CN104822963B - 轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轴承(1，1′，1″，1″′)，其包括第一盖板(2)和第二盖板(3)，其中在第一盖板(2)和第二盖板(3)之间布设弹性体层(4)。本发明的目的在于设计和改进上述类型的轴承，以便低成本地制造的所述轴承具有较长的使用寿命。所述轴承的特征在于加强纤维(5)配给所述弹性体层(4)。

Description

轴承
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的轴承。
背景技术
从背景技术中已知，将粗纱(rovings)形式的连续纤维作为加强材料置入弹性体中。所述连续纤维被用作例如三角带中的加强材料或用作软管、轮胎和空气弹簧气囊中的织物。
此外，从背景技术中还已知构造为多层弹簧的轴承。所述多层弹簧具有橡胶-金属结构。EP2 360 388 A公开了上述类型的多层弹簧。
从文献“ELASTOMERLAGER——Konzeption undBemessung”(“纤维加强弹性体轴承-概念和设计”)中(Ulrich Gerhaher；维也纳，2010年8月)获知结构轴承(structural bearings)。
至今已知的多层结构轴承费用高昂，这是因为必须制造大量的金属板。此外，轴承在加工方面成本也特别高，这是因为必须对金属板进行清洁和涂层。此外，还必须将金属板置入模具中。
制造所述具有金属板和弹性体层的这种类型的轴承在工艺过程上不易被掌控。在喷射弹性体期间可能发生金属板在模具中弯曲变形。
特别地，为了使轴承脱模，相对较为昂贵的模具必须分型。此外，有时还必须设置所谓的折叠型芯(collapsing core)来使中心孔脱模。
在已知的轴承中，弹性体的负载可能特别不均匀。膨胀可能主要集中在弹性体的外部边缘。在负载的情况下，弹簧常数的上升(即轴承的累进性)受到弹性体中允许的膨胀限制。阻尼受到在通常使用的弹性体中的可实现的损耗角限制。
发明内容
因此，本发明基于以下目的：以低成本地制造的轴承具有较长使用寿命的方式设计和改进开头所述类型的轴承。
本发明通过权利要求1的特征实现前述的目的。
按照本发明首先认识到，已知的轴承在制造上相对较为昂贵。此外，已经意识到不能通过金属板在各个位置以集中方式产生阻止弹性体层的变形，而是通过在整个表面上的加强纤维以“传播(spread)”方式产生。
弹性体层的变形基本上很小，因此在金属板端部的弹性体中不会出现局部的膨胀峰值。完全取消了采购和加工中间板。可以将两个盖板之间的总结构高度用于较低的抗剪刚度。在已知的轴承中中间金属板的厚度降低所述可使用的高度。
通过使用加强纤维可以更加容易和低成本地选择用于制造模具的几何形状。例如可以是圆柱体形状并且无需分型。
由此，以低成本地制造的所述轴承具有较长使用寿命的方式设计轴承。
因此，实现上述目的。
所述轴承能够在两个彼此正交的方向显示两个刚度值，其中所述刚度值之间相差高达15000的因数。所述数值范围的下限值为代表没有差别的因数0.2。优选在两个正交方向差别极大的刚度可以通过使用加强纤维替代金属板以及摒弃现有技术实现，所述现有技术在用于设置橡胶弹簧和橡胶轴承中的刚度比的“形状因数”方面受传统思想影响。
加强纤维可以环绕或包围弹性体层或嵌入弹性体层的径向外部的区域中。轴承的抗压刚度主要通过在弹性体层的圆周上的加强纤维的弹性模量和数量决定。通过选择加强纤维的材料和数量可以设置具有一个几何形状的特别不同的刚度并且也可以设置加强纤维的强度的不同利用率。
例如可以选择E＝1500-3000N/mm2的尼龙、E＝53000N/mm2的芳纶或E＝85000N/mm2的聚乙烯作为材料。此外，也可以使用金属(尤其是钢)作为材料，这是因为金属具有高的E-模量(弹性模量)。
加强纤维可以至少部分地在相对于轴承纵轴以不同于90°角度倾斜的平面中伸展。通过倾斜的加强纤维可以提高轴承的抗剪刚度。由此开辟新的要求轴承的确定抗剪刚度的应用区域。所述轴承可以作为例如在有轨车 辆中的主要弹簧使用。
加强纤维可以形成粗纱或布设在粗纱中。通过粗纱的定向，可以有目的地设置轴承的横向刚度。通过优选没有精确地在圆周方向定向的粗纱，可以设置横向刚度并且可以将轴承应用于有轨车辆中的主要弹簧装置。例如通过将并排排列的加强纤维与橡胶一起轧制可以制造粗纱。
此外，可以设想使用成品经编织物，其中在橡胶中嵌入了加强纤维。加强纤维可以重叠地或不重叠地两次或多次环绕弹性体层的外圆周伸展。借此阻止加强纤维与另一个加强纤维搭接和加强纤维之间的弹性体层内的弹性体流出。
粗纱可以由多层平行布设的所谓的加强纤维粗纱构成。各层可以在加强纤维的方向不同。可以通过相对于生产方向的角度说明加强纤维的定向。其中生产方向为0°层。
有两层(所谓的双轴向)的粗纱，其中加强纤维的定向为例如0°和90°。也可为+45°/-45°的定向。
此外，还有包括定向为90°、-45°、0°和+45°的层的多层(所谓的多轴向的)粗纱，其中在此提供四层的结构。
通常这些层首先没有彼此接结。为了获得更好的可加工性，可以将这些层编织在一起。非波浪形的、直线铺设的纤维能够吸收特别高的负载。但是，与粗纱相反，在织物中纤维呈波浪形。
已经用弹性体浸渍的粗纱是可以快速加工的，但是具有加强纤维或加强纤维粗纱的长度有限的缺点。因此，在这种类型的粗纱中需要围绕弹性体层至少两圈。
加强纤维可以形成为连续的丝或连续纤维。由此，能够毫无问题地将加强纤维缠绕在弹性体层上面。可以将连续的丝或连续纤维围着弹性体层的外周表面缠绕例如100圈。加强纤维优选地紧密地并排排列，尤其在倾斜布置中。但是也可以设想在加强纤维之间保持加强纤维间距。但是，在每一种情况下必须保证不会有加强纤维之间的弹性体流出。在这个背景下可以设想将无纺布(优选薄的无纺布)铺设在加强纤维和弹性体之间。
弹性体层可以具有在其内部的凹部，该凹部填充有气体和/或液体。通 过液体注入能够节省成本高昂的弹性体，优选为在轴承的中心注入液体。硫化时间被大幅缩短，因为也能够从内部加热块状的弹性体层。通过替代液体注入气体或除液体之外再注入气体，可以在较大的极限范围内形成累进的特性。
在凹部中形成气体室和液体室，它们通过喷嘴和/或节流阀彼此流体连接。由于通过喷嘴和/或节流点将一个或多个气体室和液体室分隔开，所以轴承可以额外地在竖直方向承担阻尼任务。
在此描述的轴承原则上可以用于替代在两个方向的刚性差别大的全部橡胶-金属部件。
特别地，包括多层金属板的多层弹簧也属于此类，正如它们被应用在例如有轨车辆的辅助弹簧系统中一样。轴承同样也可以作为结构轴承用于支撑建筑物和桥梁。所述轴承可以用作有轨车辆的主要弹簧或辅助弹簧或应用在其中，或用作结构轴承或桥梁轴承。
对于设计为实心弹簧的轴承，从分析、简化的观察角度得出下述结论：
其中CD＝抗压刚度，CS＝抗剪刚度，d＝加强纤维覆层的平均厚度，D＝弹簧的直径，EF＝加强纤维的拉伸模量，以及G＝弹性体的剪切模量。
对于设计为填充有液体的空心弹簧的轴承，从分析、简化的观察角度得出下述结论：
其中Di＝空心弹簧的内径(孔)。
实际的刚性比的范围从下述数值，
这是针对薄的单个加强纤维层情况下的无孔实心弹簧，其中d/D＝0.00025，EF＝1000N/mm2和G＝1.5N/mm2，
变化到
这是针对厚的加强纤维层情况下的填充有液体的弹簧，其中d/D＝0.033，Di/D＝0.75，EF＝210000N/mm2和G＝1N/mm2。
最低的抗剪刚度将通过0°的加强纤维角实现，这与纯的切向绕组相对应。
通过将加强纤维倾斜至45°可以有目的地调节轴承的横向刚度。优选使抗压刚度在仅仅0°-15°范围的微弱变化而实现不同横向刚度。
通常以小的加强纤维间距紧密地绕制加强纤维，或使用加强纤维间距小的粗纱。
优选加强纤维间距具有在小于加强纤维直径到加强纤维直径的4倍的范围的数值。
在加强纤维间距大于4倍的加强纤维直径的情况下，由于轴承的最大竖直负载，所以加强纤维之间的弹性体可能不稳定地流出的危险会上升。
对于包括交叉倾斜的加强纤维的轴承可以选择较大的加强纤维间距，优选在15°的倾角的情况下选择高达6倍的加强纤维直径和在45°的倾角的情况下选择高达10倍的加强纤维直径。
在由设计造成的较大的加强纤维间距的情况下，即在特别软弹簧的情况下，为了防止弹性体流出，可以在加强纤维层的下面放置优选由相同的材料或弹性模量较低的材料构成的无纺布，所述无纺布在较大的加强纤维间距的情况下阻止弹性体流出。通常使用0.1mm-0.5mm厚的未接结的无纺布。
优选使用塑料纤维作为加强纤维。对于防火应用优选使用芳纶纤维或金属纤维。
可以使用碳纤维和金属纤维、优选钢纤维来产生特别高的刚度比。
优选使用钢纤维以产生很少的沉淀。
在此所述的轴承可以应用在建筑机械或农用机械中。也可以将所述轴承用作电机轴承，这是因为所述轴承具有很低的重量并且能够设计成耐腐蚀的。
所述轴承可以用作结构轴承，这是因为其具有简单的设计结构并且可以低成本制造。优选能够使用钢纤维，以便产生较少的沉淀。
可以使用所述轴承来支撑振动辊，这是因为可以设置高的刚度比和能够以成本低制造。
也可以设想在风力发电应用中使用所述轴承作为电机/齿轮轴承，这是因为在高刚度的情况下可以实现转矩支撑、低重量和耐腐蚀的结构形式，尤其含有芳纶纤维或钢纤维作为防火覆层。
所述轴承可以用作海运应用或中央供暖站中大型电机的电机轴承。优选可以实现转矩支撑，低重量以及耐腐蚀的结构形式，尤其含有芳纶纤维或钢纤维作为防火覆层。
在工业领域，可以使用所述轴承来支撑压缩机，用来具有间隙补偿的管道支撑装置和用来补偿热膨胀。所述轴承具有高的刚度比并且成本低。
附图说明
在附图中：
图1示出填充有气体和液体的轴承，
图2示出填充有气体和液体的轴承，其中在气体室和液体室之间布设喷嘴，
图3示出其中轴承通过外部液压蓄能器与液体室相连接的结构，和
图4示出已经在压力条件下填充有气体和液体的另一种轴承。
具体实施方式
图1示出轴承1，其包括第一盖板2和第二盖板3，其中在第一盖板2和第二盖板3之间布设弹性体层4。加强纤维5配给所述弹性体层4。所述轴承1在两个彼此正交的方向显示两个刚度值，其中所述刚度值之间相差高达15000的因数。
加强纤维5围绕和包围弹性体层4。所述加强纤维5在弹性体层4的外圆周面上伸展，其中所述弹性体层以夹持方式容纳在盖板2和盖板3之间。由此，加强纤维5不是弹性体层4的一部分，而是由与弹性体层4不同的材料制成。
弹性体层4在其内部具有凹部6，所述凹部6填充有气体7和液体8。
图2示出轴承1′，在所述轴承中，在凹部6中形成气体室7a和液体室8a，液体室8a可以通过喷嘴9与气体室7a流体连接。
图3示出具有外部液压蓄能器10和轴承1″的结构，其中凹部6填充有液体8，凹部6与外部液压蓄能器10流体连接。
图4示出处于内压下的轴承1″′。在制造过程中生成所述内压。这提供另一种改变所述轴承1″′的特性的可能性。
在图1至图4中示出的轴承1，1′，1″，1″′可以替代多层弹簧，在这多层弹簧中通常在两个盖板之间布设大量的金属板和弹性体层。

Claims (9)

1.一种轴承(1，1＇，1″，1″＇)，其包括第一盖板(2)和第二盖板(3)，其中在所述第一盖板(2)和所述第二盖板(3)之间布设弹性体层(4)，其特征在于，加强纤维(5)在所述弹性体层(4)的外圆周面上伸展，并且由与所述弹性体层(4)不同的材料制成。
2.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，在彼此正交的两个方向上的两个刚度值，其中所述刚度值之间相差高达15000的倍数。
3.根据权利要求1或2所述的轴承，其特征在于，所述加强纤维(5)包围所述弹性体层(4)或嵌入所述弹性体层(4)的径向外部区域中。
4.根据权利要求1或2所述的轴承，其特征在于，所述加强纤维(5)至少部分地在相对于所述轴承(1，1＇，1″，1″＇)的纵轴以不同于90°的角度倾斜的平面中伸展。
5.根据权利要求1或2所述的轴承，其特征在于，所述加强纤维(5)形成粗纱或所述加强纤维(5)布置在粗纱中。
6.根据权利要求1或2所述的轴承，其特征在于，所述加强纤维(5)形成为连续的丝。
7.根据权利要求1或2所述的轴承，其特征在于，所述弹性体层(4)具有在其内部的凹部(6)，所述凹部(6)填充有气体(7)和/或液体(8)。
8.根据权利要求7所述的轴承，其特征在于，在所述凹部(6)中形成气体室(7a)和液体室(8a)，所述液体室(8a)通过喷嘴(10)和/或节流阀与所述气体室(7a)流体连接。
9.一种将权利要求1-8中任一项所述的轴承(1，1＇，1″，1″＇)用作弹簧的使用方法。
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