CH637451A5 - Lager zur aufnahme von druckbelastungen. - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Lager zur Aufnahme von Druckbelastungen mit abwechselnd aufeinander folgenden Schichten aus einem elastichen Material und einem nicht dehnbaren Material, die konzentrisch um eine gemeinsame Achse angeordnet sind.
Es ist ganz allgemein bekannt, dass das Einschieben von abwechselnd aufeinanderfolgenden Lagen aus einem nicht dehnbaren Material zwischen Schichten aus elastischem Material unter Bildung eines geschichteten Lagers 1. die Druckbelastbarkeit des Lagers (in bezug auf Druckbelastungen, die in einer Richtung senkrecht zu den Lagen ausgeübt werden) erhöht, 2. die Nachgiebigkeit und Druckelastizität des elastischen Materials herabsetzt und 3. wenig Wirkung auf die Nachgiebigkeit des elastischen Materials bei Scher- oder Torsionsbeanspruchungen in der Richtung der Lagen hat.
Dieses Konzept findet in grösserem Umfang technische Anwendung, weil derartige geschichtete Lager verhältnismässig grosse Druckbelastungen in Richtungen senkrecht zu den Schichten aufzunehmen vermögen, während sie gleichzeitig bei Scher- und/oder Torsionsbeanspruchungen in Richtung der Lagen relativ nachgiebig sind, so dass sie relative Bewegungen in bestimmten Richtungen leicht aufzufangen vermögen (für Beispiele derartiger Lager und einige ihrer Anwendungen sei auf die US-PS 2 051 864,2 068 279,
2 069 270,2126 707,2 267 312,2 900 182,3 179 400,3 539 170,
3 652185 und 3 679 197 und die darin zitierten Literaturstellen verwiesen).
Zwar kann das oben beschriebene Konzept der geschichteten Lager für Lager angewendet werden, die je nach den aufzunehmenden Druckbelastungen und den aufzufangenden relativen Bewegungen die verschiedensten Formen haben können, aber viele dieser Lager sind so konstruiert, dass die abwechselnd aufeinanderfolgenden Schichten aus elastischem Material und nicht dehnbarem Material als Rotationsflächen um eine gemeinsame Mittelachse ausgebildet sind, wobei aufeinanderfolgende Schichten bei sukzessive zunehmenden Radien, gemessen von der Achse aus, angeordnet sind. Zu diesen Formen gehören: 1. zylindrische Profile, wie in der US-PS 3 679 197 dargestellt, 2. konische Profile, wie in der US-PS 3 652185 dargestellt, 3. sphärische Profile, wie in der US-PS 3 679197 vorgeschlagen, und 4. beliebige andere Profile, die durch Rotation einer geraden oder gekrümmten Linie um eine gemeinsame Mittelachse gebildet sind.
Wenn jede Schicht aus elastischem Material in dem geschichteten Lager die gleiche Dicke, die gleiche Länge und den gleichen Elastizitätsmodul hat, so führt die längere Verwendung eines solchen Lagers zum Auffangen von zyklischen Torsionsbewegungen zum Versagen infolge der Tatsache, dass die Ermüdung bevorzugt in der innersten Schicht, d.h. derjenigen Schicht, die der gemeinsamen Mittelachse am nächsten ist, auftritt. Demzufolge wird die Dauerstandfestigkeit eines solchen Lagers im typischen Falle durch die Beanspruchungen bestimmt, die beim Gebrauch in der innersten Schicht auftreten.
Dies ist begrifflich besser verständlich, wenn man berücksichtigt, dass, wie dem Fachmann gut bekannt ist und in der US-PS 3 679 197 abgeleitet wird, die von einer beliebigen gegebenen elastischen Schicht eines elastomeren Lagers aufgenommene Beanspruchung bei einer gegebenen Torsionsbelastung umgekehrt proportional zu dem Produkt aus der wirksamen Fläche (A), die die senkrecht zu der Fläche ausgeübte Druckbelastung aufnimmt, dem durchschnittlichen Radius (R), gemessen von der gemeinsamen Mittelachse bis zu der genannten Fläche, und dem Elastizitätsmodul (G) des elastischen Materials ist. Dies wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
K.
(1) Beanspruchung = RAQ
worin K eine Konstante ist.
Ausserdem ist der Formfaktor (S.F.) jeder Schicht aus elastischem Material definiert als das Verhältnis aus 1. der wirksamen Fläche, die die senkrecht zu dieser Fläche ausgeübte Druckbelastung aufnimmt, und 2. der kräftefreien Fläche, d.h. der Fläche, die sich bewegen kann, wenn eine Druckbelastung auf die Belastung aufnehmende Fläche ausgeübt wird. Der Formfaktor ist im allgemeinen ein Mass für die Fähigkeit einer Schicht aus elastischem Material, eine Druckbelastung aufzufangen. Im allgemeinen ist die Fähigkeit einer bestimmten Schicht, Druckbeanspruchungen aufzufangen, um so grösser, je grösser der Formfaktor dieser Schicht ist. Wenn das Lager z.B. zylindrisch ausgebildet ist, ist die Belastung aufnehmende Fläche (LA) jeder elastischen Schicht die projizierte oder wirksame Fläche der Schicht, wenn man die Schicht in Richtung der ausgeübten Belastung betrachtet. Somit ist für eine in radialer Richtung ausgeübte Belastung die Belastung tragende Fläche eine rechteckige Fläche und wird durch folgende Gleichung definiert:
s
10
15
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25
30
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40
45
SO
55
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65
3
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(2) LA = 2RL
worin R den äusseren Radius der Schicht, gemessen von der gemeinsamen Mittelachse bis zur äusseren konvexen Oberfläche der Schicht, bedeutet und L die Länge der Schicht bedeutet, während die kräftefreie Fläche (BA) aus denjenigen Teilen der Stirnflächen besteht, die Druckbelastung ausgesetzt sind. Wenn eine radial gerichtete Belastung ausgeübt wird, ist eine Hälfte des Umfanges jeder Stirnfläche Druckbelastung ausgesetzt, so dass die kräftefreie Fläche folgender-massen definiert ist:
(3) BA = 2îtRtr worin R den äusseren Radius der Schicht, gemessen von der gemeinsamen Mittelachse bis zur äusseren konvexen Fläche der Schicht, bedeutet und tr die Dicke der Schicht bedeutet. Der Formfaktor einer solchen Schicht reduziert sich demge-mäss auf:
Aus den Gleichungen ( 1 ) und (4) ergibt sich ohne weiteres, dass sich bei einem zylindrisch ausgebildeten geschichteten Lager, bei dem jede Schicht aus elastischem Material aus dem gleichen Material mit dem gleichen Elastizitätsmodul hergestellt ist und die gleiche Länge (L) und die gleiche Dicke (tr) hat, der Formfaktor (S.F.) von Schicht zu Schicht nicht verändert, dass aber die von der innersten Schicht aufgenommene Beanspruchung grösser ist als bei irgendeiner äusseren Schicht, weil die innere Schicht einen kleineren Radius (R) und eine kleinere Druckbelastung aufnehmende Fläche A hat. Man kann dies auch so ausdrücken, dass das Produkt RAG für die innere Schicht kleiner und somit die Beanspruchung grösser sein wird als das Produkt RAG für die Schicht mit einem grösseren Radius.
Eine Lösung dieses Ermüdungsproblems wurde in der US-PS 3 679 197 vorgeschlagen. Um eine auf die äusseren Schichten wirkende Beanspruchung zu erzielen, die gleich ist wie die auf die inneren Schichten wirkende Beanspruchung oder dieser nahekommt, wird in dieser Patentschrift vorgeschlagen, den Elastizitätsmodul für die einzelnen Schichten verschieden zu wählen, damit die auf jede Schicht bei einer gegebenen Torsionsbelastung wirkende Beanspruchung annähernd gleich ist. Insbesondere wird bei einem geschichteten Lager mit zylindrischem Profil und der Länge L der Quotient aus der Beanspruchung, die bei einer gegebenen Torsionsbelastung auf eine Schicht n wirkt, und der Beanspruchung, die auf eine Schicht a wirkt, gleich gemacht (beide Beanspruchungen werden gleich gemacht), so dass sich aus der obigen Gleichung (1) die folgende Gleichung ergibt:
en _ RaAaGa _ 27tRaLRaGa ea RnAnGn "^ïtRïîLRnGn '
die sich zu der Gleichung:
GA Rn2 (6) Gif ~ TÜF
reduziert. Somit schliesst der Inhaber der US-PS Nr. 3 679 197, dass die Beanspruchung, die auf die Schichten n und a wirkt, gleich sein muss, wenn der Elastizitätsmodul umgekehrt proportional zu dem Quadrat des mittleren Radius der betreffenden Schichten ist. Obgleich dies durch seine Analyse nicht erklärt wird, stellt der Patentinhaber doch fest, dass es auch vorteilhaft ist, die Dicke der Schichten aus elastischem Material mit zunehmendem Radius fortschreitend zu erhöhen. Der Patentinhaber deutet an, dass durch zunehmende Erhöhung der Dicke der Schichten aus elastischem Material mitzunehmendem Radius mehr elastisches Material innerhalb des gleichen Raumes radial angeordnet werden kann, wobei die Druckbeanspruchungen in den elastischen Schichten innerhalb zulässiger Grenzen gehalten werden. Der Patentinhaber ist daher der Meinung, dass die verstärkte Verwendung von elastischem Material die Verteilung der Scherbeanspruchungen bei Torsion begünstigt, so dass die Dauerstandfestigkeit verbessert wird, und gleichzeitig die Anzahl der nicht dehnbaren Lagen herabsetzt, so dass das Gesamtgewicht und der Gesamtherstellungspreis verringert werden. Somit schliesst der Patentinhaber, dass eine optimale Konstruktion erzielt werden kann, wenn man bei zunehmendem Radius gleichzeitig die Dicke der Schichten fortschreitend erhöht und den Elastizitätsmodul der Schichten fortschreitend verringert.
Das in der US-PS Nr. 3 679 197 vorgeschlagene Vorgehen ist jedoch mit mehreren Problemen verbunden. Das Variieren des Elastizitätsmoduls der Schichten aus elastischem Material führt zu längeren Herstellungszeiten und höheren Herstellungskosten und hat insbesondere Nachteile wegen 1. der Kompoundier- und Batchtestzeit für jedes einzelne Stamma-terial mit einem bestimmten Modul, 2. der Tatsache, dass es erforderlich ist, das Stammaterial zu kalandrieren, 3. der Notwendigkeit, das Lager durch getrenntes Aufeinanderlegen der einzelnen elastomeren Schichten, im typsichen Falle von Hand, zusammenzubauen, 4. des erhöhten Risikos der Metallverunreinigung infolge des Aufeinanderlegens von Hand, 5. der Tatsache, dass die kumulative Wirkung der zulässigen Steifheit eine ausgeprägtere Wirkung auf die Gesamtsteifheit des Lagers hat, als wenn nur ein Material mit dem gleichen Elastizitätsmodul verwendet würde, und 6. der nichtlinearen Änderung der Empfindlichkeit gegen Beanspruchung, die sich infolge der Variation der Elastizitätsmoduln der verschiedenen Elastomeren ergibt.
Wie aus Gleichung (4) hervorgeht, verursacht zweitens die fortschreitende Erhöhung der Dicke jeder Schicht mit zunehmendem Radius eine entsprechende Abnahme des Formfaktors für jede Schicht. Dadurch wird wiederum die Fähigkeit der Schichten mit zunehmendem Radius, Druckbelastungen entsprechend aufzufangen, herabgesetzt.
Hauptziel der Erfindung ist es daher, ein verbessertes geschichtetes Lager zur Verfügung zu stellen, das nicht die oben angegebenen Probleme der bekannten Lager verursacht. Vorzugsweise sollen die von den einzelnen Schichten aus elastischem Material aufgenommenen Beanspruchungen praktisch gleich sein. Es wird auch bevorzugt, dass die elastischen Schichten alle aus einem einzigen gemeinsamen elastomeren Stammaterial mit dem gleichen Elastizitätsmodul hergestellt sind und alle praktisch gleiche Beanspruchungen aufzunehmen vermögen.
Das erfindungsgemässe geschichtete Lager zur Aufnahme von Druckbelastungen weist nun abwechselnd aufeinanderfolgende Schichten aus einem elastischen Material und einem nicht dehnbaren Material auf, die konzentrisch um eine gemeinsame Achse angeordnet sind, wobei die Länge und die Dicke der Schichten aus elastischem Material mit zunehmendem Radius fortschreitend abnehmen; dadurch werden die elastischen Schichten bei Druck- und Torsionsbelastung in gleicher Weise beansprucht, und bei zunehmendem Radius bleibt der Formfaktor praktisch gleich oder nimmt zu.
Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben. Die Figur der Zeichnung ist eine Längsansicht in Schnittdarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Lagers.
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20
25
30
35
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45
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65
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4
Die vorliegenden Lager können am besten anhand der Analyse mittels der obigen Gleichungen (1) und (4) erläutert werden.
Speziell ist die wirksame Fläche für ein zylindrisch ausgebildetes Lager durch die folgende Gleichung gegeben:
(7) A = 2jtRL
worin L die Länge jeder Schicht bedeutet: wenn man diesen Wert in Gleichung (1) einsetzt, so erhält man:
erhält man:
(8) Beanspruchung =
Kz
R2LG
worin K.2 eine Konstante darstellt.
Für ein Lager, bei dem ein gemeinsames Stammaterial verwendet wird, d.h. ein elastisches Material mit dem gleichen Elastizitätsmodul für alle elastischen Schichten des Lagers verwendet wird, ist G ein konstanter Faktor; damit auf alle Schichten aus elastischem Material eine praktisch gleiche Beanspruchung wirkt, folgt aus Gleichung (8) für alle Schichten:
(9) R2L = Konstante oder
(10) L-
Konstante W
(12) tr«
Konstante R1
Es ist daher ersichtlich, dass die Länge (L) umgekehrt proportional dem Quadrat des äusseren Radius der elastischen Schicht ist, so dass die Länge mit zunehmendem Radius abnimmt.
In ähnlicher Weise wird es bevorzugt, dass der Formfaktor der einzelnen Schichten aus elastischem Material mit zunehmendem Radius entweder praktisch konstant bleibt oder zunimmt, so dass die Druckbelastung für alle elastomeren Schichten praktisch gleich bleibt. Wenn somit der Formfaktor praktisch konstant bleibt, ergibt sich aus Gleichung (4):
(11) Konstante ^ —
tr und wenn man diese Gleichung in Gleichung (10) einsetzt, so so dass tr ebenfalls mit zunehmendem Radius abnimmt.
In der Figur ist ein typisches erfindungsgemässes Lager 10 dargestellt, das eine zylindrische Form und einen kreisför-io migen Querschnitt hat. Wie gezeigt, hat das Lager 8 eine Mittelachse 10 und umfasst einen inneren Laufring 12 mit einer nach aussen gerichteten konvexen Fläche 14 sowie einen äusseren Laufring 16 mit einer nach innen gerichteten konkaven Fläche 18, die in radialer Richtung von der konvexen Fläche is 14 des Laufrings 12 beabstandet ist. Abwechselnd aufeinanderfolgende verbundene Schichten 20 aus einem elastischen Material wie einem Elastomeren und Zwischenlagen 22 aus einem nicht dehnbaren Material wie einem Metall befinden sich zwischen den Flächen 14 bzw. 18 der Laufringe 12 bzw. 20 16 und sind mit diesen Flächen verbunden. Jede der
Schichten 20 und Zwischenlagen 22 sind konzentrisch um die Mittelachse 10 und um einander herum ausgebildet, und alle Schichten 20 aus elastischem Material haben einen gleich-mässigen Elastizitätsmodul. Jedoch nehmen die durch-25 schnittliche Länge der einzelnen Schichten 20 (wobei die Länge als die Komponente der Dimension der Schicht, die zur Achse 10 parallel ist, definiert ist) sowie die Dicke der Schichten 20 mit zunehmendem Radius, gemessen von der - Mittelachse 10 aus, fortschreitend ab. Vorzugsweise bleibt 30 das Produkt R2L der einzelnen Schichten 20 praktisch konstant, während das Produkt R2tr mit zunehmendem Radius, gemessen von der Mittelachse 10 aus, praktisch konstant bleibt oder zunimmt.
35
40
Es ist klar, dass, wenn Gleichung (10) erfüllt ist, die einzelnen Schichten 20 praktisch gleiche Scherbeanspruchungen aufnehmen, wenn Torsionsbelastungen auf das Lager 8 ausgeübt werden, während, wenn Gleichung (12) erfüllt ist, praktisch gleiche Druckbelastungen von den einzelnen Schichten 20 aufgenommen werden.
Ein typtisches erfindungsgemässes Lager des in der Figur dargestellten Typs mit fünf Schichten 20, die sich mit Zwischenlagen 22 (mit einer Dicke von 0,25 mm) abwechseln, hat die folgenden Abmessungen:
Schicht
Länge(L)
Äusserer Radius (R)
Dicke (tr)
SF
(in.)
(mm)
(in.)
(mm)
(in.)
(mm)
1
1,682
42,27
0,849
21,56
0,0300
0,76
17,85
2
1,557
39,55
0,889
22,58
0,0280
0,71
17,70
3
1,439
36,55
0,927
23,55
0,0250
0,63
18,32
4
1,332
33,83
0,962
24,43
0,0220
0,56
19,272
5
1,232
31,29
0,994
25,25
0,0200
0,51
19,607
Wie man leicht festellen kann, nehmen die Länge und die Dicke der Schichten 20 mit zunehmendem Radius ab. Wenn man für jede Schicht den Wert von R2L berechnet, findet man, dass das Produkt für die einzelnen Schichten praktisch konstant bleibt, d.h. zwischen 1,21 und 1,24 liegt. Mitzunehmendem Radius bleibt der Formfaktor, wie dargestellt, praktisch gleich oder nimmt zu. Wenn der Formfaktor praktisch gleich bleibt, werden die radial gerichteten Druckbelastungen von allen Schichten in gleicher Weise aufgenommen. Wenn man den Formfaktor der äusseren Schichten grösser macht als denjenigen der inneren Schichten, nehmen die auf die äusseren Schichten wirkenden Druckbeanspruchungen, die sich durch eine in radialer Richtung ausgeübte Belastung ergeben, ab.
Bei dieser erfindungsgemässen Konstruktion bestehen die 60 Schichten 20 alle aus dem gleichen Material mit dem gleichen Elastizitätsmodul. Infolgedessen werden die Herstellungszeit und die Herstellungskosten herabgesetzt. Das Lager 8 kann z.B. leicht durch einfaches Pressspritzen hergestellt werden. Die Zwischenlagen 22 können zu diesem Zweck in einer ent-65 sprechenden Anordnung in bezug aufeinander in eine vorgebildete Form gebracht werden, worauf man ein elastomeres Stammaterial bis zum flüssigen Zustand erhitzt und in die Form giesst. Nun kann man das elastomere Material
637451
abkühlen lassen, um es dadurch mit den vorbestimmten Dicken und Längen, die durch die Gleichungen (10) und (12) vorgeschrieben sind, mit den Zwischenlagen 22 zu verbinden.
Da ein einziges elastomeres Material mit einem gleichmäs-sigen Elastizitätsmodul verwendet wird, ist es nicht erforderlich, das Lager durch Aufeinanderlegen von Hand in ähnlicher Weise, wie es in der US-PS Nr. 3 679 197 beschrieben ist, herzustellen. Da ferner nur ein Stammaterial erforderlich ist, werden die Kompoundier- und Batchtestzeiten signifikant herabgesetzt, und das Stammaterial braucht nicht kalandriert zu werden. Da das Material wesentlich weniger gehandhabt zu werden braucht, ist das Risiko der Verunreinigung mit Metallteilen geringer als bei dem Aufeinanderlegen von Hand. Schliesslich kann die Verwendung von mehr als einem elastomeren Stammaterial bei der Herstellung eines s Lagers eine ausgeprägtere Wirkung auf die Gesamtsteifheit des Lagers haben und nicht lineare Schwankungen der Empfindlichkeit gegen Beanspruchungen hervorrufen (jede Schicht würde nämlich verschieden auf eine ausgeübte Belastung reagieren), was durch Verwendung nur eines Stamma-io terials vermieden werden kann.
B
1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
- 6374512PATENTANSPRÜCHE1. Lager zur Aufnahme von Druckbelastungen mit abwechselnd aufeinanderfolgenden Schichten aus einem elastischen Material und einem nicht dehnbaren Material, die konzentrisch um eine gemeinsame Achse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge und die Dicke der Schichten aus elastischem Material mit zunehmendem Radius fortschreitend abnehmen.
- 2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten aus elastischem Material praktisch den gleichen Elastizitätsmodul haben.
- 3. Lager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt R2L, worin R den äusseren Radius und L die Länge jeder einzelnen Schicht aus elastischem Material bedeuten, für jede der Schichten aus elastischem Material praktisch gleich ist.
- 4. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt R2tr, worin R den äusseren Radius und tr die Dicke jeder einzelnen Schicht aus elastischem Material bedeuten, mit zunehmendem Wert von R praktisch konstant bleibt oder zunimmt.
- 5. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Formfaktor jeder einzelnen Schicht aus elastischem Material mitzunehmendem Radius praktisch konstant bleibt oder zunimmt, so dass die Druckbeanspruchung jeder Schicht aus elastischem Material praktisch konstant bleibt.
- 6. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Formfaktoren der äusseren Schichten aus elastischem Material grösser sind als die Formfaktoren der inneren Schichten aus elastischem Material, so dass die Druckbeanspruchung jeder einzelnen Schicht aus elastischem Material praktisch konstant bleibt.
- 7. Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Aufnahme von radial gerichteten Druckbelastungen, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Schichten aus elastischem Material von der Achse mit einem durchschnittlichen äusseren Radius R beabstandet ist und eine durchschnittliche Länge L sowie eine durchschnittliche Dicke tr hat und dass die Werte von L und tr für jede Schicht mit zunehmendem Wert von R abnehmen.
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