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Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 15.
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Gleitlager unterliegen keinem nennenswerten Verschleiß, wenn sie mit einem ausreichend mit Schmierstoff gefüllten Lagerspalt betrieben werden. In dem Lagerspalt liegt dann Flüssigkeits-Reibung vor. Bei Mangelschmierung allerdings kann es zu Misch- oder sogar Trocken-Reibung kommen. Dann besteht die Gefahr, dass das Gleitlager vorzeitig verschleißt oder so stark beschädigt wird, dass es unmittelbar ausfällt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Betriebssicherheit eines Gleitlagers zu verbessern. Ziel ist es, die Schmierfilmdicke bzw. einen Zustand zu erkennen, in dem der Schmierfilm nicht mehr ausreichend stark ist, um dann entsprechende Gegenmaßnahmen einleiten zu können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 15. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Anordnung umfasst mindestens ein Gleitlager - ein Axial- oder Radialgleitlager - und mindestens einen Sensor. Das Gleitlager ist mit Öl oder Fett geschmiert. Insbesondere kann es sich um ein hydrodynamisches oder hydrostatisches Gleitlager handeln.
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Das Gleitlager weist eine erste Gleitfläche und eine zweite Gleitfläche auf, die relativ zueinander um eine Drehachse des Gleitlagers verdrehbar sind und einen mit Fett oder Öl gefüllten Spalt - einen Lagerspalt - bilden. Der Lagerspalt verläuft zwischen der ersten Gleitfläche und der zweiten Gleitfläche.
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Eine Drehung des Geleitlagers geht mit einer Drehung der ersten Gleitfläche und der zweiten Gleitfläche relativ zueinander einher. Die Drehung der Gleitflächen erfolgt entlang des Lagerspalts.
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Über den Lagerspalt können zudem Lagerkräfte von der ersten Gleitfläche in die zweite Gleitfläche und von der zweiten Gleitfläche in die erste Gleitfläche eingeleitet werden. Handelt es sich um ein Axiallager, verlaufen diese Kräfte axial, das heißt parallel zu der Drehachse. Bei einem Radiallager verlaufen die Kräfte entsprechend radial, das heißt orthogonal zu der Drehachse.
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Bei einem herkömmlichen Gleitlager werden die Gleitflächen durch jeweils einen Lagerring gebildet. Der Lagerring kann als separates Bauteil ausgeführt sein oder einstückig in ein weiteres Bauteil, etwa ein Planetenrad, integriert sein. Auch kann das Gleitlager eine Schwimmbuchse aufweisen. Hierbei handelt es sich um eine bevorzugt hohlzylindrische Buchse, die frei drehbar zwischen den Lagerringen angeordnet ist. Die Buchse bildet zwei Gleitflächen aus, bei denen es sich um die oben genannte erste oder zweite Gleitfläche handeln kann.
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Die erste Gleitfläche weist erfindungsgemäß ein erstes Wellenprofil auf. Ein Wellenprofil ist eine Gestaltabweichung zweiter Ordnung. Diese ist in der Norm DIN 4760 definiert als eine periodische Gestaltabweichung mit Wellenlängen, die größer sind als die Rillenabstände der Oberflächenrauheit.
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Das erste Wellenprofil ist ausgebildet, bei Drehung des Gleitlagers bzw. bei Drehung der ersten Gleitfläche und der zweiten Gleitfläche relativ zueinander Schwingungen anzuregen. Die Anregung der Schwingungen ist abhängig vom Betriebszustand des Gleitlagers. Im Normalbetrieb, das heißt wenn der Lagerspalt zwischen der ersten Gleitfläche und der zweiten Gleitfläche ausreichend mit Schmierstoff gefüllt ist und eine Mindestdicke nicht unterschreitet, werden die Schwingungen nicht oder in zu vernachlässigender Intensität angeregt. Je schmaler der Lagerspalt an seiner schmalsten Stelle jedoch ist, desto weniger Schmierstoff befindet sich zwischen der zweiten Gleitfläche und dem ersten Wellenprofil. Mit abnehmender Spaltdicke kommt es verstärkt zu einer Anregung der Schwingungen. Starke Schwingungen werden insbesondere bei Mischreibung angeregt. Anhand der Intensität der Schwingungen lassen sich daher Rückschlüsse auf die Spaltdicke ziehen.
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Der Sensor ist ausgebildet, die Schwingungen zu erfassen und so die beschriebene Auswertung zu ermöglichen. Bei den Schwingungen handelt es sich am Ort ihrer Entstehung zunächst um Körperschall. Durch den Körperschall wird auch Luftschall angeregt. Entsprechend ist der Sensor ausgebildet, den Körperschall und/oder den Luftschall zu erfassen.
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Die Eignung eines Wellenprofils, Schwingungen anzuregen, ist insbesondere von der Stärke der Ausprägung des Wellenprofils abhängig. Je ausgeprägter das Wellenprofil, desto stärker erfolgt die Anregung der Schwingungen. Die Ausprägung des Wellenprofils betrifft dessen Dimensionierung. Dazu zählen insbesondere Wellenlänge und Amplitude, auch Wellentiefe genannt, des Wellenprofils.
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Im Normalbetrieb ist die Anregung von Schwingungen nicht erwünscht. Weiterbildungsgemäß ist das erste Wellenprofil daher derart dimensioniert, dass es nur bei Mangelschmierung des Gleitlagers zur Anregung der Schwingungen kommt.
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Einerseits muss das erste Wellenprofil so stark ausgeprägt sein, dass der erfindungsgemäße Effekt, das heißt die Anregung von Schwingungen bei Mangelschmierung, eintritt. Andererseits darf das erste Wellenprofil weiterbildungsgemäß nicht noch stärker dimensioniert sein. Dies würde dazu führen, dass die Schwingungen den Normalbetrieb stören.
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In einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung ist das erste Wellenprofil in Laufrichtung des Gleitlagers ausgebildet. Dies bedeutet, dass das erste Wellenprofil in Richtung einer Bewegung der zweiten Gleitfläche relativ zu der ersten Gleitfläche bei Drehung des Gleitlagers ausgebildet ist.
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Im Falle eines Radialgleitlagers ist das erste Wellenprofil also in mindestens einem Querschnitt, das heißt einem Schnitt orthogonal zu der Drehachse, vorhanden. Handelt es sich um ein Axiallager, ist das erste Wellenprofil in mindestens einem Schnitt eines geraden, axial ausgerichteten Kreiszylinders vorhanden.
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Bevorzugt ist die Anordnung derart weitergebildet, dass das erste Wellenprofil ausschließlich in Laufrichtung des Gleitlagers ausgebildet ist. Orthogonal zur Laufrichtung ist das erste Wellenprofil also nicht vorhanden.
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Im Falle eines Radialgleitlagers ist das erste Wellenprofil in keinem Querschnitt, das heißt in keinem Schnitt, der die Drehachse vollständig enthält, vorhanden. Handelt es sich um ein Axialgleitlager, ist das erste Wellenprofil in keinem Schnitt eines geraden, axial ausgerichteten Kreiszylinders vorhanden. Ist das erste Wellenprofil nicht vorhanden, verbleibt lediglich die übliche, fertigungsbedingte Rauheit der ersten Gleitfläche.
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Bevorzugt ist das erste Wellenprofil derart weitergebildet, dass es die Drehachse vollständig umschließt. Dies impliziert, dass das erste Wellenprofil in sich geschlossen ist und in einem Winkel von 360° um die Drehachse herum verläuft.
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Die Wellenlänge des ersten Wellenprofils ist in einer bevorzugten Weiterbildung mindestens zehnmal so groß, weiterhin bevorzugt mindestens fünfzehn- oder zwanzigmal so groß wie dessen Wellentiefe. Besonders bevorzugt wird eine Wellenlänge, die genau fünfundzwanzigmal so groß ist wie die Wellentiefe.
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In einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung ist die Wellenlänge des ersten Wellenprofils höchstens fünfzigmal so groß, weiterhin bevorzugt höchstens vierzigmal oder höchstens dreißigmal so groß wie die Wellenlänge.
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Der Absolutwert der Wellentiefe beträgt in einer bevorzugten Weiterbildung mindestens 50 µm, weiterhin bevorzugt mindestens 100 µm oder mindestens 150 µm. Vorzugsweise beträgt die Wellentiefe nicht mehr als 0,3 mm. Besonders bevorzugt wird eine Wellentiefe von 0,2 mm.
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Bevorzugt ist das erste Wellenprofil darüber hinaus derart ausgestaltet, dass dessen Wellenlänge mindestens 1,25 mm, besonders bevorzugt mindestens 1 mm oder mindestens 2 mm beträgt. Bevorzugt beträgt die Wellenlänge zudem nicht mehr als 6 mm. Besonders bevorzugt wird eine Wellenlänge von 5 mm.
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Das erste Wellenprofil überzieht die erste Gleitfläche in einer bevorzugten Weiterbildung nur zu einem Teil, sodass ein weiterer Teil der ersten Gleitfläche kein Wellenprofil aufweist. Eine Welligkeit der ersten Gleitfläche ist also in dem weiteren Teil durchgängig geringer ausgeprägt. Die Maßabweichung der ersten Gleitfläche in dem weiteren Teil ist ausschließlich fertigungsbedingt.
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Das erste Wellenprofil und der Teil der ersten Gleitfläche, die keine Wellenprofil aufweist, sind im Falle eines Radialgleitlagers bevorzugt durch eine radial, das heißt orthogonal zu der Drehachse verlaufende Ebene voneinander getrennt. Im Falle eines Axialgleitlagers erfolgt die Trennung bevorzugt durch einen geraden, axial ausgerichteten Kreiszylinder.
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Bevorzugt ist die Anordnung mit einem oder mehreren Mitteln weitergebildet, die das Gleitlager mit einer Kraft beaufschlagen. Bei den Mitteln kann es sich um Komponenten handeln, die mittels des Gleitlagers gelagert sind. Die Kraft verläuft im Falle eines Radialgleitlagers radial, im Falle eines Axialgleitlagers axial. Dort, wo die Kraft auf das Lager einwirkt, bildet sich eine belastete Zone aus. In der belasteten Zone sind die Gleitflächen mit einem erhöhten Druck beaufschlagt.
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Die erste Gleitfläche ist weiterbildungsgemäß relativ zu den Mitteln, die das Gleitlager mit der Kraft beaufschlagen, verdrehbar. Dies impliziert, dass die erste Gleitfläche auch relativ zu der Kraft und zu der belasteten Zone verdrehbar ist. Infolgedessen durchläuft das erste Wellenprofil bei einer Drehung des Gleitlagers die belastete Zone. Dies führt zur Anregung der Schwingungen.
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Die zweite Gleitfläche ist vorzugsweise relativ zu den Mitteln und damit auch relativ zu der Kraft und zu der belasteten Zone drehfest.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist ein Magnet vorgesehen, der auf einer dem ersten Wellenprofil gegenüberliegenden Seite des Lagerspalts angeordnet ist. Der Lagerspalt verläuft dann zwischen dem Magneten und dem ersten Wellenprofil. Vorzugsweise ist der Magnet in der belasteten Zone angeordnet.
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Kommt es zu einer Mangelschmierung, verringert sich der Abstand zwischen dem Magneten und dem ersten Wellenprofil. Enthält das erste Wellenprofil weiterbildungsgemäß magnetisches oder magnetisierbares Material, kommt es durch die Kraft, die der Magnet auf das sich relativ zu dem Magneten bewegende erste Wellenprofil ausübt, zu Schwingungen. Je kleiner der Abstand zwischen dem Magneten und dem ersten Wellenprofil, desto stärker sind diese Schwingungen.
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In einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung weist das Gleitlager ein zweites Wellenprofil auf. Insbesondere kann die erste Gleitfläche nicht nur das erste Wellenprofil, sondern auch das zweite Wellenprofil aufweisen. Analog zu dem ersten Wellenprofil ist das zweite Wellenprofil ausgebildet, bei Drehung des Gleitlagers Schwingungen anzuregen. Auch diese Schwingungen werden von dem Sensor erfasst.
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Bevorzugt unterscheidet sich die Struktur des zweiten Wellenprofils von der Struktur des ersten Wellenprofils. Insbesondere die Wellenlängen und/oder Wellentiefen der beiden Wellenprofile können sich unterscheiden. Dadurch unterscheiden sich auch die angeregten Schwingungen. Anhand der von dem Sensor erfassten Schwingungen lässt sich daher feststellen, an welcher Stelle es zu Mangelschmierung gekommen ist.
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Wie das erste Wellenprofil ist auch das zweite Wellenprofil bevorzugt derart dimensioniert, dass es nur bei Mangelschmierung zur Anregung der Schwingungen kommt. Weiterhin wird ein zweites Wellenprofil, das in Laufrichtung des Gleitlagers bzw. ausschließlich in Laufrichtung des Gleitlagers ausgebildet ist. Bevorzugt verläuft das zweite Wellenprofil vollständig um die Drehachse des Gleitlagers herum. Der Teil der ersten Gleitfläche, der das erste Wellenprofil nicht aufweist, weist bevorzugt ebenso das zweite Wellenprofil nicht auf. Dieser Teil verläuft vorzugsweise durchgehend zwischen dem ersten Wellenprofil und dem zweiten Wellenprofil. Der genannte Teil der Gleitfläche trennt also das erste Wellenprofil und das zweite Wellenprofil vollständig voneinander.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist ein weiteres Gleitlager mit einer Gleitfläche vorgesehen, die ein zweites Wellenprofil aufweist. Das zweite Wellenprofil ist ausgebildet, bei Drehung des weiteren Gleitlagers Schwingungen anzuregen. Diese Schwingungen werden wie auch die Schwingungen des ersten Wellenprofils von dem Sensor erfasst.
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Die Struktur des zweiten Wellenprofils unterscheidet sich bevorzugt von der des ersten Wellenprofils. Insbesondere hinsichtlich Wellenlänge und/oder Wellentiefe können sich das erste Wellenprofil und das zweite Wellenprofil unterscheiden Infolgedessen unterscheiden sich auch die von dem zweiten Wellenprofil angeregten Schwingungen von den von dem ersten Wellenprofil angeregten Schwingungen. Dies macht die Ursache der Schwingungen unterscheidbar. Es lässt sich also feststellen, ob die Schwingungen von dem ersten Wellenprofil oder dem zweiten Wellenprofil verursacht wurden. Auf diese Weise lässt sich eine Aussage darüber treffen, in welchem der beiden Gleitlager es zu Mangelschmierung gekommen ist.
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Auch das zweite Wellenprofil des weiteren Gleitlagers ist bevorzugt derart dimensioniert, dass es nur bei Mangelschmierung des weiteren Gleitlagers zur Anregung der Schwingung kommt. Bevorzugt ist das zweite Wellenprofil in Laufrichtung bzw. ausschließlich in Laufrichtung des weiteren Gleitlagers ausgebildet. Es verläuft vorzugsweise vollständig um eine Drehachse des weiteren Gleitlagers herum. Ein Teil der Gleitfläche des weiteren Gleitlagers weist bevorzugt das zweite Wellenprofil nicht auf. Ebenso sind bevorzugt ein oder mehrere Mittel vorgesehen, die das weitere Gleitlager mit einer Kraft beaufschlagen. Die Gleitfläche, die das zweite Wellenprofil aufweist, ist vorzugsweise relativ zu diesen Mitteln verdrehbar. Darüber hinaus ist bevorzugt ein Magnet vorgesehen, der auf einer dem zweiten Wellenprofil gegenüberliegenden Seite eines Lagerspalts des weiteren Gleitlagers angeordnet ist, wobei das zweite Wellenprofil aus einem magnetischen Material besteht.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient der Überwachung des Lagerspalts des Gleitlagers der oben beschriebenen Anordnung. Überschreitet die Intensität der von dem Sensor erfassten Schwingungen einen Schwellwert, wird ein Warnsignal generiert. Dieses Signal ist ein Indikator für eine Mangelschmierung des Gleitlagers.
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Als Maß für die Intensität der Schwingungen kann deren Amplitude herangezogen werden. In diesem Fall wird das Warnsignal generiert, wenn die Amplitude der von dem Sensor erfassten Schwingungen einen Schwellwert überschreitet.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Übereinstimmende Bezugsziffern kennzeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale. Im Einzelnen zeigt:
- 1 ein Diagramm der Schwingungsanregung in Abhängigkeit eines Lagerspalts;
- 2 ein Gleitlager des Planetenrads;
- 3 ein gleitgelagertes Planetenrad mit Wellenprofil und Magnet;
- 4 ein gleitgelagertes Planetenrad mit Schwimmbuchse und Wellenprofil;
- 5 ein gleitgelagertes Planetenrad mit Schwimmbuchse, Wellenprofil und Magneten;
- 6 eine gleitgelagerte Welle mit Wellenprofil;
- 7 eine gleitgelagerte Welle mit Wellenprofil und Magnet;
- 8 eine gleitgelagerte Welle mit Schwimmbuchse und Wellenprofil; und
- 9 eine gleitgelagerte Welle mit Wellenprofil, Schwimmbuchse und Magneten.
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In 1 ist die Intensität 101 einer Schwingungsanregung in Abhängigkeit der Breite 103 eines Lagerspalts an seiner schmalsten Stelle aufgetragen. Die Intensität 101 der Schwingungsanregung nimmt mit schwindender Breite 103 des Lagerspalts zu. Am größten wird die Intensität 101 der Schwingungsanregung, wenn es zu Festkörperreibung kommt, die Breite 103 des Lagerspalts also null wird.
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Zwischen der Intensität 101 der Schwingungsanregung und der Breite 103 des Lagerspalts besteht ein umkehrbar eindeutiger Zusammenhang. Daher lässt sich anhand der Intensität 101 Schwingungsanregung auf die Breite 103 des Lagerspalts schließen.
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Der in 1 dargestellte Verlauf der Intensität 101 der Schwingungsanregung lässt sich mittels der in den 2 bis 9 dargestellten Lager realisieren.
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Die in den 2 bis 5 dargestellten Lager dienen der Lagerung eines Planetenrads 201 auf einem Planetenbolzen 203. In einer belasteten Zone 205 wirken Kräfte aus der Verzahnung des Planetenrads 201 auf den Planetenbolzen 203. Entsprechend ist die Dicke eines zwischen dem Planetenrad 201 und dem Planetenbolzen 203 verlaufenden Lagerspalts 207 hier verringert.
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Eine Gleitfläche des Planetenrads 201 ist mit einem Wellenprofil 209 versehen. Durch die in der belasteten Zone 205 verringerte Breite des Lagerspalts 207 erzeugt das Wellenprofil Schall. Anhand dessen Intensität 101 lässt sich, wie oben beschrieben, die Breite 103 des Lagerspalts 207 in der belasteten Zone 205 ermitteln.
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Gemäß 3 ist der Planetenbolzen 203 mit einem Magneten 301 versehen. Der Magnet 301 ist in unmittelbarer Nähe der belasteten Zone 205 angeordnet und unterstützt die Generierung des Schalls.
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Ein entsprechendes Lager mit einer Schwimmbuchse 401 ist in 4 dargestellt. Die Schwimmbuchse 401 rotiert mit etwa der halben Geschwindigkeit des Planetenrads 201. Einerseits dreht sich also das Planetenrad 201 relativ zu der Schwimmbuchse 401, andererseits erfolgt eine Drehung der Schwimmbuchse 401 relativ zu dem Planetenbolzen 203. Daher sind sowohl das Planetenrad 201 als auch die Schwimmbuchse 401 an ihren inneren Gleitflächen mit einem Wellenprofil 209, 403 versehen.
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Auch bei einem Gleitlager mit Schwimmbuchse 401 können Magneten verwendet werden, um die Generierung des Schalls zu unterstützen. Eine entsprechende Anordnung ist in 5 dargestellt. Der Planetenbolzen 203 weist hier analog zu 3 den Magneten 301 auf. Darüber hinaus kann die Schwimmbuchse 401 mit einem weiteren Magneten 501 versehen sein.
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Die 6 bis 9 zeigen eine drehende Welle 601. Diese ist in einer drehfest angeordneten Lagerschale 603 gelagert. Zwischen der Lagerschale 603 und der Welle 601 verläuft ein Lagerspalt 605. In einer belasteten Zone 607 ist die Breite des Lagerspalts 605 verringert.
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Gemäß den 6 bis 9 dreht sich die Welle 601 relativ zu der belasteten Zone 607. Daher weist die Welle 601 ein Wellenprofil 609 auf. Bei Mangelschmierung erzeugt das Wellenprofil 609 in der belasteten Zone 607 Schall. Dessen Intensität 101 in Abhängigkeit der Breite 103 des Lagerspalts 605 in der belasteten Zone 607 ergibt sich aus 1.
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Auch hier lässt sich, wie in 7 dargestellt, mittels eines Magneten 701 die Generierung des Schalls unterstützen. Da die Lagerschale 603 relativ zu der belasteten Zone 607 drehfest ist, ist der Magnet 701 in unmittelbarer Nähe der belasteten Zone 607 in die Lagerschale 603 eingelassen.
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8 zeigt eine entsprechende Anordnung mit einer Schwimmbuchse 801. Neben der Welle 601 weist auch die Schwimmbuchse 801 ein Wellenprofil 803 auf.
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Um die Generierung des Schalls zu unterstützen, ist die Lagerschale 603 gemäß 9 mit dem Magneten 701 versehen. Zusätzlich kann auch die Schwimmbuchse 801 einen Magneten 901 aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Intensität einer Schwingungsanregung
- 103
- Breite eines Lagerspalts
- 201
- Planetenrad
- 203
- Planetenbolzen
- 205
- belastete Zone
- 207
- Lagerspalt
- 209
- Wellenprofil
- 301
- Magnet
- 401
- Schwimmbuchse
- 403
- Wellenprofil
- 501
- Magnet
- 601
- Welle
- 603
- Lagerschale
- 605
- Lagerspalt
- 607
- belastete Zone
- 609
- Wellenprofil
- 701
- Magnet
- 801
- Schwimmbuchse
- 803
- Wellenprofil
- 901
- Magnet
