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Die Erfindung betrifft ein Folienlager, insbesondere ein aerodynamisches Folienlager, mit einem ersten Lagerschalen-Segment, einem zweiten Lagerschalen-Segment und einem dritten Lagerschalen-Segment, dass mit dem ersten Lagerschalen-Segment und dem zweiten Lagerschalen-Segment eine Lagerschale für eine Welle bildet.
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Derartige Folienlager ermöglichen eine ölfreie Lagerung von Wellen, die mit sehr hohen Drehfrequenzen, die über 100 000 Umdrehungen pro Minute liegen können, gelagert werden sollen. Derartige Folienlager können bei sehr hohen und niedrigen Temperaturen eingesetzt werden. Zum Charakterisieren von Folienlagern sind zwei Kennwerte relevant. Der eine ist die sogenannte Abhebedrehzahl oder Abhebedrehfrequenz und beschreibt diejenige Drehfrequenz, bei der die Welle nicht mehr an der Lagerschale reibt, sondern von einem Luftfilm zwischen der Lagerschale und der Welle getragen wird. Diese Abhebedrehzahl sollte möglichst klein sein. Die zweite Kennzahl ist die Lagerstabilität und bezeichnet diejenige Drehfrequenz, aber der die Welle so stark schwingt, dass der sichere Betrieb nicht mehr gewährleistet ist. Diese zweite Drehzahl sollte möglichst hoch liegen.
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Es existieren eine Vielzahl an Ansätzen, mit denen versucht wird, die Abhebedrehzahl zu senken und die Stabilität zu erhöhen. Es hat sich herausgestellt, dass beides gleichzeitig nicht möglich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu vermindern.
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Die Erfindung löst das Problem durch ein gattungsgemäßes Folienlager, das zumindest ein Piezoelement, das zum Verändern einer Krümmung zumindest eines der Lagerschalen-Segmente angeordnet ist, aufweist. Vorzugsweise ist das Piezoelement ein d33 oder d31-Piezoelement.
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Vorteilhaft an einem derartigen Folienlager ist, dass sowohl eine niedrige Abhebedrehzahl erreichbar ist, als auch eine hohe Stabilität bei hohen Drehzahlen. Es sei darauf hingewiesen, dass der Begriff der Drehzahl im Folgenden synonym mit dem Begriff der Drehfrequenz verwendet wird. Es hat sich herausgestellt, dass eine mit der Wellenoberfläche übereinstimmende Krümmung der Lagerschale günstig ist, um eine geringe Abhebedrehzahl zu erreichen. Hingegen ist eine kleinere Krümmung der Lagerschale vorteilhaft, um bei hohen Drehfrequenzen eine möglichst hohe Stabilität zu erzielen. Durch das zumindest eine Piezoelement, insbesondere drei Piezoelemente, kann die Krümmung, vorzugsweise kontinuierlich, und vorzugsweise in Abhängigkeit von der Drehzahl der Welle automatisch mittels einer Regeleinheit verändert werden.
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Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Folienlager ist zudem, dass es nur unwesentlich komplexer aufgebaut ist als ein bekanntes Folienlager. Piezoaktoren sind Standard-Bauteile, die vergleichsweise einfach angesteuert werden können.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Lagerschalen-Segment ein Abschnitt der Lagerschale verstanden. Es ist möglich und stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, dass die Lagerschalen-Segmente unterschiedliche Bauteile sein können. Es ist wiederum möglich, nicht aber notwendig, dass die Lagerschalen-Segmente zur Lagerschale zusammengefügt sind.
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Beispielsweise bestehen die Lagerschalen-Segmente zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus einem Blech mit einer Dicke von höchstens 0,5 mm, insbesondere höchstens 0,25 mm. Das Blech kann beispielsweise ein Edelstahlblech sein. Vorzugsweise ist die Dicke größer als 0,08 Millimeter. Alternativ können als Folienwerkstoffe die bei passiven Folienlagern oft verwendeten Werkstoffe Inconel 718 und Inconel X 750 verwendet werden.
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Vorzugsweise ist das Folienlager ein Radiallager.
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Vorzugsweise ist das Piezoelement am ersten Lagerschalen-Segment zum Verändern einer Erstlagerschalen-Krümmung des ersten Lagerschalen-Segments angeordnet. Vorzugsweise ist am zweiten Lagerschalen-Segment ein zweites Piezoelement zum Verändern einer Zweitlagerschalen-Krümmung des zweiten Lagerschalen-Segments angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist am dritten Lagerschalen-Segment ein drittes Piezoelement zum Verändern einer Drittlagerschalen-Krümmung des dritten Lagerschalen-Segments angeordnet. Günstig ist es, wenn die Piezoelemente baugleich sind, das ist aber nicht notwendig. Es ist in diesem Fall möglich, alle drei Lagerschalen-Krümmungen zu verändern. Auf diese Weise kann eine Stabilität der Welle auch bei sehr hohen Drehzahlen gewährleistet werden.
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Vorzugsweise sind die Piezoelemente so ausgebildet, dass die Lagerschale in eine Form bringbar ist, in der sie über zumindest 90% ihres Umfangs um höchstens 5% von der Krümmung des inneren Schmiegekreises abweicht. Der innere Schmiegekreis ist derjenige gedachte Kreis maximalen Durchmessers, der die innere Lagerschale nicht schneidet.
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Vorzugsweise weist das erste Lagerschalen-Segment eine erste Erstlagerschalen-Zone auf, in der das erste Lagerschalen-Segment eine erste Biegesteifigkeit hat, wobei das erste Lagerschalen-Segment vorzugsweise eine zweite Erstlagerschalen-Zone hat, in der das erste Lagerschalen-Segment eine zweite Biegesteifigkeit hat, die größer ist als die erste Biegesteifigkeit. Vorzugsweise besitzt das erste Lagerschalen-Segment zudem eine dritte Erstlagerschalen-Zone, in der das erste Lagerschalen-Segment eine dritte Biegesteifigkeit hat, die der ersten Biegesteifigkeit entspricht.
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Die Piezoelemente sind vorzugsweise zum Einwirken auf die jeweilige zweite Erstlagerschalen-Zone angeordnet. Insbesondere sind die Piezoelemente mit der jeweiligen zweiten Erstlagerschalen-Zone verbunden, beispielsweise stoffschlüssig verbunden.
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Eine geringere Biegesteifigkeit in der ersten Erstlagerschalen-Zone und der dritten Erstlagerschalen-Zone bewirkt, dass sich das erste Lagerschalen-Segment dort besonders leicht verformen kann. Das erlaubt es, die Krümmung des ersten Lagerschalen-Segments besonders stark zu verändern, was wiederum eine hohe Stabilität bei hohen Drehzahlen ermöglicht.
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Günstig ist, wenn die die höhere Biegesteifigkeit aus einer größeren Dicke des Lagerschalen-Segments resultiert.
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Günstig ist es, wenn alle Lagerschalen-Segmente alle gleich aufgebaut sind. Das erleichtert die Ansteuerung der Piezoelemente.
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Günstig ist es, wenn die zweite Erstlagerschalen-Zone konkav ist und die erste und die dritte Erstlagerschalen-Zone zumindest abschnittsweise konvex sind. Diese Begriffe beziehen sich auf eine Blickrichtung nach radial auswärts. Auf diese Weise können die Lagerschalen-Segmente einfach gelagert werden. Zudem erlaubt diese Struktur eine besonders starke Veränderung der Krümmung.
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Günstig ist es, wenn die Lagerschalen-Segmente miteinander verbunden sind, insbesondere stoffschlüssig verbunden sind. Beispielsweise sind die Lagerschalen-Segmente miteinander verklebt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das Folienlager einen Grundkörper, an dem die Lagerschalen-Segmente mit ihren freien Enden befestigt sind. Der Grundkörper nimmt die Gewichtskraft der Lagerschalen und eine eventuell wirkende Last sowie die Welle auf. Es ist zudem möglich, nicht aber notwendig, dass sich die Piezoelemente am Grundkörper abstützen. Insbesondere ist es auch möglich, dass die Piezoelemente ausschließlich mit jeweils einem der Lagerschalen-Segmente verbunden sind.
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Erfindungsgemäß ist zudem ein Folienlagersystem mit einem erfindungsgemäßen Folienlager, einer vom Folienlager gelagerten Welle und einer Regeleinheit, die eingerichtet ist zum automatischen Erfassen einer Drehfrequenz der Welle und zum Verändern der Erstlagerschalen-Krümmung, der Zweitlagerschalen-Krümmung und der Drittlagerschalen-Krümmung in Abhängigkeit von der Drehfrequenz. Das Verändern der Erstlagerschalen-Krümmung erfolgt durch Verändern einer Spannung, die am ersten Piezoelement anliegt. Entsprechend wird die Zweitlagerschalen-Krümmung durch Verändern der Spannung verändert, die am zweiten Piezoelement anliegt und die Drittlagerschalen-Krümmung wird durch Verändern der Spannung verändert, die am dritten Piezoelement anliegt.
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Vorzugsweise ist die Regeleinheit so eingerichtet, dass sie automatisch die Krümmung verringert, wenn eine vorgegebene Schwellen-Drehfrequenz überschritten ist. Diese Schwellen-Drehfrequenz liegt oberhalb einer Abhebe-Drehfrequenz des Folienlagers.
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Erfindungsgemäß ist zudem eine Strömungsmaschine mit einem erfindungsgemäßen Folienlagersystem. Bei der Strömungsmaschine handelt es sich beispielsweise um eine Turbomaschine, eine Kleingas-Turbine, einen Abgas-Turbolader oder einen hochtourigen Verdichter.
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Insbesondere ist die Strömungsmaschine so eingerichtet, dass beim Betrieb eine Drehfrequenz der Welle oberhalb von 100 000 Umdrehungen pro Minute, bei entsprechend kleinem Wellendurchmesser oberhalb von 200 000 Umdrehungen pro Minute, liegt. Bei derartigen Strömungsmaschinen ist das erfindungsgemäße Folienlager mit besonders großem Vorteil einsetzbar.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Folienlagers,
- 2a einen Querschnitt durch das Folienlager gemäß 1,
- 2b eine perspektivische Ansicht der Lagerschale, die aus drei Lagerschalen-Segmenten besteht,
- 3a eine schematische Teil-Ansicht eines Folienlager gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 3b eine zweite schematische Teil-Ansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßes Folienlagers,
- 3c eine weitere Teil-Ansicht einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Folienlagers,
- 3d eine weitere Teil-Ansicht einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Folienlagers und
- 4 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Folienlagersystem 10 mit einem erfindungsgemäßen Folienlager 12 zum Lagern einer Welle 14, die in 1 der Übersichtlichkeit halber gestrichelt eingezeichnet ist. Das Folienlager 10 besitzt zudem eine elektrische automatische Regeleinheit 16.
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Das Folienlager 12 besitzt ein erstes Lagerschalen-Segment 18.1, ein zweites Lagerschalen-Segment 18.2 und ein drittes Lagerschalen-Segment 18.3. Die Lagerschalen-Segmente 18, in anderen Worten die Lagerschalen-Segmente 18.i (i = 1, 2, 3) sind zu einer Lagerschale 20 miteinander verbunden, im vorliegenden Fall verklebt. Die Lagerschalen-Segmente 18.i sind aus einem Blech mit einer Dicke von 0,4 mm maximaler Dicke aufgebaut. Das Folienlager 12 umfasst drei Piezoelemente, von denen nur das Piezoelement 22.3 unverdeckt ist. Das Piezoelement 22.3 ist, wie alle anderen Piezoelemente auch, am jeweiligen Lagerschalen-Segment 18 verbunden, im vorliegenden Fall also am Lagerschalen-Segment 18.3.
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Die Lagerschalen-Segmente 18.i sind an einem Grundkörper befestigt, im vorliegenden Fall mittels Schrauben 26. Die Schrauben 26.j (j = 1, 2, ...) sind als Stellschrauben ausgebildet, sodass mit diesen die Lage der Lagerschale 20 relativ zum Grundkörper 24 justiert werden kann.
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1 zeigt, dass das Piezoelement 22.3 so am dritten Lagerschalen-Segment 18.3 angeordnet ist, dass durch eine Ausdehnung des Piezoelements 22.3 die Drittlagerschalen-Krümmung K3 vergrößert wird. Das Piezoelement 22.3 ist elektrisch mittels eines Kabels 28.3 kontaktiert. Durch Anlegen einer Spannung an das Piezoelement 22.3 kann mittels der Regeleinheit 16 die Drittlagerschalen-Krümmung K3 verändert werden.
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Die Lagerschalen-Segmente 18.1, 18.2, 18.3 sind allesamt gleich aufgebaut, sodass mittels der Regeleinheit 16 eine jeweilige Krümmung Ki des jeweiligen Lagerschalen-Segment 18.i eingestellt werden kann. So kann auch eine zweite Lagerschalen-Krümmung K2 und eine Erstlagerschalen-Krümmung K1 eingestellt werden.
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2a zeigt einen Querschnitt durch das Folienlager 12 und die Welle 14. Eingezeichnet ist zudem ein Schmiegekreis S, der der gedachte größtmögliche Kreis ist, der in die Lagerschale 20 passt. Die Lagerschalen-Segmente 18.i sind - anders als in 1 -mittels dreier Fixierelemente 30.1, 30.2, 30.3 am Grundkörper 24 befestigt. Die Fixierelemente 30 klemmen die jeweiligen freien Enden E benachbarter Lagerschalen-Segmente
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Exemplarisch wird für das Lagerschalen-Segment 18.2 eine Abhängigkeit der Blechdicke D von einer Winkelkoordinate φ beschrieben. Die Blechdicke d ist benachbart zu den freien Enden E2.1 sowie E2.2 am kleinsten und mittig zwischen den beiden freien Enden E2.1 , E2.2 am größten. In anderen Worten ist die Blechdicke d im Bereich des Piezoelements 22.2 größer als benachbart zum jeweiligen freien Ende E2.1 , E2.2 .
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Jedes Lagerschalen-Segment besitzt damit Zonen unterschiedlicher Blechdicke, wie anhand des ersten Lagerschalen-Segments 18.1 erläutert ist. Das erste Lagerschalen-Segment 18.1 besitzt eine erste Erstlagerschalen-Zone Z11 , in der das erste Lagerschalen-Segment 18.1 eine erste Biegesteifigkeit B1 . In der sich daran anschließenden zweiten Erstlagerschalen-Zone Z12 hat das erste Lagerschalen-Segment 18.1 eine zweite Biegesteifigkeit B2 , die größer ist als die erste Biegesteifigkeit B1 . In der sich daran anschließenden dritten Erstlagerschalen-Zone Z13 hat das erste Lagerschalen-Segment 18.1 wieder die erste Biegesteifigkeit.
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Die erste Biegesteifigkeit ist kleiner als die zweite Biegesteifigkeit. Das erleichtert die Verformung benachbart zu den freien Enden E1.1 und E1.2 . Da die Lagerschalen-Segmente 18.i jeweils gleich aufgebaut sind, haben die beiden anderen Lagerschalen-Segmente 18.2, 18.3 ebenfalls gleiche Lagerschalen-Zonen und jeweils entsprechende Biegesteifigkeiten.
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In der ersten Erstlagerschalen-Zone Z11 und der dritten Erstlagerschalen-Zone Z13 ist das erste Lagerschalen-Segment 18.1 konvex gebogen, in der zweiten Erstlagerschalen-Zone Z12 hingegen konkav.
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2b zeigt eine perspektivische Ansicht der Lagerschale 20. Es ist zu erkennen, dass die Lagerschalen-Segmente 18.i jeweils paarweise miteinander verbunden, im vorliegenden Fall verklebt, sind.
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3a zeigt im linken Teilbild schematisch den Fall, in dem die d33-Piezoelemente 22.1, 22.2, 22.3 ihre maximale Ausdehnung haben. Die Krümmungen K1, K2, K3 entsprechen in diesem Fall im Bereich der Piezoelemente der Krümmung des Schmiegekreises S, der gestrichelt eingezeichnet ist. Die Piezoelemente sind so breit in Umfangsrichtung, dass die Lagerschale über zumindest 95% ihres Umfangs um höchstens 5% von der Krümmung des inneren Schmiegekreises S abweicht. In anderen Worten ist die Lagerschale in guter Näherung innen kreisförmig.
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Im mittleren Teilbild ist die von den d33-Piezoelementene 22.i aufgebrachte Kraft kleiner, sodass die Krümmungen K1, K2, K3 im Bereich der Piezoelemente 22.1, 22.2, 22.3 kleiner sind als die Krümmungen des Schmiegekreises S.
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Im Teilbild ganz rechts liegt an den d33-Piezoelementen 22.i die minimale Spannung an, sodass die Krümmungen K1, K2, K3 deutlich von der Krümmung des Schmiegekreises S abweichen. Während die im linken Teilbild gezeigte Situation zu einer besonderen Abhebedrehzahl führt, bedingt die im rechten Teilbild gezeigte Situation eine besonders gute Stabilisierung der Welle. Im rechten Teilbild weicht der arithmetische Mittelwert der Krümmungen K1, K2, K3 um mehr als 5% von der Krümmung des Schmiegekreises S ab.
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Die Regeleinheit 16 ist eingerichtet zum Verändern der Krümmungen K1, K2, K3 in Abhängigkeit von einer Drehfrequenz f der Welle 14 (vgl. 2a). Dazu ist sie beispielsweise mit einem schematischen Drehfrequenzmesser 32 verbunden, die der die Drehfrequenz der Welle kontinuierlich misst. Die Regeleinheit 16 weist vorzugsweise einen digitalen Speicher auf, in dem ein Kennfeld oder Parameter abgelegt sind, die kodieren, welche Spannung U an die Piezoelemente 22.i in Abhängigkeit von der Drehfrequenz f angelegt werden müssen, damit die ideale Stabilisierung der Welle erreicht wird. Diese Parameter bzw. dieses Kennfeld werden in Vorversuchen ermittelt. Bei diesen Vorversuchen wird die jeweilige Drehzahl konstant gehalten und die Schwingungsamplitude der Welle ermittelt. Es wird jeweils die Spannung angelegt, für die die Schwingungsamplitude minimal wird.
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3b zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Folienlagers, bei der die freien Enden E eines jeden Segments als Feder-Dämpfer-System moduliert werden.
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3c zeigt ein weiteres Konzept eines erfindungsgemäßen Folienlagers, bei dem das Piezoelement 22 sich direkt am Grundkörper 24 abstützt und nicht wie bei der im 1 gezeigten Ausführungsform ausschließlich am jeweiligen Lagerschalen-Segment befestigt ist.
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3d zeigt ein weiteres Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Folienlagers, bei dem die Lagerschalen-Segmente mittels jeweils eines Scharniers 34.1, 34.2, was am freien Ende des jeweiligen Lagerschalen-Segments angeordnet ist und einer sich daran sich jeweils anschließenden Feder 36.1, 36.2 mit dem Grundkörper 24 verbunden ist.
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4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine 38 in Form eines Abgas-Turboladers, der drei erfindungsgemäße Folienlager 12.1, 12.2,12.3 aufweist sowie einen Turbinenteil 42, der mittels Abgas angetrieben wird, sowie ein Verdichterteil 44 zum Verdichten von Ladeluft.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Folienlagersystem
- 12
- Folienlager
- 14
- Welle
- 16
- Regeleinheit
- 18
- Lagerschalen-Segment
- S
- Schmiegekreis
- U
- Spannung
- Z
- Zone
- Z1
- Erstlagerschalen-Zone
- 20
- Lagerschale
- 22
- Piezoelement
- 24
- Grundkörper
- 26
- Schraube
- 28
- Kabel
- 30
- Fixierelement
- 32
- Drehfrequenz
- 34
- Scharnier
- 36
- Feder
- 38
- Strömungsmaschine
- 40
- Elektromotor
- 42
- Turbinenteil
- 44
- Verdichterteil
- B
- Biegesteifigkeit
- D
- Blechdicke
- E
- freies Ende
- f
- Drehfrequenz
- K
- Krümmung
- K1
- Erstlagerschalen-Krümmung
- K2
- Zweitlagerschalen-Krümmung
- K3
- Drittlagerschalen-Krümmung
