkörper ausgestattetes Radiallager hat gegenüber einem stehenden Gleitlager neben vielen Vorteilen den Nachteil, dass im Betrieb dann, wenn sich die Welle mit einer hohen Drehgeschwindigkeit dreht, selbst geringe Unwuchten der Welle Instabilitäten des Lagers zur Folge haben, die bis zu einer kompletten Zerstörung des Lagers führen können.
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Um derartige Instabilitäten des Lagers zu reduzieren, wird in der Praxis versucht, diesem Problem durch eine möglichst gute Auswuchtung der Welle im gesamten Drehgeschwindigkeitsbereich der Welle zu begegnen. Diese Versuche haben jedoch insbesondere für den Bereich hoher Drehgeschwindigkeiten noch nicht zum gewünschten Erfolg geführt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Radiallager anzugeben, bei welchem im gesamten Drehgeschwindigkeitsbereich der Welle ein Auftreten von Instabilitäten des Radiallagers reduziert ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Radiallager mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Radiallager, welches eine in einem Gehäuse drehbar gelagerte Welle und einen zwischen dem Gehäuse und der Welle vorgesehenen, im Gehäuse um eine Drehachse drehbaren Schwimmbüchsenkörper aufweist, wobei der Schwimmbüchsenkörper nach Art eines Hohlzylinders, mit einem Innendurchmesser der die Welle aufnimmt und einem Außendurchmesser zur Aufnahme im Gehäuse, ausgebildet ist und zwischen der Welle und dem Innendurchmesser des Schwimmbüchsenkörpers ein innerer Schmierspalt und zwischen dem Gehäuse und dem Außendurchmesser des Schwimmbüchsenkörpers ein äußerer Schmierspalt ausgebildet sind, wobei der Schwimmbüchsenkörper des Weiteren derart ausgebildet ist, dass er mit einer definierten Unwucht in Bezug auf die Drehachse des Schwimmbüchsenkörpers ausgestattet ist. Die Unwucht bezieht sich dabei auf die Drehachse des Schwimmbüchsenkörpers, die mit der, bezogen auf den Außendurchmesser im Zentrum liegenden, Längsachse des Schwimmbüchsenkörpers identisch ist, wobei diese, bei konzentrischer Anordnung des Innendurchmessers und gleichmäßiger Ausbildung des inneren Schmierspalts über den Umfang, mit der Drehachse der Welle übereinstimmt. Die definierte Unwucht ist dabei sowohl in ihrer Lage bezogen auf den Schwimmbüchsenkörper als auch im Betrag vorab festgelegt. Die Ermittlung des erforderlichen Betrags sowie der vorteilhaften Lage der Unwucht kann vorab auf rechnerischem Weg, per Computer-Simulation oder auch in entsprechenden Versuchsreihen erfolgen. Die Ursache einer Unwucht liegt in einer ungleichmäßigen Massenverteilung des Drehkörpers, hier des Schwimmbüchsenkörpers, über seinen Umfang bezogen auf seine konstruktiv vorgegebene Drehachse. Durch die ungleichmäßige Massenverteilung ergibt sich eine Lageabweichung der Trägheitsachse des Drehkörpers in Bezug zu seiner Drehachse. Diese Lageabweichung kann als Maß für die Größe, also den Betrag der Unwucht herangezogen werden und wird auch als Exzentrizität bezeichnet. Die Exzentrizität gibt dabei die betragsmäßige Lageabweichung der Trägheitsachse eines Drehkörpers zu seiner Drehachse an, zum Beispiel in Millimeter (mm).
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Dem entsprechend ist das erfindungsgemäße Radiallager in einer vorteilhaften Ausführung dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Unwucht des Schwimmbüchsenkörpers, als Exzentrizität in Relation zum Lagerspiel des inneren Schmierspalts angegeben, in einem Bereich zwischen 15% und 35%, insbesondere 20% bis 30% des durch den inneren Schmierspalt ausgebildeten Lagerspiels liegt. Dabei errechnet sich das Lagerspiel als die doppelte Spaltbreite des inneren Schmierspalts bei konzentrischer Anordnung der Welle im Schwimmbüchsenkörper. In einem konkreten Ausführungsbeispiel besteht ein umlaufender innerer Schmierspalt von 0,011 mm somit beträgt das Lagerspiel 0,022 mm. In diesem Beispiel wäre somit eine Exzentrizität von 0,0033 mm bis 0,0077 mm vorzusehen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist das erfindungsgemäße Radiallager, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Unwucht des Schwimmbüchsenkörpers, als Exzentrizität angegeben, in einem Bereich von 0,003 mm bis 0,008 mm insbesondere bei 0,005 mm liegt.
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Die in den beiden vorgenannten Beispielen der Dimensionierung der Unwucht genannten Bereiche haben sich in Versuchen mit Wellen eines Durchmesserbereichs zwischen 8 mm bis 25 mm als besonders vorteilhaft erwiesen, da die definierte Unwucht zum Einen klein genug ist, um sich nicht ihrerseits negativ auf den Rundlauf des Gesamtsystems auszuwirken, zum Anderen jedoch groß genug ist, um der Unwucht der Welle im gesamten Drehgeschwindigkeitsbereich, insbesondere auch im Bereich hoher Drehgeschwindigkeiten bis hin zu 250.000 Umdrehungen/Minute und darüber hinaus, entgegen zu wirken.
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Für die Ausgestaltung die definierte Unwucht des Schwimmbüchsenkörpers bestehen verschiedene Möglichkeiten. So kann die Unwucht von einer, zwei oder mehr in den Schwimmbüchsenkörper eingebrachten Stufenbohrungen gebildet sein. Alternativ dazu kann die Unwucht auch von einer oder mehreren in den Schwimmbüchsenkörper eingebrachten Durchgangsbohrungen oder Sacklochbohrungen, einer in den Schwimmbüchsenkörper eingebrachten Innennut oder durch eine Verformung des Außenmantels des Schwimmbüchsenkörpers gebildet sein. Auch durch eine exzentrische Anordnung des Innendurchmessers des Lagerbüchsenkörpers in Bezug auf den Außendurchmesser des Lagerbüchsenkörpers kann die Unwucht ausgebildet sein. Die vorgenannten Möglichkeiten zur Herstellung einer definierten Unwucht können, je nach Erfordernis, sowohl alternativ als auch in Kombination zur Anwendung kommen.
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Die in den Schwimmbüchsenkörper eingebrachte Unwucht wirkt im Betrieb des Radiallagers einer Unwucht der Welle entgegen. Dadurch werden auch im Bereich hoher Drehgeschwindigkeiten der Welle auftretende bzw. entstehende Instabilitäten des Radiallagers vermieden oder zumindest stark reduziert. Dies führt in vorteilhafter Weise dazu, dass auch die Wahrscheinlichkeit einer Zerstörung des Radiallagers reduziert ist.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele für die Erfindung anhand der 3–8 erläutert. Es zeigen:
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2 eine perspektivische Skizze eines herkömmlichen Schwimmbüchsenkörpers,
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3 eine Schnittdarstellung eines Schwimmbüchsenkörpers, dessen Unwucht durch eine Stufenbohrung ausgebildet ist,
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4 eine Schnittdarstellung eines Schwimmbüchsenkörpers, dessen Unwucht durch eine Sacklochbohrung ausgebildet ist,
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5 eine Schnittdarstellung eines Schwimmbüchsenkörpers, dessen Unwucht durch eine Durchgangsbohrung ausgebildet ist,
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6 eine Schnittdarstellung eines Schwimmbüchsenkörpers, dessen Unwucht durch eine Innennut ausgebildet ist und
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7 eine perspektivische Skizze eines Schwimmbüchsenkörpers, dessen Unwucht durch eine Verformung des Außenmantels des Schwimmbüchsenkörpers ausgebildet ist.
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8 eine Frontalansicht eines Schwimmbüchsenkörpers, dessen Unwucht durch die exzentrische Anordnung des Außendurchmessers der Schwimmbüchse zum Innendurchmesser der Schwimmbüchse ausgebildet ist.
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Funktions- und Benennungsgleiche Gegenstände oder Funktionseinheiten werden in den Figuren durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In der 2 ist eine perspektivische Skizze eines herkömmlichen Schwimmbüchsenkörpers 1 gezeigt. Dieser Schwimmbüchsenkörper 1 ist im Wesentlichen hohlzylinderförmig oder rohrförmig mit einem Außendurchmesser DA und einem Innendurchmesser DI ausgebildet und weist über seinen Umfang gleichmäßig verteilt mehrere Ölzuführbohrungen 2 auf, durch welche im Betrieb Schmieröl von der Außenseite zur Innenseite, also vom äußeren Schmierspalt zum inneren Schmierspalt, transportiert wird. Diese Ölzuführbohrungen 2 verlaufen in der Regel jeweils in Radialrichtung, weisen jeweils einen vorgegebenen Durchmesser auf und sind als Durchgangsbohrungen realisiert. Der in der 2 dargestellte Schwimmbüchsenkörper 1 ist symmetrisch aufgebaut und weist somit keine gewollte Unwucht auf.
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Die 3 zeigt eine Schnittdarstellung eines Schwimmbüchsenkörpers 1, dessen Unwucht durch eine in den Schwimmbüchsenkörper 1 eingebrachte Stufenbohrung gebildet ist. Auch dieser Schwimmbüchsenkörper 1 ist im Wesentlichen hohlzylinderförmig oder rohrförmig ausgebildet. Er weist insgesamt sechs Ölzuführungsbohrungen 2 auf, von denen 5 mit der Bezugsziffer 2 bezeichnet sind und eine mit der Bezugsziffer 3. Diese Ölzuführungsbohrung 3 dient gleichzeitig zur Erzeugung der Unwucht des Schwimmbüchsenkörpers. Sie ist zu diesem Zweck stufenförmig ausgebildet, wobei sie in ihrem radial äußeren Bereich einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Durchmesser derselben Bohrung in ihrem radial inneren Bereich. Der Durchmesser der Bohrung 3 in ihrem radial inneren Bereich stimmt mit dem Durchmesser der Bohrungen 2 jeweils überein. Der Durchmesser der Bohrung 3 in ihrem radial äußeren Bereich ist größer als der Durchmesser der Bohrung 3 in ihrem radial inneren Bereich und damit auch größer als der Durchmesser der Bohrungen 2. Dies bewirkt eine gezielt ungleichmäßige Massenverteilung des Schwimmbüchsenkörpers über den Umfang und somit eine in Betrag und Lage definierte Unwucht.
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Die in Form einer Stufenbohrung 3 realisierte Unwucht des Schwimmbüchsenkörpers wirkt im Betrieb des Radiallagers im gesamten Drehgeschwindigkeitsbereich der Welle, insbesondere auch im Bereich hoher Drehgeschwindigkeiten, einer Unwucht der Welle entgegen, so dass Instabilitäten des Radiallagers und die Wahrscheinlichkeit einer Zerstörung des Lagers reduziert sind.
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Die 4 zeigt eine Schnittdarstellung eines Schwimmbüchsenkörpers, dessen Unwucht durch zumindest eine in den Außenumfang des Schwimmbüchsenkörpers eingebrachte Sacklochbohrung 4 ausgebildet ist. Auch dieser Schwimmbüchsenkörper 1 ist im Wesentlichen hohlzylinderförmig oder rohrförmig ausgebildet. Er weist insgesamt sechs gleichmäßig über den Umfang verteilt eingebrachte Ölzuführungsbohrungen 2 auf. Die Sacklochbohrung 4 dient zur Erzeugung der Unwucht des Schwimmbüchsenkörpers. Die Sacklochbohrung 4 kann prinzipiell den gleichen Durchmesser aufweisen wie die Ölzuführungsbohrungen 2, was die Herstellung im gleichen Arbeitsgang mit dem gleichen Werkzeug ermöglicht. Jedoch kann die Sacklochbohrung 4 auch einen zu den Ölzuführungsbohrungen 2 unterschiedlichen Durchmesser aufweisen sofern dies für einen ausreichenden Materialabtrag zur Definition der Unwucht erforderlich ist. Auch dies bewirkt eine gezielt ungleichmäßige Massenverteilung des Schwimmbüchsenkörpers über den Umfang und somit eine in Betrag und Lage definierte Unwucht.
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Die in Form einer Sacklochbohrung 4 realisierte Unwucht des Schwimmbüchsenkörpers wirkt im Betrieb des Radiallagers im gesamten Drehgeschwindigkeitsbereich der Welle, insbesondere auch im Bereich hoher Drehgeschwindigkeiten, einer Unwucht der Welle entgegen, so dass Instabilitäten des Radiallagers und die Wahrscheinlichkeit einer Zerstörung des Lagers reduziert sind.
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Die 5 zeigt eine Schnittdarstellung eines Schwimmbüchsenkörpers, dessen Unwucht durch eine in den Schwimmbüchsenkörper eingebrachte Durchgangsbohrung gebildet ist. Auch dieser Schwimmbüchsenkörper 1 ist im Wesentlichen hohlzylinderförmig oder rohrförmig ausgebildet. Er weist insgesamt sechs gleichmäßig über den Umfang verteilt eingebrachte Ölzuführungsbohrungen auf, von denen 5 mit der Bezugsziffer 2 bezeichnet sind und eine mit der Bezugsziffer 5a. Diese Ölzuführungsbohrung 5a dient gleichzeitig zur Erzeugung der Unwucht des Schwimmbüchsenkörpers. Sie ist zu diesem Zweck als Durchgangsbohrung ausgebildet, deren Durchmesser konstant und durchgehend größer ist als der Durchmesser der übrigen Bohrungen 2. Ein entsprechendes Ergebnis kann alternativ auch erzielt werden durch die Anordnung einer zusätzlichen Durchgangsbohrung 5b (gestrichelt dargestellt) zwischen den gleichverteilten Ölzuführungsbohrungen 2. Auch diese beiden Alternativen bewirken eine gezielt ungleichmäßige Massenverteilung des Schwimmbüchsenkörpers über den Umfang und somit eine in Betrag und Lage definierte Unwucht.
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Die in Form einer Durchgangsbohrung 5 realisierte Unwucht des Schwimmbüchsenkörpers wirkt im Betrieb des Radiallagers im gesamten Drehgeschwindigkeitsbereich der Welle, insbesondere auch im Bereich hoher Drehgeschwindigkeiten, einer Unwucht der Welle entgegen, so dass Instabilitäten des Radiallagers und die Wahrscheinlichkeit einer Zerstörung des Lagers reduziert sind.
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Die 6 zeigt eine Schnittdarstellung eines Schwimmbüchsenkörpers, dessen Unwucht durch eine in den Schwimmbüchsenkörper eingebrachte Innennut 6 gebildet ist. Auch dieser Schwimmbüchsenkörper 1 ist im Wesentlichen hohlzylinderförmig oder rohrförmig ausgebildet. Er weist insgesamt sechs gleichmäßig über den Umfang verteilt eingebrachte Ölzuführungsbohrungen auf, die mit der Bezugsziffer 2 bezeichnet snd und deren Durchmesser übereinstimmen. Weiterhin weist der Schwimmbüchsenkörper auf seiner Innenseite eine gezielt dimensionierte Innennut 6 auf. Auch dies bewirkt eine gezielt ungleichmäßige Massenverteilung des Schwimmbüchsenkörpers über den Umfang und somit eine in Betrag und Lage definierte Unwucht. Selbstverständlich kann ein gleiches Ergebnis erzielt werden durch die Anordnung einer entsprechenden Außennut auf dem Außenumfang des Schwimmbüchsenkörpers 1 (nicht dargestellt).
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Die in Form einer Innennut 6 oder Außennut realisierte Unwucht des Schwimmbüchsenkörpers wirkt im Betrieb des Radiallagers im gesamten Drehgeschwindigkeitsbereich der Welle, insbesondere auch im Bereich hoher Drehgeschwindigkeiten, einer Unwucht der Welle entgegen, so dass Instabilitäten des Radiallagers und die Wahrscheinlichkeit einer Zerstörung des Lagers reduziert sind.
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Die 7 zeigt eine perspektivische Skizze eines Schwimmbüchsenkörpers, dessen Unwucht durch eine Verformung des Außenmantels des Schwimmbüchsenkörpers ausgebildet ist. Auch dieser Schwimmbüchsenkörper 1 ist im Wesentlichen hohlzylinderförmig oder rohrförmig ausgebildet. Er weist ebenfalls insgesamt sechs gleichmäßig über den Umfang verteilt eingebrachte Ölzuführungsbohrungen 2 mit übereinstimmenden Durchmessern auf. Die Verformung des Außenmantels des Schwimmbüchsenkörpers kann beispielsweise durch einen Materialabtrag in Form einer oder mehrerer Anfasungen oder Abflachungen realisiert werden. Auch diese alternativ oder ergänzend zueinander anwendbaren Merkmale bewirken eine gezielt ungleichmäßige Massenverteilung des Schwimmbüchsenkörpers über den Umfang und somit eine in Betrag und Lage definierte Unwucht.
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Die durch eine Verformung des Außenmantels des Schwimmbüchsenkörpers realisierte Unwucht des Schwimmbüchsenkörpers wirkt im Betrieb des Radiallagers im gesamten Drehgeschwindigkeitsbereich der Welle, insbesondere auch im Bereich hoher Drehgeschwindigkeiten, einer Unwucht der Welle entgegen, so dass Instabilitäten des Radiallagers und die Wahrscheinlichkeit einer Zerstörung des Lagers reduziert sind.
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In 8 ist eine Frontalansicht eines Schwimmbüchsenkörpers dargestellt, dessen Unwucht durch die exzentrische Anordnung des Innendurchmessers des Schwimmbüchsenkörpers zum Außendurchmesser des Schwimmbüchsenkörpers ausgebildet ist. Aus Gründen der Erkennbarkeit ist die relative Lageabweichung E zwischen dem Zentrum ZI des Innendurchmessers und dem Zentrum ZA des Außendurchmessers stark überzeichnet dargestellt. Auch diese Maßnahme bewirkt eine gezielt ungleichmäßige Massenverteilung des Schwimmbüchsenkörpers über den Umfang und somit eine in Betrag und Lage definierte Unwucht. Ein mit einer Unwucht ausgestatteter Schwimmbüchsenkörper, wie er in den 3 bis 8 gezeigt und vorausgehend beschrieben ist, ist Bestandteil eines Radiallagers, welches eine in einem Gehäuse gelagerte Welle aufweist, wobei der Schwimmbüchsenkörper zwischen dem Gehäuse und der Welle positioniert ist, wobei zwischen der Welle und dem Schwimmbüchsenkörper ein innerer Schmierspalt und zwischen dem Schwimmbüchsenkörper und dem Gehäuse ein äußerer Schmierspalt vorliegt.
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Im Betrieb eines derartigen Radiallagers, insbesondere bei hohen Drehgeschwindigkeiten der Welle, verursacht eine Unwucht der Welle einen Kraftimpuls auf den Schmierfilm im inneren Schmierspalt. Dieser Kraftimpuls wird bis zu einem gewissen Grad durch das im inneren Schmierspalt befindliche Schmiermittel gedämpft. Der verbleibende Restimpuls wird über den im inneren Schmierspalt befindlichen Schmiermittelstrom auf den Schwimmbüchsenkörper übertragen und verursacht grundsätzlich eine Auslenkung des Schwimmbüchsenkörpers relativ zum Schmierfilm im äußeren Schmierspalt. Dieser Auslenkung des Schwimmbüchsenkörpers wirken die Massenträgheit des Schwimmbüchsenkörpers selbst und auch Dämpfungskräfte des Schmierfilms im äußeren Schmierspalt entgegen und bewirken eine Teilkompensation der Auslenkung des Schwimmbüchsenkörpers. Ist der Schwimmbüchsenkörper – wie es oben anhand der 3 bis 8 erläutert wurde – mit einer Unwucht ausgestattet, dann wird das genannte Entgegenwirken verstärkt, so dass insbesondere auch im Bereich hoher Drehgeschwindigkeiten der Welle, die im Bereich von bis zu 120 m/s liegen, die unerwünschten Auswirkungen von Unwuchten der Welle weitgehend kompensiert werden.
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Zur Ermittlung derjenigen Stelle oder Stellen des Schwimmbüchsenkörpers, an welcher bzw. welchen eine Unwucht vorgesehen sein muss, um einer Unwucht der Welle entgegenwirken zu können, werden Untersuchungen im gesamten Drehgeschwindigkeitsbereich der Welle durchgeführt um zu ermitteln, welche Positionen am Schwimmbüchsenkörper mit einer definierten Unwucht ausgestattet werden müssen, um einer Unwucht der Welle entgegenwirken zu können.
