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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Hauptlager, Kurbelzapfenlager
oder Lager für
ein bewegliches Querhaupt für
einen Kolbenmotor. Die Erfindung bezieht sich auch auf Verfahren
zum Herstellen von Schalen für
ein Hauptlager, Kurbelzapfenlager oder Lager für ein bewegliches Querhaupt
für einen
Kolbenmotor.
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Hintergrundtechnik
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Herkömmliche
Lager dieser Art werden so bearbeitet, dass sie eine kreisförmige zylindrische Lagerfläche aufweisen,
indem zum Beispiel eine feine Bohrung genutzt wird. Diese Arten
von Lager umfassen eine obere Schale und eine untere Schale, die eine
Lagerfläche
definieren, um einen entsprechenden Lagerzapfen abzustützen. Die
hydrodynamischen Effekte der Drehbewegung des Zapfens erzeugen einen
Druck, der in einem Ölfilm
zwischen der Lagerfläche
und dem Zapfen mit einem Druck aufgebaut werden soll, der den Zapfen
von der Lagerfläche
abhebt. Bekanntlich können
jedoch die Zapfen einer Kurbelwelle eines Kolbenmotors im Betrieb
keine perfekte Ausrichtung mit der Lagerachse des Hauptlagers, Kurbelzapfenlagers
oder Lagers für ein
bewegliches Querhaupt aufrechterhalten. Eine Biegung und Torsion
der Kurbelwelle kann eine Fehlausrichtung zwischen der Zapfenachse
und der Lagerachse bewirken, die während jedes Motorzyklus variiert.
Die Fehlausrichtung kann zu hohen Randdrücken führen, die Ermüdungsrisse
im Lagermaterial hervorrufen. Hohe Randdrücke hängen auch mit einer geringen Ölfilmdicke
zusammen. Ein weiteres Problem bei hohen Drücken im Ölfilm, das bei diesen Arten
von Lagern üblich
ist, bezieht sich nicht auf eine Fehlausrichtung, sondern bezieht
sich auf das Profil des Ölfilmdrucks
in einer Richtung entlang der Hauptlagerachse.
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Es
wurden modifizierte Lagerflächen
der Lagerschalen vorgeschlagen, um hohe Randdrücke, die durch Fehlausrichtung
hervorgerufen werden, zu reduzieren. DK-U-9600132 offenbart ein
Verfahren, um reduzierte Randdrücke
zu erhalten, indem zumindest die Lagerfläche nahe den Lagerrändern so
bearbeitet wird, dass sie in einer Richtung entlang der Hauptachse
des Lagers konturiert wird, um Platz für eine Fehljustierung des Zapfens
bezüglich
des Lagers zu bieten. Eine Bearbeitung dieser Art von Kontur in
der Lagerfläche
der Schalen ist jedoch verhältnismäßig teuer,
und spezielle Geräte
sind erforderlich, um die konturierte Form in Lagerflächenqualität zu erzeugen.
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Ein
anderes Verfahren, um reduzierte Randdrücke zu erhalten, das in DK-U-9600132 präsentiert wird,
besteht darin, Schalenmaterial von der Außenfläche der Schale in den Flächen bzw.
Bereichen nahe den vorderen und/oder hinteren Rand der Schale zu
entfernen. Diese Bereiche der Schale sind folglich weniger steif,
da sie nicht durch das Lagergehäuse
abgestützt
werden und sich vermutlich durch den durch den fehlausgerichteten
Zapfen angewandten Druck dynamisch verformen. Es wurde jedoch gezeigt,
dass unter bestimmten Umständen
die Randdrücke
hoch sind, aber nur auf einer sehr kleinen Fläche bzw. einem sehr kleinen
Bereich wirken, so dass die auf den Randbereich ausgeübte Kraft (das
Produkt des Drucks und der Fläche)
nicht ausreicht, um die Schale zu verformen. Unter diesen Umständen wird
der sich ergebende Randdruck hoch genug sein, so dass das Lager
voraussichtlich vor dem Ablauf seiner erwarteten Lebensdauer beschädigt wird.
Selbst wenn die auf den Randbereich ausgeübte Kraft groß genug
ist, um die Schale zu verformen, kann die dynamische Verformung
des Randbereichs bei jedem Motorzyklus zur Ermüdung im Schalenmaterial führen.
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Offenbarung
der Erfindung
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Vor
diesem Hintergrund ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Schale zu schaffen, die das oben erwähnte Problem überwindet.
Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch
1 gelöst,
indem zumindest eine geschwächte
Fläche
bzw. ein geschwächter
Bereich in der Schale erzeugt wird, der unter der tangentialen Last,
die durch Anziehen des Lagergehäusekopfes
erzeugt wird, eine Verformung der Schale bewirkt.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Lager
der Art zu schaffen, worauf anfangs verwiesen wurde, welches das
oben erwähnte
Problem überwindet.
Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch
2 gelöst,
indem zumindest ein geschwächter
Bereich in der Schale erzeugt wird, der unter der durch Anziehen
des Lagergehäusekopfes erzeugten
tangentialen Last eine Verformung der Schale bewirkt.
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Die
Verformung erzeugt eine Vertiefung in der Lagerfläche der
Schale. Die Vertiefung reduziert lokal den Ölfilmdruck und/oder erhöht die Ölfilmdicke.
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Die
Fläche
bzw. der Bereich mit reduzierter Wanddicke gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
wird gebildet, indem Schalenmaterial von der Außenfläche der Schale entfernt wird.
Vorteilhafterweise wird eine Ausnehmung in der Außenfläche der Schale
erzeugt. Der Bereich mit reduzierter Wanddicke befindet sich gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
in denjenigen Bereichen, wo bei Fehlausrichtung der Lagerwelle des
Zapfens hohe Ölfilmdrücke eher
auftreten, nämlich
am vorderen und/oder hinteren Rand der Schale. Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
kann das Lager ferner mit einem Bereich mit reduzierter Wanddicke
versehen werden, der in einem zentralen Teil der Schale liegt, um
Spitzendrücke
des Ölfilms
in diesen Bereichen zu reduzieren. Um die Herstellung der Ausnehmungen
mit einem Fräser
und Schneider zu erleichtern, sind die Ausnehmungen vorzugsweise
oval oder elliptisch geformt. Alternativ dazu kann die Form der
Ausnehmungen ein Trapez mit abgerundeten Ecken sein.
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Der
Bereich mit reduzierter Wanddicke wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
gebildet, indem Schalenmaterial von der Außenfläche der Schale entfernt wird.
Vorteilhafterweise wird eine Ausnehmung in der Außenfläche der
Schale erzeugt. Der Bereich mit reduzierter Wanddicke befindet sich gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
in denjenigen Bereichen, wo bei Fehlausrichtung der Lagerwelle eines
Zapfens hohe Ölfilmdrücke eher
auftreten, nämlich
an dem vorderen und/oder hinteren Rand der Schale. Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
kann das Lager ferner mit einem Bereich mit reduzierter Wanddicke
versehen werden, der in einen zentralen Teil der Schale liegt, um
Spitzendrücke
des Ölfilms
in diesen Bereichen zu reduzieren. Um die Herstellung mit einem
Fräser,
einem Schneider oder einem Schleifer zu erleichtern, sind die Ausnehmungen
vorzugsweise trapezförmig, oval
oder elliptisch geformt.
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Weitere
Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Eigenschaften des Lagers, der Schale
und Fertigungsverfahren gemäß der Erfindung
werden aus der detaillierten Beschreibung ersichtlich werden.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Im
folgenden detaillierten Teil der vorliegenden Beschreibung wird
die Erfindung unter Bezugnahme auf die beispielhaften Ausführungsformen
detaillierter erläutert,
die in den Zeichnungen dargestellt sind, in welchen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Lagers ist;
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2a eine
ausgerollte graphische Darstellung des Ölfilmdrucks und der Verteilung
zeigt, wie sie durch Verwenden eines Finite-Element-Verfahrens bestimmt
werden,
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2b eine
graphische Darstellung der Ölfilmdicke
zeigt, wie sie durch Verwenden eines Finite-Element-Verfahrens bestimmt
wird,
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2c die
Verteilung des Ölfilmdrucks
entlang der Hauptachse des Lagers zeigt, wenn das Lager ausgerichtet
ist,
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3a eine
perspektivische schematische Ansicht einer Schale mit einer lokal
reduzierten Wanddicke ist,
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3b eine
Ansicht der Schale, die in 3a gezeigt
ist, unter einem anderen Winkel ist,
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4 die
Schalen der 3a und 3b im Lager
montiert mit einer ausgeschnittenen Detailansicht der Verformung
zeigt,
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5 eine
Schale gemäß einer
weiteren Ausführungsform
zeigt; und
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6 die
Schalen von 5 in einem Lager montiert zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung
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In
der folgenden detaillierten Beschreibung wird die Erfindung durch
die bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben. Unter Bezugnahme auf 1 ist das
Lager 1 von der Art, die zur Verwendung als ein Hauptlager,
ein Kurbelzapfenlager oder ein Lager für ein Querhaupt eines Kolbenmotors
wie zum Beispiel eines Otto- oder Dieselmotors geeignet ist. Das
Lager ist besondere geeignet für
Viertaktdieselmotoren mit mittlerer Drehzahl oder Zweitaktdieselmotoren
mit langsamer Drehzahl, die als Antriebsmaschinen in Schiffen oder
in stationären
Kraftwerken wie zum Beispiel Dieselmotoren mit Längsspülung und Querhaupt verwendet
werden können,
die in den großen
Ausführungen
eine Leistungsabgabe pro Zylinder im Bereich von 350 bis 6700 kW
aufweisen.
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Das
Lager umfasst eine obere und eine untere Schale. Die Ausdrücke "obere" und "untere", wie sie hierin
verwendet werden, sollen jedoch nicht die Verwendung der Schalen
auf eine bestimmte Position bezüglich
des Schwerefeldes beschränken,
sondern werden nur verwendet, um jeder der Schalen einen separaten
Namen zu geben.
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Eine
im Wesentlichen kreisförmige
zylindrische Lagerfläche 20 des
Lagers wird durch die Innenflächen
von zwei Schalen 3, 4 gebildet, die an zwei Teilungsflächen 5, 6 aneinanderstoßen. Die Schalen 3, 4 bestehen
aus Stahlträgermaterial,
auf dessen Innenseite Lagermaterial abgeschieden wurde. In der Zeichnung
ist der Übergang
zwischen dem tragenden Material und dem Lagermaterial nicht dargestellt;
es sollte sich jedoch verstehen, dass die beiden Lagermaterialien
wie eine Einheit zusammenhängen.
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Falls
eine Zinn-Aluminium-Legierung als Lagermaterial verwendet wird,
kann es durch Walzen abgeschieden werden, und falls das Lagermaterial Weißmetall
oder Bleibronze ist, kann es durch Schleuderguss auf das tragende
Material gegossen werden. Die Schalen 3, 4 haben
einen vorderen Rand 17 und einen hinteren Rand 18.
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In
dieser Ausführungsform
sind die Schalen 3, 4 vom sogenannten "dicken" Typ, was ein Lager meint,
bei dem die Dicke der Schale mehr als 4,5 Prozent des Durchmessers
der Welle 40 beträgt,
die durch das Lager 1 abgestützt werden soll. Die Schalen 3, 4 im
Lager mit dicken Schalen sind ausreichend dick und somit unbiegsam,
um die Lagerfläche 20 gegen
die auftretenden dynamischen Einflüsse abzustützen, selbst wenn auch die
Schalen 3, 4 über das
Lagergehäuse
hinaus vorragen oder die Schalen 3 und 4 nicht
durch das Lagergehäuse
entlang ihrem gesamten Umfang ihrer Außenfläche 14 abgestützt sind.
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Ein
unterer Lagergehäuseteil 9 ist
direkt in die (nicht dargestellte) Motorgrundplatte geformt, und die
untere Schale 4 ist direkt in die Lagerbohrung der Grundplatte
platziert. Ein oberer Lagergehäuseteil 11 wird
in Richtung auf die (nicht dargestellte) Grundplatte mit Hilfe von
Lagerstiftschrauben 12 angezogen, die Bolzen oder Gewindestangen
mit Muttern sein können.
Die unteren Enden der Lagerstiftschrauben 12 werden auf
die aufwärts
gerichteten Wegelöcher
in der Grundplatte geschraubt, und die Lagerstiftschrauben erzeugen
eine Haltekraft, die ausreichend groß ist, um die Schalen 3, 4 auf
den gewünschten
Pegel vorzuspannen. Der radiale Druck wird geliefert, indem der
obere Lagergehäuseteil 11 mit
Hilfe der Lagerstiftschrauben 12 auf die (nicht dargestellte)
Grundplatte so angezogen wird, dass die obere Schale 3 über die
zugeordneten Teilungsflächen 5, 6 nach
unten auf die untere Schale 4 gedrückt wird, was eine tangentiale
Last auf die Schalen 3, 4 erzeugt.
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Ein
Zapfen oder eine Welle 40 rotiert in dem hauptsächlich kreisförmigen zylindrischen
Raum, der durch die beiden Schalen 3, 4 gebildet
wird. Ein Ölfilm
zwischen der Lagerfläche 20 und
der Zapfenfläche
trägt den
Zapfen 40 und verhindert im Wesentlichen jeglichen direkten
Kontakt zwischen der Zapfenoberfläche und der Innenfläche der
Schalen 3, 4 und sorgt für Schmierung.
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2a ist
eine graphische Darstellung, die die Größe und Verteilung des Ölfilmdrucks
zeigt, wie er mit einem Finite-Element-Verfahren für eine Schale 3, 4 mit
einer kreisförmigen
zylindrischen Lagerfläche 20 berechnet
wurde. Alternativ dazu kann jedes andere geeignete numerische Verfahren
verwendet werden. In 2a wurde nur zu Veranschaulichungszwecken
die kreisförmige
Lageroberfläche ausgerollt,
um eine flache Oberfläche
zu schaffen. Für
die Berechnungen mit dem sogenannten Finite-Element-Verfahren wurde die
Lagerlast so gewählt,
dass sie der maximalen Lastbedingung des laufenden Motors entspricht.
Die Biegung und Torsion der Kurbelwelle und die sich ergebende Fehlausrichtung
des Zapfens wurden in der Berechnung des Ölfilmdrucks berücksichtigt.
In der graphischen Darstellung von 2a ist
es möglich,
Flächen
bzw. Bereiche zu identifizieren, in denen der Druck im Ölfilmdruck
einen maximalen Wert übersteigt.
Dieser maximale Wert ist durch die Ebene A-A'-A'' veranschaulicht.
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2b ist
eine graphische Darstellung, die die Ölfilmdicke zeigt, die in einer
zur Bestimmung des Ölfilmdrucks
analogen Weise bestimmt wurde. Aus der graphischen Darstellung können die
Bereiche mit geringer Ölfilmdicke
leicht erkannt werden. Sowohl die Ölfilmdicke als auch der Ölfilmdruck
können
als ein Kriterium genutzt werden, um zu bestimmen, in welchen Bereichen
des Lagers Vertiefungen in der Lagerfläche 20 die Lagerfunktion
verbessern könnten.
Drücke
im Ölfilm
sind auch in der Mitte des Lagers oft zu hoch. Das Druckprofil von
dem einen Rand zum anderen in einer Richtung entlang der Hauptlagerachse
hat gewöhnlich
eine Form, wie sie in 2c gezeigt ist. Die Spitze des Ölfilmdrucks liegt
in der Mitte des Lagers. Um die gesamte Tragfähigkeit zu erhöhen, kann
es daher wünschenswert sein,
den Spitzendruck in den am stärksten
belasteten Bereichen in der Mitte des Lagers zu reduzieren, um dadurch
den Druck im Ölfilm
gleichmäßiger über die
Lagerfläche
zu verteilen. Indem zum Beispiel das Finite-Element-Verfahren genutzt
wird, kann man bestimmen, in welchen Bereichen der Lagerfläche der Ölfilmdruck
einen voreingestellten maximalen Schwellenwert übersteigt, wie durch die gestrichelte Linie
B-B' veranschaulicht
ist.
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Indem
das gleiche Finite-Element-Verfahren genutzt wird, kann die Ölfilmdicke
bestimmt und in einer (nicht dargestellten) graphischen Darstellung oder
einem anderen optischen Medium angezeigt und mit einem minimalen
Wert für
die Ölfilmdicke
verglichen werden, der zum Beispiel für eine ausreichende Schmierung
erforderlich ist. Die erste Berechnung mit dem Finite-Element-Verfahren
wird gewöhnlich
mit einer Geometrie für
die Lagerfläche
beginnen, die einem genauen zylindrischen Zylinder weitgehend entspricht.
Die Lagerflächengeometrie kann
für weitere
Berechnungen mit dem Finite-Element-Verfahren modifiziert werden,
um den Effekt von Modifikationen der Lagerflächengeometrie zu bestimmen,
zum Beispiel Vertiefungen in dem Bereich oder den Bereichen, die
dahingehend identifiziert wurden, dass sie einen den maximalen Wert übersteigenden Ölfilmdruck
aufweisen. Die Tiefe, Form und Lage von Vertiefungen kann nach jeder Neuberechnung
des Ölfilmdrucks
wiederholt eingestellt werden, um die Lagereigenschaften zu optimieren.
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Wenn
die korrekte Form, Tiefe und Lage der Vertiefungen) in der Lagerfläche 20 erreicht
ist, kann (können)
die Vertiefungen) gemäß einer
der bevorzugten Ausführungsformen
erzeugt werden.
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Gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
wird Schalenmaterial von der Außenfläche der
Schale wie in 3a und 3b gezeigt
entfernt. Ein halbelliptisch geformter Hohlraum 30 wird
in der Außenfläche 14 der
Schale 3, 4 durch einen Fräser, Schneider oder Schleifer
erzeugt. Der Hohlraum 30 öffnet sich zum vorderen Rand 17 der
Schale 3, 4. Ferner wird ein elliptischer Hohlraum 31 in
einem zentralen Teil der Außenfläche 14 der
Schale durch Verwenden eines Fräsers,
Schneiders oder Schleifers erzeugt. Die Hohlräume 30, 31 in
der Außenfläche 14 der
Schale 3, 4 reduzieren die Wanddicke der Schale,
wodurch sie lokal geschwächt
wird. Die tangentiale Last auf die Schale 3, 4,
die durch Anziehen des oberen Gehäuseteils 11 auf die
(nicht dargestellte) Grundplatte erzeugt wird, bewirkt, dass die
Schale 3, 4 sich wie in 4 gezeigt
verformt (die Größe der Verformungen
wurde in dieser Figur zu Veranschaulichungszwecken stark übertrieben).
Sanft geformte Vertiefungen sind in der Lagerfläche 20 ausgebildet. Der
Boden der Hohlräume 30, 31 kommt
mit dem Gehäuse
nicht in Kontakt. Die Spitzen des Ölfilmdrucks in einem Lager 1 mit
den Vertiefungen in der Lagerfläche 20 werden
reduziert. Niedrigere maximale Drücke in dem Ölfilm erhöhen die Lebensdauer und/oder
Belastbarkeit des Lagers.
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Die
Ausnehmungen 30 oder 31 müssen nicht elliptisch sein;
jede Form, die die gewünschte
Verformung und somit die korrekte Vertiefung zur Folge hat, ist
geeignet. Ovale oder trapezförmige
Formen (mit abgerundeten Ecken) können verwendet werden. Die
Ausnehmungen 30, 31 können sich über einen kleinen Abschnitt
des Umfangs oder über
den gesamten Umfang der Schale erstrecken. Die Ausnehmungen 30, 31 können sich über einen
kleinen Abschnitt der Breite oder über die komplette Breite der Schale
erstrecken. Es wurde festgestellt, dass das Verfahren zum Ausbilden
der Vertiefungen gemäß der obigen
Ausführungsform
der Erfindung für
sogenannte dicke Schalen besonders geeignet ist. Die Ausnehmung
kann eine Tiefe von 0,01% bis 14% der Schalendicke, vorzugsweise
0,05% bis 10% der Schalendicke aufweisen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung (siehe 5, 6) sind
die Schalen vom sogenannten "Dünnschalen"-Typ. Ein Lager mit
dünnen
Schalen meint gewöhnlich
ein Lager, in welchem die Dicke der Schale 3, 4 zwischen
1,5 und 3% des Durchmessers der durch das Lager abzustützenden Welle 40 liegt.
Die herkömmlichen
Eigenschaften des Lagers mit dünner
Schale bestehen darin, dass die Schale 3, 4 über das
volle Ausmaß der
Schale 3, 4 durch das Lagergehäuse abgestützt werden muss, da die Dicke
der Schale 3, 4 selbst nicht dafür ausreicht,
dass die Schale 3, 4 das Lagermetall und somit
die Lagerfläche 20 gegen
die dynamischen Einflüsse
abstützt,
die während
des Betriebs des Motors auftreten. Der obere Lagergehäuseteil 11 wird
während
des Anziehens positioniert, indem er in präzise maschinell ausgearbeitete
geneigte Oberflächen 50, 51 auf
der (nicht dargestellten) Grundplatte des Motors verkeilt wird.
Der obere Gehäuseteil 11 wird
in Richtung auf die (nicht dargestellte) Grundplatte mit Hilfe von
Lagerstiftschrauben 12 angezogen, welche Bolzen oder Gewindestangen
mit Muttern sein können.
Die unteren Enden der Lagerstiftschrauben werden in aufwärts gerichtete
Gewindelöcher
in der Grundplatte geschraubt, und die Lagerstiftschrauben erzeugen
eine Haltekraft, die ausreichend groß ist, um die Schalen 3, 4 auf
den gewünschten
Pegel vorzuspannen.
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Die
Flächen
bzw. Bereiche der Lagerfläche 20 der
dünnen
Schalen 3, 4, in denen der Ölfilm zu dünn ist und/oder in denen der
Druck im Ölfilm
zu hoch ist, werden auf die gleiche Weise berechnet, wie oben für die Ausführungsform
mit den dicken Schalen erläutert
wurde.
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Die
Vertiefungen in den dünnen
Schalen 3, 4 werden hergestellt, indem Material
von entweder der Vorderseite, um eine Vertiefung 7 auszubilden,
oder von der Rückseite
des Lagers wie oben für
die dicken Schalen beschrieben entfernt wird; das heißt, die gleiche
Technik, um die Vertiefungen zu erzeugen, kann für Schalen sowohl des dicken
als auch dünnen Typs
genutzt werden.