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Lager mit Flüssigkeitsring
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Die Erfindung betrifft eine Konstruktion von Hochleistungslagern,
die insbesondere verwendet werden für den mit sehr hohen Drehzahlen erfolgenden
Antrieb von sehr groß bemessenen Anordnungen, etwa den Rotoren von Zentrifugen oder
von mit hohen Drehzahlen arbeitenden Werkzeugmaschinenspindeln, etwa von Schleifmaschinen.
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In der Reihenfolge von zunehmenden Drehzahlen gibt es nach den Lagern
mit Reibschuhen und mit Wälzkörpern die hydrostatischen und hydrodynamischen Lager
und danach die aerostatischen und aerodynamischen Lager, bei denen das gasförmige
Tragfluid die höchsten Drehzahlen ermöglicht. Diese Drehzahlen haben jedoch ebenfalls
Grenzen infolge der durch das Grenzschichtbildung bedingten Erhitzung. Diese Erhitzung
erzeugt Dimensionsveränderungen der mechanischen Tragorgane des Gasfilms, was die
axiale und radiale Steifheit des Lagers
und die aufgenommene Leistung
beeinflußt.
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überdies bleibt diese axiale Steifheit und auch die Belastbarkeit
derartiger Lager ziemlich gering, die folglich gegenwärtig die Grenzen der Technik
auf dem Gebiet der Lager für hohe Drehzahlen und hohe Lasten kennzeichnen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Lager mit Flüssigkeitsring, das eine
weitere Hinausschiebung dieser Grenzen ermöglicht.
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Die Erfindung zeichnet sich im allgemeinen durch wenigstens eine Scheibe
aus, die einen feststehenden zentralen Auflageteil bildet, dessen äußerer Rand sich
auf wenigstens einem sich drehenden Flüssigkeitsring abstützt, der durch Zentrifugalkraft
am sich drehenden Teil des Lagers zentriert ist.
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Es ist eine Starteinrichtung vorgesehen zum Anfahren des sich drehenden
Teils und zum Sicherstellen des Einsetzens und Haltens der Flüssigkeitsringe, wobei
feststehende oder ausfahrbare herkömmliche Stützlager, z.B. Gaslager, die Zentrierung
des sich drehenden Teils während dieser Anfahrzeit gewährleisten.
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Sobald die Anfahrgeschwindigkeit ausreicht, wird die Flüssigkeit in
die Behälter des sich drehenden Teils eingeführt, worin sich Ringe bilden, die sich
mit den äußeren Rändern der entsprechenden feststehenden Scheiben ausfluchten.
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Die Zunahme der Drehzahl "verdichtet" allmählich die Flüssigkeitsringe,
die sich dann wie feste Lagerringe verhalten, die durch die Zentrifugalkraft vollkommen
zentriert sind und auf denen sich die Ränder der feststehenden Scheiben spielfrei
abstützen.
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Sobald die Drehzahl und folglich die "Verdichtung" der Flüssigkeitsringe
ausreichen, werden die dem Anfahren dienenden Stützlager z.B. dadurch ausgefahren,
daß durch eine axiale Verschiebung ihr feststehender zentraler Stator vom mit dem
sich
drehenden Teil verbundenen Rotor freigegeben wird, was dann dessen Drehzahl dadurch
erhöhen kann, daß er sich auf der einzigen Auflage seiner "Verdichteten" Flüssigkeitsringe
an deren feststehenden Scheiben dreht. Für den Fall, daß die Stützlager feststehen,
wird der im Stator ausgebildete Gaseinlaß abgesperrt und stützt sich der sich drehende
Teil auf den "verdichteten Ringen ab.
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Die axiale Steifheit und Belastbarkeit nehmen daher mit der "Verdichtung
und folglich mit der Drehzahl zu. Die Reibungen, die an der Beruhrungsfläche (die
sehr klein sein kann), zwischen dem äußeren Rand der Scheiben und dem Flüssigkeitsring
auftreten und die die Eigenschaft der BerUhrungsfläche einer Schlitzschuhkufe auf
einer vereisten Fläche haben, sind sehr gering und ermöglichen die Aufnahme von
sehr hohen Drehzahlen.
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Jenseits einer gewissen Drehzahl, die von den physikalischen Eigenschaften
der Flüssigkeit der Ringe abhängt, erzeugt die Reibung eine Erhitzung und Verdampfung
der Flüssigkeit in der Berührungszwischenfläche. Diese Berührung verändert daher
ihre Eigenschaft und hat diejenige einer Erhitzung, wobei der Flüssigkeitsring sich
dann auf einem spontan auf der Berührungsfläche gebildeten Dampffilm dreht.
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Die durch diese Verdampfung des Rings bedingten FlUssigkeitsverluste
können ausgeglichen werden durch eine ständige Flüssigkeitszufuhr z.8. ausgehend
von in den feststehenden Scheiben ausgebildeten Leitungen, die in Höhe der Flüssigkeitsringe
münden.
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Der Verschleiß der Lager wird somit ständig ausgeglichen, die dann
unbegrenzt arbeiten können. Der Vorgang des Stillsetzens erfolgt umgekehrt wie derjenige
des Anfahrens, wobei die Stützlager die Last des sich drehenden Teils aufnehmen,
sobald dessen Verzögerung ausreicht. Die FlUssigkeit der Ringe kann dann durch einen
Ablaß ausströmen, sobald die ihrem Halten dienende Zentrifugalkraft ungenügend wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Lager nach der Erfindung wird im folgenden
für eine Anwendung bei Zentrifugen mit auf gasförmige Weise arbeitender Trennung
anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt: Fig. 1 einen schematischen Schnitt
der Anordnung des zentralen Auflagestatus und des Umfangsrotors; Fig. 2 einen axialen
Schnitt in vergrößertem Maßstab eines Entlagerelements; Fig. 3 bis 6 Ausführungsvarianten
der Lager danach der Erfindung.
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Fig. 1 zeigt eine feststehende Achse 1, die hohl sein und die Speise-
und Entleerungsleitungen für zu zentrifugierende Gase aufnehmen kann, deren Kreislauf
schematisch durch die Pfeillinie F dargestellt ist. Diese Achse ist mit einer Reihe
von Scheiben 3 versehen, die an dieser Achse zentriert und zwischen Stegen 4 verteilt
sind.
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Ein Rotor 5, der seinerseits mit einem einen größeren Durchmesser
aufweisenden und nicht dargestellten Zentrifugenelement verbunden ist und in dem
der Gasstrom F verläuft, enthält eine Reihe von seitlichen kreisförmigen Wangen
6, die paarweise durch rohrförmige Stege 7 in der Weise verkeilt sind, daß sie gegenüber
jeder Scheibe 3 einen einen Flüssigkeitsring 8 aufnehmenden kreisförmigen Behälter
bilden.
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Anfalirstützlager wie sie bei 9 in ausgefahrener Stellung dargestellt
sind, bei denen jegliche Stützberührung zwischen dem feststehenden und dem sich
drehenden Teil beseitigt ist, können in geeigneter Anzahl zwischen den Lagern mit
Flüssigkeitsring angeordnet werden.
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Fig. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Endbereich des Rotors von
Fig. 1. Es sind dort die Lagerelemente zu finden, von denen die zwischen den Wangen
6 und den Stegen 7 gebildeten Flüssigkeitsringe sich auf den äußeren Konturen 10
der Scheiben
3 abstützen. Diese Konturen werden vorzugsweise durch
einen Rand mit leicht abgerundeter Kante gebildet, auf dem sich die Oberfläche des
Flüssigkeitsrings abstützt.
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Zur Abdichtung der Lager gegenüber den zu zentrifugierenden Gasen,
die durch die Leitung 2 längs der Pfeile F ankommen und bei einer bevorzugten Ausführungsform
ebenfalls aerostatische Anlauflager bilden, sind in der Achse 1 Leitungen 11 ausgebildet,
die gegenüber den Wangen 6 münden, deren innere Umfangsfläche einen Schuh bildet,
auf den die Leitungen 11 ein unter Oberdruck stehendes Gas liefern, das jeglichen
Verlust an zu behandelndem Gas verhindern. Dies dient als zusätzliche Sicherheit
für die Lager, die an ihren Berührungsflächen zwischen den Scheiben und ihren Flüssigkeitsringen
von sich aus dicht sind.
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Leitungen 12 münden am Umfang der Scheiben 3 und speisen den Flüssigkeitsring
8 des Lagers mit Flüssigkeit, und zwar entweder zur anfänglichen Bildung des Flüssigkeitsrings,
wenn die Anlaufdrehzahl genügend groß ist, oder zum Ausgleich seiner Verluste durch
Verdampfung.
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Diese Niveauregelung des Flüssigkeitsrings wird einfach und automatisch
durch Verwendung der bevorzugten Anordnung von Fig. 3 erhalten, wo der Umfang der
Scheibe 3 eine Ringnut 13 aufweist, deren äußere Kanten Auflägeränder bilden, wobei
die Leitungen 12 die Ringnut 13 durch Schwerkraft mit unter geringem Druck stehender
Flüssigkeit versorgen.
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Der in der Ringnut 13 gebildete Dampfüberdruck gleicht diesen Strömungsdruck
aus, außer wenn ein durch Erhitzen bedingter Dampfverlust diesen vermindert und
die Strömung der Flüssigkeit ermöglicht, die das Niveau automatisch wiederherstellt.
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Das Fehlen von Spiel und die volikormene Zentrierung ermöglichen eine
Verminderung der Luftspalte von elektrischen Antriebsmaschinen. Diese Lager sind
aufgrund ihrer Konstruktion von Natur aus dicht. Der beschriebene GasUberdruck durch
die
Leitungen 11 ist nur als zusätzliche Sicherheit vorhanden in
Anbetracht der Art der beschriebenen Anwendung und kann auch als aerostatische Stützlager
der beschriebenen Art dienen und somit zwei Funktionen vereinigen.
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Bei den Lagern der Bauart mit senkrechter Achse gemäß Fig. 5 ermöglicht
ein die untere Wange 6 verlängernder senkrechter Rand das Halten des Flüssigkeitsrings
an Ort und Stelle, dessen Verlagerung an seinen Verwendungsort an der senkrechten
Wand 7 sobald erfolgt wie die ausreichende Drehzahl erreicht ist. Die Leitungen
12 dienen dann nicht mehr der Erneuerung der Verluste durch Verdampfen.
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Bei der Konstruktion der Scheiben 3 mit Ringnut 13 und Speisung durch
radiale Kanäle 12 werden vorteilhaft Scheiben mit zwei Halbscheiben 3a und 3b (Fig.3)
gebildet, die längs einer am Grund der Ringnut 13 mündenden Verbindungsebene 15
miteinander verbunden sind, an der die Speiseleitungen 12 ausgebildet sind.
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Die Lager nach der Erfindung sind bei Fehlen jeglicher Präzisionsbearbeitung
wartungsfrei, verschleißfrei und von sehr billiger Konstruktion.
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Sie passen sich ganz natürlich an zahlreiche Anwendungen an, wobei
ihre Belastbarkeit durch den Auftrieb des Flüssigkeitsrings an der Scheibe geregelt
wird. Das Niveau der Flüssigkeit regelt sich automatisch in Abhängigkeit von der
Drehzahl.
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Der Druck der Flüssigkeit des Speisekreises gleicht den Auftrieb des
Flüssigkeitsrings an der Scheibe aus, wobei die Zunahme der Drehzahl und folglich
der "Dichte" der Flüssigkeit deren Rücklauf in den Speisekreis bewirkt und wobei
das eingetauchte Profil der Scheiben der Belastbarkeit des Lagers entspricht. Die
durch die Fliehkraft bedingte "Verdichtung" der Flüssigkeit macht das Lager selbstzentrierend
und selbststabilisiert.
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Die Berührungsfläche des Umfangsrands der Stützscheiben ist, so verringert
sie auch sein mag, die Quelle für nichtvernach'.ässigbare Reibungen bei hohen Drehzahlen.
Eine der Verbesserungen nach der Erfindung besteht darin, den Umfang der Scheibe
auszunehmen und die verringerten Auflagebereiche auf eine Mindestzahl, vorzugsweise
drei, zurückzuführen.
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Die Auflagebereiche werden in Form von Reibschuhen ausgeführt, die
über Gelenke an radialen Armen befestigt sind, die sie mit dem zentralen feststehenden
Teil verbinden. Diese Schuhe gleiten auf der Oberfläche der F3üss1gkeit des in Drehung
befindlichen Rings nach Art von Wassergleitschuhen oder Wasserskis, wobei die Anlenkung
die beste Auflagestellung des Schuhs auf der Flüssigkeitsoberfläche ermöglicht.
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Eine weitere Verbesserung der Erfindung besteht in einer Bedeckung
der inneren Oberfläche des sich drehenden Behälters für den Flüssigkeitsring mit
einem Netz von Hindernissen, die die Verbindung und den Drehantrieb der Flüssigkeit
sowie deren Ineinandergreifen mit dem Behälter begünstigt und eventuelle Rutschschwingungen
des Flüssigkeitsrings gegenüber seinem Behälter dämpfen,und zwar insbesondere während
der Einführungsphasen der Flüssigkeit in einen in Drehung befindlichen Behälter
oder während der den Wirbelstrom der Schuhe beeinflussenden Betriebsveränderungen.
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Das Netz von Hindernissen könnte gegebenenfalls durch ein Gitter oder
Netzwerk gebildet werden, das die Innenfläche des Behälters auskleidet. Dieses Gitter
oder Netzwerk wird gewählt zur Erhöhung seiner Durchdringungswirkung mit der Flüssigkeit
und auch zur Erhöhung seiner Bremswirkung auf die relativen Bewegungen der Flüssigkeit
und der Däupfungswirkung deren durch die Berührung der Schuhe erzeugten Kreuselwellen
oder Wogen. Diese Schuhe haben vorteilhaft eine Stromlinienform, die deren resultierenden
Wirbel strom maximal verringern.
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Das Lager nach der Erfindung ist selbstausgleichend in der Hinsicht,
daß sich der Flüssigkeitsring gegenüber sei neu Behälter in Abhängigkeit von Gletchgewichtsfehlern
dieses Behälters
sich auf natürliche Weise außerhalb seiner Mitte
bringt und somit eine durch derartige Fehler bedingte exzentrische Drehung des Behälters
ausgleicht.
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Zur Begrenzung derartiger Exzentrizitäten auf Ausmaße, die mit den
Ausgleichsmöglichkeiten des Flüssigkeitsrings vereinbar sind, ist das Lager nach
der Erfindung selbstausgleichend gemacht.
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Die Innenfläche der Flüssigkeit sowie alle isobaren Flächen der Flüssigkeit
sind an der Drehachse des Systems zentriert, da sie durch die Fliehkraft bedingt
sind.
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Die sich drehende Masse kann sich nur um ihren Schwerpunkt drehen,
da sie keinerlei starre Verbindung mit der Außenseite hat. Folglich werden die Isobaren
am Schwerpunkt zentriert und fällt aus diesem Grund die Tragachse der Schuhe mit
dem Schwerpunkt zusammen.
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Diese Folgerung findet bei Drehkörpern Anwendung, die die Form eines
Kranzes, einer Ringscheibe oder eines abgeflachten Zylinders haben.
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Im Gegensatz zu Drehkörpern mit langgestreckter Form, etwa einem langen
Rohr oder einem langgestreckten Rotor (MaschRnenspindel) - und nur für diese - muß
ein System hinzugefügt werden, das deren von Natur aus instabile Drehung zu stabilisieren
gestattet.
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Es sind verschiedene Einrichtungen möglich, wie die vorgeschlagene,
die darin besteht, die Konstruktion des Behälters durch eine an sich bekannte selbstzentrierende
Ausgle1cheSnrichtung zu ergänzen, etwa durch einen Ring mit Kugeln oder Walzen.
Diese Vorrichtung weist einen kreisförmigen Raui af, der zu der sich drehenden Konstruktion
des Behälters konzentisch und mit dieser verbunden ist, Indem sich eine gewisse
Anzahl
von Ausgleichsmassen, etwa Kugeln oder Walzen, frei verschiebt. Daraus ergibt sich.
daß, sobald der Behälter dazu neigt, sich unter der Wirkung einer Stützreaktion
auf das Lager aus seiner Stellung zu entfernen, die an der mit dem Lager und dem
Kugelring gemeinsamen geometrischen Drehmitte zentriert ist, sich die Kugeln, die
zur Beibehaltung ihrer Zentrierten Stellung neigen, sich Zu dieser eingeleiteten
Exzentrizität begeben, somit den Schwerpunkt und folglich die Achse verschieben,
um die sich der Körper drehte, um diese Drehachse an die Stelle zu führen, wo die
Kugeln keinen Grund haben, sich zu verschieben und die Exzentrizität gemäß der bei
dieser Art von Vorrichtung bekannten Selbstzentrierungskraft beseitigen.
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Diese Anordnung ist bei sehr langen Rotoren von Bedeutung, die von
einer Reihe von Lagern mit Flüssigkeitsring gelagert werden. Die Kreiselmomente,
denen diese Rotoren ausgesetzt sein können oder die zufälligen Querkräfte können
dann zu übermäßigen Exzentrizitäten an den Flüssigkeitsringen, insbesondere bei
den Endlagern, führen.
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Diese Selbstzentrierung der Lager benötigt dagegen eine gewisse radiale
Beweglichkeit und folglich eine nachgiebige Verbindung mit der Antriebseinrichtung
für die sich drehende Anordnung.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Lagers mit Flüssfgkeitsring mit diesen
Verbesserungen wird im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:
Fig. 5 einen schematischen Schnitt I-I des Lagers; Fig. 6 einen schematischen Querschnitt
II-II desselben Lagers.
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Ein zentraler feststehender Teil 1, in dem der Einfachheit wegen die
Systeme zur Speisung mit Fluiden nicht dargestellt sind, ist in Höhe des Lagers
mit wenigstens drei um 1200 versetzten Tragarmen 16 versehen, an deren Enden Stützschuhe
17 angelenkt sind. Diese Stützschuhe sind mit den Tragarmen 16
durch
ihre mechanische Anlenkung und durch eine nicht gezeigte biegsame Leitung verbunden,
die die Zuführung von Fluid an ihre Stützfläche ausgehend von Leitungen der zentralen
feststehenden Achse 1 gewährleisten.
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Die Stützfläche legt sich nach Art eines hydrodynamischen Schuhs auf
die Oberfläche des Flüssigkeitsrings 8, der bei der hier beschriebenen senkrechten
Bauart in einem kreisförmigen Behälter 6 mit einem Rand 14 enthalten ist, der die
Flüssigkeit im kreisförmigen Behälter 6 im Ruhezustand hält.
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Die Stützschuhe 17 haben vorteilhaft eine Stromlinienform, die deren
Wirbelstrombildung auf der Oberfläche 18 begrenzt.
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Die vom Flüssigkeitsring im Betrieb aufgenommenen Trägheitsbelastungen
werden durch ein Netz aus Hindernissen, etwa einem gewellten Gitter 19, gedämpft,
das am Boden des Behälters 6 angeordnet ist. Der Behälter 6 weist einen geschlossenen
kreisförmigen Raum auf, der rollende Gleichgewichtsmassen 21 enthält, die sich hier
frei bewegen können und eine Selbstzentrierungsvorrichtung nach Art eines an sich
bekannten Kugel rings bilden. Der ganze so gebildete Behälter 6 wird an einen Rotor
5 angebaut, der in Richtung des Pfeils R in Anlage auf den Stützschuhen 17 mit hoher
Drehzahl angetrieben wird.
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Im Betrieb gelangt der Flüssigkeitsring 8 zusammen mit der sich drehenden
Anordnung 5, 6, 19, 20, 21, mit der er sich fest verbindet, in Anlage auf die Stützschuhe
17, die Arme 16 und die feststehende Welle 1.
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Die Drehantriebseinrichtung des sich drehenden Teils enthält an der
Kupplung eine radiale Dämpfung zur Erleichterung der Selbstzentrierung und des Ausgleichs
der Lager, wodurch die Obertragung von Schwingungen begrenzt wird.