CH652808A5 - Schichtstofflager. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schichtstofflager nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, dass die Tragfähigkeit einer Schicht nachgiebigen Materials um ein Mehrfaches gesteigert werden kann, indem man die Schicht in mehrere Teilschichten unterteilt und diese durch Dazwischenlegen von Schichten eines nicht dehnbaren Materials voneinander trennt. Gleichzeitig wird die Scherfestigkeit des nachgiebigen Materials parallel zur Schichtoberfläche nicht beeinträchtigt. Dieses Konzept wird bei der Gestaltung einer grossen Anzahl von Lagerkonstruktionen angewendet. Diesbezüglich sei auf die US-Patente 4105 266 (Finney), 4040690 (Finney), 3807896 (Johnson), 3792711 (Peterson), 3941433 (Dolling), 3 679197 (Schmidt), 3 429 622 (Leet et al), 3 377110 (Boggs), 2995907 (Orain), 3197400 (Krotz), 2900182 (Hinks), und 2752766 (Wildhaber) und den darin offenbarten Stand der Technik verwiesen.

Eine bemerkenswerte Vielzahl im Handel erhältlicher Lager weist einen Schichtaufbau auf, bei dem miteinander verbundene Schichten aus den beiden Materialtypen abwechslungsweise konzentrisch so übereinanderliegen, dass die aufeinanderfolgenden Schichten aus nachgiebigem und nicht-nachgiebigem Material in zunehmendem Abstand vom Zentrum angeordnet sind. In dieser Vielzahl der Lager gibt es diverse Gestaltungsvarianten, vorzugsweise zylindrische und kegelige (in der Regel kegelstumpfförmige) Lager, oder Lager in der Form von Zylinder-, Kegel- oder Kugelsektoren.

Die vorteilhaften Eigenschaften von laminierten Lagern führten zu vielfältigen Anwendungen, insbesondere bei Helikoptern. So dienen beispielsweise kegelige Lager in der Hauptrotorlagerung. Bei solchen Anwendungen sind kegelige Lager erforderlich, um eine zyklische Verdrehbewegung um die Zentrumsachse zu ermöglichen, während gleichzeitig eine grosse Druckkraft längs dieser Achse ausgeübt wird. Bei solchen Lagern rufen grosse Druckbeanspruchungen entsprechend grosse Scherbeanspruchungen in den radial innersten nachgiebigen Schichten hervor. Daraus resultiert, dass die innersten nachgiebigen Schichten und insbesondere deren Randzonen zu Ermüdungsbrüchen neigen. In diesem Zusammenhang sei daraufhingewiesen, dass sich die Ränder der nachgiebigen Schichten unter der Druckbeanspruchung von den benachbarten nicht-nachgiebigen Schichten durch Aufwölbung zu lösen beginnen, wodurch auch Ermüdungserscheinungen am ganzen Lager hervorgerufen werden. Der Grad der Aufwölbung hängt vomFormfaktor ab. Sie bildet hauptsächlich im Lagerscheitel, d. h. am radial inneren Rand, und weniger an der Lagerbasis, d. h. am radial äusseren Rand von kegeligen Lagern ein Abnützungsproblem, weil am Lagerscheitel die höheren Beanspruchungen auftreten. Somit ist ein Lagerausfall normalerweise das Ergebnis aus Materialausquetschung und Abrieb, oder aus Ermüdung in den inneren nachgiebigen Schichten.

Das Grundkriterium bei allen elastischen Lagern ist, dass sich die Lagerlast in Druckbeanspruchung äussert und letztere Scherbewegungen zur Folge hat. Für die Beurteilung der erforderlichen Lagergrösse und das Anstellen von Kostenüberlegungen ist es deshalb wünschenswert, die Druckbeanspruchbarkeit solcher Lager möglichst hoch zu veranschlagen, ohne die federnde Verdrehbarkeit und insbesondere die Neigung des Lagers zur Ausführung von Torsions-Wechselbewegungen unterschiedlicher Grösse nachteilig zu beeinflussen. Gleichzeitig ist es erwünscht, auf das Lager ausgeübte Schläge durch eine angemessene Verformbarkeit aufzufangen. Eine optimale Kombination von Lastaufnahmefähigkeit, federnde Verdrehbarkeit und Torsionsscherfestigkeit ist durch verschiedene Faktoren erschwert. Einer dieser Faktoren ist, dass elastomere Materialien je nach Art des Materials Veränderungen des Elastizitätsmoduls über einen gewissen Verformungsbereich aufweisen, so dass die Verformungsverteilung in einer Elastomerschicht je nach Ursache der Beanspruchung, z. B. statische Belastungen und Bewegun2

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gen stark variieren kann. Ein anderer Faktor ist, dass die Verformung in einer bestimmten Schicht unregelmässig sein kann. Ebenso können Verformungsungleichheiten von Schicht zu Schicht bei wechselnden Beanspruchungskriterien auftreten. Diesbezüglich ist zu bemerken, dass beispielsweise ein kegeliges Lager in einer Helikopter-Hauptrotorlageranordnung gleichzeitig auf dynamische oder statische Torsion und dynamischen oder statischen Druck beanspruchbar sein muss. Die durch Torsionsbeanspruchung hervorgerufene Scherverformung ist nicht gleichförmig verteilt und variiert in Funktion der Grösse der Torsionsbeanspruchung. Zusätzliche Scherverformung resultiert aus der Drucklast (axial oder radial), wobei ihr Maximalwert an den radial inneren Rändern der elastomeren Schichten des Lagers auftritt und auch mit der Drucklast zu variieren trachtet.

Schichtweise aufgebaute Lager zeigen somit variierende Fede-rungs- oder Steifigkeitseigenschaften je nach der statischen Druckbeanspruchung oder sich ändernden Wechselbeanspruchungen. Während das Verformungs- und Bruchverhalten an sich durch einfaches Auswechseln eines gegebenen Elastomers durch ein anderes mit abweichendem Elastizitätsmodul geändert werden könnte, ist dieses Vorgehen in der Regel nicht zweckmässig, weil dabei entweder die Torsions-Federungseigenschaften oder Torsions-Verformungsverteilung nachteilig beeinflusst werden könnte.

Bei typischen Anwendungen in Helikoptern werden die Tor-sions-Federungseigenschaften von auf Scherung belasteten Lagern üblicherweise innerhalb bestimmter Grenzen liegend verlangt. Aus diesem Grund ist eine erhöhte Federungsrate meist nicht akzeptierbar, weil damit eine Steigerung der Kupplungsleistungsfähigkeit oder einer anderen mit dem Lager gekuppelten Einrichtung, und/oder eine Veränderung der Lebensdauer der Kupplung verbunden wäre. Weiterhin kann das Aufwölben am äusseren Umfang eines kegeligen Lagers nicht ausreichend kritisch sein, um eine Elastizitätsmoduländerung zu begründen. Andererseits kann eine Moduländerung die Federungsrate über einen zulässigen Wert hinaus erhöhen. Diesbezüglich sei darauf verwiesen, dass aufgrund einer Computeruntersuchung an elastomeren Schichten eines kegeligen Lagers festgestellt wurde, dass eine Erhöhung des Elastizitätsmoduls bei einer elastomeren Schicht einen grösseren Beitrag an die Torsions-Federungsrate eines Elementes im basisnahen Schichtabschnitt als an ein Element der gleichen Länge im Scheitel des Lagers leistet, und zwar infolge der Differenz zwischen den wirksamen Radien der betrachteten Elemente. Deshalb ist ein Modulwechsel bei allen Schichten zur Reduktion der druckabhängigen Deformation auf der Scheitelseite des Lagers üblicherweise keine durchführbare Lösung, weil es schwierig ist, eine optimale Kombination der Bedingungen aus druckabhängiger Rand-Scherdeformation, Torsions-Scherdeformationsverteilung und niedrigstmöglicher Torsions-Federungsrate im Hinblick auf Kosten, Lebensdauer und Betriebsanforderungen für das System zu finden, in welchem das Lager einzubauen ist.

Es wurde auch erkannt, dass eine absolute Gleichförmigkeit der durch Druckbeanspruchung hervorgerufenen Scherdeformation innerhalb einer Elastomerschicht bei einem kegeligen Lager nicht erreichbar ist, weil der Deformationsgrad von einem Maximalwert an jeder Lagerrandzone auf einen Minimalwert an gewissen Stellen zwischen Basis- und Scheitelrand abnimmt. Je gleichmässiger daher die druckabhängigen Scherdeformationen zwischen Basis- und Scheitelrand sind, umso weniger besteht die Gefahr, dass eine der Schichten vor den anderen zerstört wird. Das gleiche gilt, wenn die Deformationen in benachbarten Schichten an korrespondierenden Stellen etwa gleich sind. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass infolge Differenzen zwischen dem mittleren Radius der Schichten eines kegeligen Lagers die durch Druck und Torsion erzeugten Scherdeformationen insbesondere bei einem Schichtaufbau, in welchem alle elastomeren Schichten den gleichen Elastizitätsmodul und gleiche Dicke aufweisen, zu Veränderungen tendieren.

In der genannten US-PS 3 679197 (Schmidt) wird vorgeschla-5 gen, die Lebensdauerbeeinflussung durch Materialermüdung dadurch zu mindern, indem die Dicke aufeinanderfolgender Schichten des nachgiebigen Materials mit steigendem Radius sukzessive erhöht wird, unter gleichzeitiger Reduktion des Elastizitätsmoduls dieser Schichten. Indessen ist dieses Vorgehen io teuer, weil es notwendig ist, dass jede Schicht aus einem anderen Material gebildet wird. Wenn daher ein Lager fünfzehn nachgiebige Schichten aufweist, sind auch fünfzehn verschiedene elastomere Materialien notwendig. Auch wenn dies durch Herstellung aus einem elastomeren Grundmaterial durch Zugabe unter-15 schiedlicher Mengen oder Arten von Additiven in fünfzehn verschiedenen Qualitäten möglich ist, ist der Vorgang schliesslich doch teuer und zeitraubend. Weiter muss darauf geachtet werden, dass die Materialien genau identifizierbar sind, damit die Schichten mit abnehmendem Elastizitätsmodul entsprechend 20 dem zunehmenden Radius angeordnet werden. Die Verwendung einer grossen Anzahl elastomerer Materialien ist auch dort unvorteilhaft, wo die Lager bei relativ tiefen Temperaturen, z.B. bei —45 bis — 20° C, arbeiten. Weil verschiedene Elastomergrundmaterialien sich bei sinkenden Temperaturen verändern, 25 arbeiten nur solche in einem nach der US-PS 3 679197 hergestellten Lager richtig, wenn das Lager kalt ist.

In der auf ein nicht-kegeliges Lager bezogenen US-PS 4105266 wird vorgeschlagen, die elastomeren Schichten so zu graduieren, dass deren Elastizitätsmodul in radialer Folge variiert. Dadurch 30 sollen Variationen zwischen den durch Druck erzeugten Scherdeformationen am inneren und am äusseren Umfang der Schichten auf einen Minimalwert gebracht werden. Weiter soll jede Schicht mindestens drei radial gestufte Zonen mit von innen nach aussen abnehmendem Elastizitätsmodul aufweisen. Die vorge-35 schlagene Konstruktion bildet keine einfache Problemlösung für den Deformationsausgleich von Schicht zu Schicht, während gleichzeitig eine Reduktion ungleicher druckbedingter Scherdeformationen in jeder Schicht erzielt und die Gesamt-Torsionsfe-derunsrate des Lagers auf einem niedrigen Wert gehalten werden 40 soll. Entgegen den Ausführungsformen nach den US-Patenten 3 679197 und 3197400, aber gleich wie im US-Patent 3 941433 werden zwar keine Dickenvariationen bei den elastomeren Schichten verlangt. In Abweichung von der Lagerausführung nach der US-PS 3 941433 sind die Modulgraduierungen von 45 Schicht zu Schicht nicht gleichbleibend. Weiter wird die Verwendung von zunehmend steiferen Elastomeren in den Schichten nächst der oberen Endplatte des Lagers und von zunehmend weicheren Elastomeren in den Schichten nächst der unteren Endplatte des Lagers vorgeschlagen, um die durch Druck erzeug-50 ten Deformationen im Lager im wesentlichen auszugleichen, ohne die Torsions-Federungsrate des Lagers wesentlich zu beeinflussen. Die im US-Patent 4105266 vorgeschlagene Lösung scheint indessen auf die Steuerung der Federungsrate und auf die Einhaltung einer bestimmten Lastaufnahmefähigkeit auf einer 55 Schicht-zu-Schicht-Basis angelegt zu sein, weil die den elastomeren Schichten zugedachten Variationen gleichzeitig Änderungen in a) der Modulgraduierung durch Änderung der verwendeten Materialien, b) bei der relativen Stellung der unterschiedlichen Modulabschnitte in jeder Schicht, und c) bezüglich der Dicke 60 jeder Schicht einschliessen. Auf alle Fälle sind drei verschiedene Elastomergrundmaterialien erforderlich, um eine Graduierung zu erzielen, durch welche die angestrebte Deformationsverteilung möglich ist.

Die Hauptaufgabe der Erfindung besteht darin, ein schicht-65 weise aufgebautes Lager der beschriebenen Art zu schaffen, bei dem eine relativ grosse Anzahl Schichten aus nachgiebigem Material vorhanden ist, wobei jede der Schichten einen Elastizitätsmodul aufweist, der von demjenigen der anderen Schichten

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abweicht und das Schichtmaterial aus zwei unterschiedlich nachgiebigen Grundmaterialien hergestellt ist.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Ermüdungs-Lebens-dauer solcher laminierter Lager zu verbessern und insbesondere einen Lageraufbau vorzuschlagen, durch welchen nicht nur durch eine hoheDruckbeanspruchbarkeit eine hohe Scherfestigkeit, sondern auch bei tiefen Temperaturen eine hohe Ermüdungs-Lebensdauer erzielbar ist.

Ferner soll ein Lager geschaffen werden, in welchem mindestens ein Teil der elastomeren Schichten in radialer Richtung variierende Elastizitätsmodule aufweisen, um Unterschiede bei den durch Druck erzeugten Scherdeformationen zwischen den inneren und äusseren Umfangsbereichen an jeder der Schichten möglichst niedrig zu halten.

Schliesslich soll ein Lager geschaffen werden, bei dem die elastomeren Schichten praktisch konstante Dicke aufweisen und so geformt sind, dass durch Torsion verursachte Deformationen in jeder Schicht etwa gleich ist und dadurch ein angenähert gleichförmiger Abbau der Schichten durch zyklische Torsionsbewegungen erzielbar ist.

Weitere Teilaufgaben sind die Entschärfung des Problems der ungleichen druckbedingten Scherdeformationsverteilung in jeder der Schichten eines kegeligen Lagers, wobei auf niedrige Werte der Torsions-Federungsrate und hohe Lagerbelastbarkeit tendiert wird, um eine Optimierung der Verteilung der Deformationen zu erzielen, die durch Achsauslenkung aus dem Lagerzentrum erzeugt werden.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäss nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ausführungsvariationen sind durch die abhängigen Ansprüche definiert.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Fig. 1 zeigt in einem Längsschnitt die Komponenten eines Lagers mit kegelstumpfförmigem Schichtaufbau der erfindungs-gemässen Art;

Fig. 2 zeigt eine Kurvenschar, welche die Änderung des Schermoduls verschiedener Elastomer-Grundmaterialien in Funktion der Deformation unter identischen Verschiebungsbedingungen darstellen.

Beim erfindungsgemässen Schichtstofflager werden im Prinzip, zwei elastomere Grundmaterialien verwendet, wobei das erste einen relativ hohen Elastizitätsmodul und das zweite einen relativ niedrigen Elastizitätsmodul aufweist. Die beiden Grundmaterialien sind in den meisten oder allen elastomeren Schichten eines laminierten Lagers in einem bestimmten Verhältnis so vorhanden, dass sowohl eine wenigstens angenähert gleiche Deformationsverteilung von Schicht zu Schicht, als auch ein optimales Gleichgewicht zwischen Deformationsverteilung, Ausbauchung und Federungsrate in jeder der Schichten resultiert. Die Anzahl der aus den beiden elastomeren Grundmaterialien gebildeten Schichten und die relativen Breiten der Grundmaterialien in jeder der Schichten kann je nach Form und Grösse des Lagers, des Elastizitätsmoduls des verwendeten Elastomers, und der voraussichtlichen Lagerbelastung variieren. Es ist auch vorgesehen, dass einzelne Schichten Abschnitte aus dem Grundmaterial mit dem relativ höheren Elastizitätsmodul (und/oder dem Material mit dem relativ niedrigen Elastizitätsmodul) von gleicher oder angenähert gleicher Breite aufweisen, welche Schichten sich vorzugsweise auf der Lageraussenseite befinden, wo Elastizitätsmodule der Schichten nahezu die gleichen sein können, weil die Deformationsverteilung von Schicht zu Schicht im äusseren Randbereich des Lagers wenig Unregelmässigkeiten aufweist. In diesem Zusammenhang ist daraufhinzuweisen, dass die Elastizitätsmodule unterschiedlicher Elastomer-Grundmate-rialien oder unterschiedlicher Abschnitte einer individuellen elastomeren Schicht durch die Verwendung von elastomerem Füllmaterial bei der Lagerherstellung beeinflusst werden können. So können z. B. bei einem Verfahren zur Herstellung eines laminierten elastomeren Lagers die elastomeren Schichten aus flächigen Elastomermaterialien geschnitten und von Hand auf die nicht-elastischen Schichten aufgebracht werden. Weil die Elastomerschicht unter Anwendung von Wärme und Druck auf die nicht-elastischen Schichten aufgebracht werden, wird ein Elastomer mit einem Elastizitätsmodul, der gleich den Modulen der Elastomere in den Schichten oder von diesen verschieden ist, in eine Giessform eingegeben, um den Druckaufbau zu ermöglichen, Zwischenräume auszufüllen und die Schichten auf volle Stärke zu bringen. Diese Transfer- oder elastomeren Füllmaterialien können sich mit basisbildenden Elastomergrundmaterialien der Schichten mischen, wobei sich ihr Elastizitätsmodul verändert, oder das Füllmaterial kann eine dünne Schicht längs der einen oder beiden Randoberflächenzonen eines ringförmigen Lagers bilden.

Um den Unterschied zwischen a) dem Elastizitätsmodul eines basisbildenden Elastomer-Grundmaterials oder dem resultierenden Modul aus der Kombination zweier Grundmaterialien mit verschiedenen Elastizitätsmodulen in einer Schicht und b) dem Elastizitätsmodul eines oder beider dieser Grundmaterialien, wenn dieses/diese mit geringen Mengen von Füllmaterial gemischt sind, oder dem Elastizitätsmodul des Füllmaterials selbst, wenn aus diesen eine relativ dünne oder schmale Oberflächenbedeckung an der Schicht aus basisbildendem Elastomer-Grundmaterial gebildet ist, erkennbar zu machen, ist der Elastizitätsmodul eines basisbildenden Elastomer-Grundmaterials in einer Elastomerschicht, und der kombinierte Modul aus zwei unterschiedlichen basisbildenden Elastomer-Grundmaterialien mit unterschiedlichem Elastizitätsmodul, nachstehend als der «Norm-Elastizitätsmodul» des/der Grundmaterials/Grundmate-rialien bezeichnet. Weiter wird vorausgesetzt, dass die Beifügung geringer Mengen von Füllmaterial den Norm-Elastizitätsmodul nicht bzw. nicht so verändert, dass dabei das Ziel der Erfindung nicht erreichbar ist. Gleichzeitig soll die Anwesenheit eines dünnen Überzuges aus Füllmaterial auf einer Schicht aus basisbildendem Elastomer-Grundmaterial vernachlässigt werden können. Typischerweise wird Transfer- oder Füllmaterial um 15 % oder weniger des Volumens einer elastomeren Schicht in einem laminierten Elastomerlager ausmachen.

Fig. 2 zeigt, wie der Seher-Elastizitätsmodul in einer Anzahl verschiedener elastomerer Verbindungen in Übereinstimmung mit der experimentell ermittelten Dehnung in jeder Elastomerschicht variieren kann. Die Kurven sind ermittelt worden, indem man Probestücke jeder Verbindung einer reinen Scherbeanspruchung (d.h. ohne Druckbeanspruchung) bei einer Temperatur von — 60°Cunterzog. Die diversen Verbindungen werden aus einem einzigen basisbildenden Gummi-Grundmaterial hergeleitet und durch Beimischung unterschiedlicher Mengen von Kohlenstoff zum Grundmaterial gebildet.

Wie ein Vergleich der Kurve A mit den Kurven G oder H zeigt, kann ein relativ weiches Material (= niedriger Elastizitätsmodul) mit geringer Beeinflussung des Schermoduls eine unterschiedliche Dehnung erfahren, im Gegensatz zu einem relativ steifen Material(= hoher Elastizitätsmodul). So ist z. B. bei 50% Dehnung die Differenz zwischen den Schermodulen der durch die Kurven A und G oder H dargestellten Verbindungen wesentlich kleiner als bei nur 5 % Dehnung. Anders ausgedrückt: je höher die erzeugte Dehnung ist, umsomehr tendiert ein Elastomer mit einem relativ hohen Schermodul sich gleich zu verhalten, wie ein Elastomer mit einem niedrigen Schermodul.

Die vorliegende Erfindung benützt dieses durch die Fig. 2 dargestellte Verhalten, indem ein elastomeres Lager aus zwei unterschiedlichen elastomeren Verbindungen aufgebaut wird, von welchen das eine eine relativ geringe Veränderung des Schermoduls (sowohl statisch als auch dynamisch) über einen weiten Dehnungs-Bereich aufweist, während das andere bei den gleichen Dehnungswerten grössere Schermodul-Veränderungen zeigt. Durch zweckdienliche Proportionierung der beiden Ver4

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bindungen in einer oder mehreren elastomeren Schichten ist es möglich, ein Lager zu bauen, bei welchem die Verteilung der durch Torsion erzeugten Dehnung für unterschiedliche Anregungsbewegungen innerhalb des Beanspruchungsbereiches des Lagers, über das ganze Lager nahezu konstant haltbar ist für den Fall, wie im US-PS 3 679197 (Schmidt) erläutert, dass jede nachgiebige Schicht aus einem anderen Elastomer besteht. Im letzteren Fall besitzt jedes Grundmaterial unter jeder Anregungsbedingung einen anderen Modul, so dass eine Optimierung der Deformationsverteilung für alle Schichten über den ganzen Bereich der erwarteten Anregungsbedingungen sehr schwierig ist.

Um bei der vorliegenden Erfindung eine optimale Dehnungsverteilung zu erzielen, wird jede nachgiebige Schicht eines bestimmten Lagers einer Computer-Analyse unterzogen, um die Dehnung in verschiedenen Abschnitten jeder Schicht für zwei unterschiedliche elastomere Grundmaterialien zu ermitteln, von welchen das eine eine relativ grosse Steifigkeit, und das andere eine relativ geringe Steifigkeit aufweist. Die Schicht wird bezüglich der maximalen und der minimalen Dehnungsgrade, denen das Lager aussetzbar sein soll, d. h. bei 50 % und 5 % Dehnung, untersucht. Wenn die erwarteten Dehnungen für jede Schicht bezüglich Maximal- und Minimal-Bedingungen für jede der beiden Grundelastomere ermittelt sind (jede Schicht wird bei der Computer-Elementbestimmung durch den Computer typisch in fünfzehn gleiche breite Elemente unterteilt), so ist es möglich zu berechnen, welcher Breitenanteil jeder Schicht aus dem einen und aus dem anderen der beiden Elastomere zu erstellen ist, um einen Dehnungsausgleich von Schicht zu Schicht bei maximaler und minimaler Anregung zu erzielen. In dieser Beschreibung wird unter «Breite» die Dimension verstanden, welche sich parallel zu den Schnittlinien der Schichten (10) und der Zeicheneben der Fig. 1 erstreckt. Daraus resultiert für ein kegelstumpf-förmiges Lager, dass in jeder aus zwei Grundmaterialien aufgebauten Schicht das steifere Material vom Innenrand ausgeht und sich in Richtung auf den äusseren Umfang erstreckt, während das weichere Grundmaterial vom äusseren Rand ausgeht und sich soweit gegen den inneren Umfang erstreckt, dass es auf das steifere Grundmaterial aufliegt. Zusätzlich nimmt die Breite des weicheren Grundmaterials üblicherweise mit dem mittleren Radius der einzelnen Schichten zu und ist am grössten an der äussersten Grundmaterialschicht und am geringsten in der innersten Grundmaterialschicht.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines kegel-stumpfförmigen laminierten Lagers zur Verwendung in einem Helikopter-Hauptrotor-Lagerungssystem. Das Lager enthält zwei ringförmige steife Metallendglieder 2 und 4, welche bezügliche stumpfkonische innere und äussere Flächen 6 und 8 aufweisen. Im fertigen Lager sind miteinander verbundene Schichten aus abwechslungsweise einem nachgiebigen Material 10 und einem nicht-nachgiebigen Material 12 zwischen den ringförmigen Metallgliedern 2 und 4 angeordnet, wobei deren Konusflächen 6 und 8 jeweils mit einer Schicht aus nachgiebigem Material verbunden ist. Das Lager enthält drei Schichten aus nachgiebigem Material. Das nachgiebige Material ist vorzugsweise ein Elastomer, z.B. Natur- oder synthetischer Gummi. Das Elastomer kann aber auch ein plastischer Kunststoff mit entsprechenden elastomeren Eigenschaften sein. Das nicht-elastische Material ist z. B. Stahl oder ein anderes entsprechendes Material wie z.B. Aluminium oder Titan, oder Fiberglas bzw. allgemein ein faserverstärkter Kunststoff. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, besitzen die Schichten 10 und 12 stumpfkonische Form und erstrecken sich parallel zu den Oberflächen 6 und 8 der beiden ringförmigen Metallendglieder 2 und 4.

Die Schichten 10 und 12 weisen jeweils gleiche Wandstärken auf, wobei die nicht-nachgiebigen Schichten 12 (nachstehend auch mit Zwischenlage bezeichnet) kleinere Wandstärke besitzen als die nachgiebigen Schichten 10. Selbstverständlich können

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die Zwischenlagen auch gleiche oder grössere Wandstärke aufweisen als die nachgiebigen Schichten. Weiterhin sind die nachgiebigen Schichten 10 so aufgebaut, dass sie an ihrem inneren Umfang steifer sind als an ihrem äusseren Umfang, und ferner so, 5 dass eine praktisch gleichmässige Deformationsverteilung sowohl in jeder Schicht als auch von Schicht zu Schicht resultiert. Dies wird erzielt, indem man die nachgiebigen Schichten aus zwei unterschiedlich nachgiebigen Grundmaterialien gemäss Fig. 1 aufbaut. Je nach den beim Lager gewünschten Eigenschaften 10 können die diversen elastomeren Schichten 10 in Abschnitte gleicher Breite aufgeteilt sein.

Die in der Zeichnung äusserste nachgiebige Schicht 10A wird erstellt, indem man auf die Innenfläche 6 des Endgliedes 2 zwei elastomere Grundmaterialien in der Form von stumpfkonischen 15 Abschnitten 101 und 102 auflegt, wobei der Abschnitt 101 aus einem elastomeren Material mit einem relativ hohen Elastizitätsmodul, und der Abschnitt 102 aus einem elastomeren Material hergestellt wird, dessen Elastizitätsmodul niedriger ist als derjenige des Abschnittes 101. Die Abschnitte werden so angebracht, 20 dass sie, wie ersichtlich aneinander anstossen. Dann wird eine Zwischenlage 12 auf die erste zusammengesetzte Schicht 10A aufgesetzt und die zweite, ebenfalls aus zwei Abschnitten bestehende elastomere Schicht 10B wird auf die erste Zwischenlage 12 aufgebaut. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die zweite ela-25 stomere Schicht im wesentlichen identisch mit der ersten, mit der Ausnahme, dass der Abschnitt 102 der zweiten Schicht weniger breit ist als der korrespondierende Abschnitt der ersten Schicht. Die beiden Abschnitte 101 und 102 der zweiten elastomeren Schicht weisen vorzugsweise die gleiche Gesamtbreite auf wie die 30 kombinierten Abschnitte der ersten Schicht. Sie brauchen aber nicht die gleiche Gesamtbreite aufzuweisen. Dies gilt auch für die dritte elastomere Schicht.

Die dritte elastomere Schicht 10C wird ebenfalls auf die oben beschriebene Weise aufgebaut, indem zuerst eine zweite Zwi-35 schenlage auf die zweite zusammengesetzte Schicht aufgesetzt, dann eine weitere elastomere Schicht mit zwei Abschnitten auf die zweite Zwischenlage aufgebaut wird. In dieser Schicht ist der Abschnitt 102 nochmals weniger breit als der Abschnitt 102 der zweiten elastomeren Schicht.

40 Nachdem die dritte nachgiebige Schicht eingebaut ist, wird das andere Endglied mit der nachgiebigen Schicht 10C in Eingriff gebracht. Hierauf werden die so zusammengesetzten Teilein einer Form unter Wärme- und Druckanwendung gegeneinander gedrängt, damit sich die beiden Abschnitte jeder der elastomeren 4:> Schichten miteinander und gleichzeitig mit der jeweils benachbarten Zwischenlage 12 bzw. dem bezüglichen Endglied 2 oder 4 verbinden. Im zusammengesetzten Lager ist j ede Gruppe der nachgiebigen Abschnitte 101 und 102 zu einer einzeigen Schicht vereinigt.

50 Beim Formen der Schichten kann weiteres elastomeres Material in die Form eingeführt werden, damit genügend Formdruck erzeugt werden kann, allfällige Spalte zwischen den verschiedenen Abschnitten ausgefüllt werden, und um die elastomeren Schichten auf ihre Sollabmessung zu bringen. Dieses elastomere 55 Transfer- oder Füllmaterial weist einen Elastizitätsmodul auf, der vorzugsweise dem Elastizitätsmodul der Abschnitte 102 entspricht. Material mit höherem oder niedrigerem Elastizitätsmodul ist aber auch verwendbar. Wie bereits erwähnt, macht dieses Transfer- oder Füllmaterial in jedem Fall um 15 % oder 60 weniger des Volumens jeder elastomeren Schicht des Lagers aus.

Das oben erwähnte Herstellungsverfahren ist besonders dort vorteilhaft, wo das nachgiebige Grundmaterial ein Elastomer ist, welches unter Wärme und Druckanwendung geschmolzen und geformt werden kann. Wenn das nachgiebige Grundmaterial ein 65 Gummi ist, schliessen die Verbindungsschritte Vulkanisierung ein. Andere Aspekte beim Aufbau und beim Verbinden der nachgiebigen Schichten, der metallischen Zwischenlagen und der Lagerendglieder 2 und 4 sind Fachleuten aus der Herstellung von

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laminierten elastomeren Lagern wohlbekannt und brauchen hier, weil sie nicht erfindungswesentlich sind, nicht im Detail erläutert zu werden.

Wie vorerwähnt, sind die Abschnitte 101 und 102 so angeordnet und proportioniert, dass eine ausgeglichene Deformationsverteilung resultiert und ferner ein optimales Gleichgewicht zwischen Deformationsverteilung, Ausbeulen und Federungsrate erzielt wird. Um den Ausbeuleffekt am Innenrand des Lagers gering zu halten, wird im Lagerscheitel oder am Innenumfang für die Abschnitte 101 ein Grundmaterial mit relativ hohem Elastizitätsmodul verwendet, weil die Abnützung und die druckabhängigen Scherdeformationen bekannterweise an dieser Stelle am grössten sind. Andererseits ist das Vermeiden von Ausbeulung an der Basis oder am Aussenumfang des Lagers nicht besonders wichtig. Die Verwendung eines Grundmaterials mit niedrigem Elastizitätsmodul im Abschnitt 102 des Lagers ist somit akzeptierbar. Wie im Beispiel gezeigt, sind die Schichten 10 und die Zwischenlagen 12 gleich breit. Indessen kann es vorteilhaft sein, wenn die Breite der Schichten 10 und der Zwischenlagen 12 mit steigendem Abstand von der Lagerzentrumsachse abnimmt.

Selbstverständlich ist der vorbeschriebene Lageraufbau nicht der einzig mögliche Weg zur Praktizierung der Erfindung, weil die relativen Proportionen der Abschnitte 101 und 102, die totale Schichtanzahl und die Anzahl der Zwei-Abschnitt-Schichten von der Lagergrösse, der Lagerbelastungscharakteristik, und den Elastizitätsmodulen der verwendeten elastomeren Grundmaterialien abhängen. Daraus ergibt sich, dass ein nach der vorliegenden Erfindung hergestelltes Lager eine relativ hohe Anzahl elastomerer Schichten, z. B. vierzehn aufweisen kann, wobei einige davon, beispielsweise die achsnächsten und/oder achsfernsten, aus einem einzigen Elastomer bestehen können, das entweder ein in den Zwei-Abschnitt-Schichten verwendetes Grundmaterial, oder ein weiteres Elastomer mit abweichendes Elastizi-tätsmodulist. Die relativen Dimensionen der Abschnitte 101 und 102 der elastomeren Schichten zur Erzeugung einer gleichförmigen Deformationsverteilung über einen bestimmten Bereich von deformationserzeugenden Eingangsimpulsen können durch die Computer-Element-Analyse gemäss einem Programm ermittelt werden, das von dem im US-PS 4105206 beschriebenen PEX-AP-Programm abgeleitet ist.

Das folgende Beispiel illustriert eine bevorzugte Form der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile.

Beispiel

Beim kegelstumpfförmigen Lager mit drei elastomeren Schichten gemäss der Zeichnung werden für die Schichten und die Zwischenlagen Dickendimensionen von 2,5 mm bzw. 1,25 mm verwendet. Die Abschnitte der einzelnen elastomeren Schichten weisen folgende Breite auf:

Schicht Abschnitt 101 Abschnitt 102

(10A) (10B) (10C)

0,0 mm 14,8 mm 27,2 mm

55,4 mm 40,6 mm 28,2 mm stizitätsmodul von 16 kg/cm2, und die Abschnitte 102 aus einem Material gefertigt, dass bei entsprechender Dehnung ein Elastizitätsmodul von 60 kg/cm2 besteht. Diese Werte sind Nenn-Elastizitätsmodule, und jedes der die Abschnitte 101 und 102 5 bildenden Materialien gehören zur gleichen Elastomerart, wobei die unterschiedlichen Elastizitätsmodule durch unterschiedliche Beimengungen von Kohlenstoff erzielt worden sind.

Die innere Oberfläche des äusseren Lager-Endgliedes 2 besitzt einen Durchmesser von 60,5 mm am einen Ende und von 119,2 10 mm am anderen Ende, während die äussere Oberfläche des inneren Lager-Endgliedes 4 einen Durchmesser von 42,9 mm am einen Ende und von 101,8 mm am anderen Ende aufweist.

Ein nach diesem Beispiel erstelltes Lager besitzt eine totale axiale Federsteifigkeit von 1020000 kg/cm (882000 lb/in) eine 15 totale Torsionssteifigkeit von

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In diesem Lager sind die Abschnitte 101 aus einem Material, dessen Dehnungsgrenze bei Scherbeanspruchung bei einem Ela20 und eine im wesentlichen ausgeglichene Scherdeformation von Schicht zu Schicht, wodurch eine gleichmässige Verschlechterung der Lagerqualität durch zyklische Torsionsbewegungen erreicht werden kann.

Im Gegensatz dazu zeigt ein Lager mit gleichen Dimensionen, 25 aber anderen elastomeren Grundmaterialien in jeder Schicht im wesentlichen die gleichen Deformationen in allen drei Schichten bei 50 % Dehnung, jedoch eine nicht ausgegüchene Dehnungsverteilung bei 5 % Dehnung, infolge der durch die Kurve in Fig. 2 dargestellten Dehnungs-Empfindlichkeit von Elastomeren.

Das Schichtstofflager kann auch anders als beschrieben aufgebaut sein. So braucht nur ein Teil der elastomeren Schichten in zwei Abschnitte unterteilt zu werden. Die Schichten können unterschiedliche Dicke aufweisen, das eingespritzte Füllmaterial kann als Dämmittel oder als Beulschutz dienen, oder das Lager kann eine andere Anzahl nachgiebiger Schichten aufweisen. Ausserdem kann das erfindungsgemässe Schichtstofflager anders als gezeigt geformt sein. So kann der Aussenmantel des Lagers angenähert kegelig oder zylindrisch gestaltet sein, wobei Abschnitte der elastomeren Schichten so angeordnet sein kön-40 nen, wie dies in den US-Patenten 4640690 und4105266 gezeigt ist. Die Endglieder oder Partien davon können auch kugelige Gestalt besitzen, beispielsweise wie in den US-Patenten 4105266,3429622,3941433,2900182und3790302 beschrieben. In jedemFall sind die gleichen Vorteile erzielbar, d. h. 45 Lager mit bestimmter Druck- und Torsionsbeanspruchung können aus nur zwei elastomeren Grundmaterialien gestaltet werden.

Ein anderer Vorteil besteht darin, das Lager mit besserer Scherdeformationsverteilung herstellbar sind, wodurch vorzeiti-50 ger Ausfall von Lagern infolge Ausquetschung und Abrieb vermeidbar ist, auch wenn das Lager häufigen Lastwechseln ausgesetzt ist. Zusätzlich ist es möglich, die Lager-Federkon-stante so einzustellen, dass die Verstellkraft, d. h. die von einem Betätigungsmittel aufzubringende Kraft, z. B. einem hydrauli-55 sehen Kolben niedrig gehalten werden kann. Dadurch kann die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit des Betätigungsmittels verbessert, und/oder ein leichteres Betätigungsmittel verwendet werden.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Schichtstofflager mit einem Schichtaufbau aus einer Anzahl abwechslungsweise miteinander verbundener elastomerer Schichten (10) und Schichten (12) aus einem nicht-nachgiebigen Material, wobei die Schichten (10; 12) so um eine gemeinsame Achse angeordnet sind, dass das Lager sowohl eine im wesentlichen senkrecht auf die Schichten einwirkende Drucklast, als auch eine um die genannte Achse wirksame Torsionsbeanspruchung aufzunehmen vermag und jede Schicht (10; 12) bezüglich der gemeinsamen Achse einen radial inneren Umfang und einen radial äusseren Umfang aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der elastomeren Schichten (10) in einem ersten Abschnitt (102) an ihrem äusseren Umfang aus einem Material mit einem ersten Nenn-Elastizitätsmodul besteht, der sich durch geringe Elastizitätsmoduländerungen bei grosser Dehnung auszeichnet, dass dieselbe Schicht (10) in einem zweiten Abschnitt (101) an ihrem inneren Umfang aus einem Material mit einem zweiten Nenn-Elastizitätsmodul besteht, der sich durch wesentlich grössere Elastizitätsmoduländerungen bereits bei einem Teil der besagten Dehnung auszeichnet, und dass die Breiten der ersten und zweiten Abschnitte (102,101) der Schichten (10) derart proportioniert sind, dass das Schichtstofflager über seinen gesamten Schichtaufbau eine annähernd gleichmässige Scher-Dehnungsverteilung aufweist.
2. 2. Schichtstofflager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtaufbau des Lagers kegelstumpfförmige Gestalt aufweist.
3. 3. Schichtstofflager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastizitätseigenschaften der elastomeren Schichten (10) durch die Elastizitätsmodule der ersten und zweiten Abschnitte festgelegt sind.
4. 4. Schichtstofflager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle Schichten (10,12) des Schichtaufbaus gleiche Dicke aufweisen.
5. 5. Schichtstofflager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Längenabmessungen der ersten und der zweiten Abschnitte ungleich sind.
6. 6. Schichtstofflager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breiten von mindestens einem Teil der ersten und der zweiten Abschnitte mit steigendem Abstand von der Lagerachse abnehmen.
7. 7. Schichtstofflager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle elastomeren Schichten die gleiche Dicke aufweisen.
8. 8. Schichtstofflager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Abschnitte solche Elastizitätsmodule aufweisen, dass der Widerstand des Lagers bei unterschiedlich grossen Drehauslenkungen im wesentlichen konstant ist.
9. 9. Schichtstofflager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine elastomere Schicht aus zwei Abschnitten aus unterschiedlichen elastomeren Materialien besteht und so gestaltet ist, dass diese Schicht nächst ihres inneren Umfangs einen höheren Elastizitätsmodul aufweist als nächst ihres äusseren Umfanges.
10. 10. Schichtstofflager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede der elastomeren Schichten aus zwei Abschnitten aus verschiedenen elastomeren Materialien besteht.
11. 11. Schichtstofflager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Schichtaufbau-Ende ein im wesentlichen nicht-flexibles Endglied (2,4) vorhanden ist, dass jedes Endglied eine mit der äusseren bzw. inneren Oberflächengestalt des Schichtaufbaus übereinstimmende Gegenfläche aufweist, und dass die jeweils benachbarte elastomere Schicht (10) mit dieser Oberfläche verbunden ist.