DE102004002739B4

DE102004002739B4 - Federelement

Info

Publication number: DE102004002739B4
Application number: DE200410002739
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Dr.-Ing. Ryzko; Jochen Dipl.-Phys. Zabold
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 2004-01-20
Filing date: 2004-01-20
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2024-01-21
Also published as: DE102004002739A1

Abstract

Federelement, umfassend ein erstes (1) und ein zweites Maschinenelement (2), die durch zumindest einen ersten Federkörper (3) aus Elastomerschaum elastisch nachgiebig miteinander verbunden sind, wobei der Elastomerschaum zellig ausgebildet ist und eine Dichte aufweist, die zumindest 0,85 g/cm³ beträgt und wobei die Zellgröße des Elastomerschaums höchstens 100 μm beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Federelement.
Federelemente sind allgemein bekannt und gelangen beispielsweise als Schwingungsdämpfer oder Kupplung zur Anwendung. Dabei umfassen die Federelemente einen ersten Federkörper aus elastomerem kompaktem, d.h. nicht-zelligem Werkstoff, der deshalb als Kompakt-Federkörper bezeichnet wird. Nachteile dieser kompakten Federkörper ist insbesondere das sogenannte Anfahrverhalten. Bei Einleitung kleinamplitutiger Schwingungen mit niedriger Frequenz in einen solchen Federkörper, beispielsweise Auslenkungen im Bereich von 10 mm und Frequenzen bis 20 Hz, verhält sich der Kompakt-Federkörper recht steif. Diese Schwingungen können nicht zufriedenstellend isoliert werden.

Ein Federelement ist aus der EP 1 281 887 A2 bekannt. Das Federelement umfasst ein erstes und ein zweites Maschinenelement, die durch einen Federkörper aus Elastomerschaum elastisch nachgiebig miteinander verbunden sind, wobei der Elastomerschaum zellig ausgebildet ist und eine Dichte zwischen 0,2 und 1,1 g/cm³ aufweist.

Der Federkörper besteht beispielsweise aus zelligen Polyurethan-Elastomeren und ist ohne Haftvermittler mit den beiden Maschinenelementen verbunden.

Aus der EP 0 657 281 A1 ist ein mehrlagiges Bauelement bekannt, das aus einem Kern aus Kunststoffschaum und mindestens einer auf einer Oberfläche des Kerns angeordneten und mit dieser kraft- oder formschlüssig verbundenen Deckschicht mit einem Tragkörper aus Fasern bzw. Fäden besteht. Die Fasern bzw. Fäden des Tragkörpers sind in eine die Deckschicht bildende Schicht aus thermoplastischem Kunststoff eingebettet und über diese am Kern angeformt und kraft- bzw. formschlüssig mit diesem verbunden. Der Kunststoffschaum ist beispielsweise ein Polyurethanschaum, mit einer Dichte zwischen 0,7g/cm³ und 1,3 g/cm³.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Federelement der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass dieses ein gutes Anfahrverhalten aufweist, wobei insbesondere kleine Auslenkungen bei niedrigen Frequenzen besser isoliert werden sollen. Die Gebrauchseigenschaften hinsichtlich der Isolierung kleinamplitudiger, niedrigfrequenter Schwingungen sollen verbessert werden. Außerdem soll das Federelement gleichbleibend gute Gebraucheigenschaften während einer langen Gebrauchsdauer aufweisen.

Diese Aufgabe wir erfindungsgemäßen mit dem Merkmal von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.

Zur Lösung der Aufgabe ist ein Federelement vorgesehen, umfassend ein erstes und ein zweites Maschinenelement, die durch zumindest einen Federkörper aus Elastomerschaum elastisch nachgiebig miteinander verbunden sind, wobei der Elastomerschaum zellig ausgebildet ist und eine Dichte aufweist, die zumindest 0,85 g/cm³ beträgt. Die Verwendung von Elastomerschäumen mit einer für Schäume relativ hohen Dichte von zumindest 0,85 g/cm³, ist für schwingungstechnische Anwendungen besonders vorteilhaft, da der Federkörper – bezogen auf Kompakt-Federkörper – besonders feinfühlig auch auf kleine Auslenkungen der beiden Maschinenelemente, relativ zueinander anspricht. Bei kleinen Auslenkbewegungen und geringen Frequenzen ist der Federkörper durch die beanspruchte Dichte vom zumindest 0,85 g/cm³, im Gegensatz zu Kompakt-Federkörpern, vergleichsweise weich und kann dadurch die eingeleiteten Schwingungen ausgezeichnet isolieren.

Für eine effiziente Schwingungsisolierung wären Elastomerschäume mit einer Dichte, von weniger als 0,85 g/cm³ nicht geeignet, da die Abstützung des ersten und zweiten Maschinenelements aufeinander mittels des Federkörpers, in einem solchen Fall nicht zufriedenstellend wäre. Besonders gute Gebrauchseigenschaften hinsichtlich der Isolierung kleinamplitutiger, niedrigfrequenter Schwingungen weist das Federelement auf, weil die Zellgröße des Elastomerschaums höchstens 100 μm beträgt. Wäre die Zellgröße größer als 100 μm, hätte dies den Nachteil, dass die geforderte Bauteilfestigkeit unter dynamischer Belastung nicht gegeben wäre.

Bevorzugt beträgt die Dichte 0,85 bis 1,3 g/cm³.

Die Oberfläche des ersten Federkörpers ist bevorzugt geschlossenzellig ausgebildet. Durch die geschlossenzellige Oberfläche ist die Anbindung des ersten Federkörpers an die beiden abzustützenden Maschinenelemente vereinfacht. Die Oberfläche für die Verbindung der beiden Maschinenteile mit dem Federkörper ist, bezogen auf eine offenporige Oberfläche, vergleichsweise groß. Das Federelement weist dadurch eine gute Haltbarkeit während einer langen Gebrauchsdauer auf.

Der Elastomerschaum kann ein BR-, NR-, NBR- oder AEM-Schaum sein.

Das erste Maschinenelement kann als Innenhülse und das zweite Maschinenelement als Außenhülse eines Schwingungsdämpfers ausgebildet sein. Die Innen- und die Außenhülse bestehen dabei aus einem zähharten, bevorzugt metallischen Werkstoff. Dabei ist von Vorteil, dass derartige Hülsen einfach und kostengünstig herstellbar sind. Auch eine adhäsive Verbindung des ersten Federkörpers mit den beiden Maschinenelementen, beispielsweise durch Vulkanisation, ist problemlos möglich.

Das erste Maschinenelement kann als Krafteinleitungselement und das zweite Maschinenelement als Kraftausleitungselement einer Kupplung ausgebildet sein. Der Federkörper überträgt dabei primär Umfangskräfte, jedoch ebenfalls Axial- und Radialkräfte, die während der bestimmungsgemäßen Verwendung der Kupplung in den Federkörper eingeleitet werden.

Speziell dann, wenn das Federelement als Kupplung zur Anwendung gelangt, ist von Vorteil, dass die Maschinenelemente und der erste Federkörper einander zugewandte Oberflächen aufweisen, die fest miteinander verbunden sind. Dabei ist von Vorteil, dass es während der bestimmungsgemäßen Verwendung des Federelements zu keinem abrasiven Verschleiß, beispielsweise an der Oberfläche des Federkörpers kommt, da Schlupf in diesem Bereich durch die feste Verbindung ausgeschlossen ist.

Alternativ zur Vulkanisation des Federkörpers zwischen erstem und zweitem Maschinenelement besteht die Möglichkeit, dass der erste Federkörper mit dem ersten und dem zweiten Maschinenelement verklebt wird.

Einer gehafteten Verbindung des ersten Federkörpers an den direkt angrenzenden Bauteilen wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Vorzug gegeben. Ausschließlich kraftschlüssige Verbindungen zwischen den Maschinenelementen und dem Federkörper sind zwar ebenfalls denkbar, im Hinblick auf Schlupf zwischen den Teilen und daraus resultierendem abrasivem Verschleiß jedoch wenig zufriedenstellend.

Der erste Federkörper aus Elastomerschaum kann mittels eines ersten Kompakt-Federkörpers aus elastomerem Werkstoff am ersten Maschinenelement und mittels eines zweiten Kompakt-Federkörpers aus elastomerem Werkstoff am zweiten Maschinenelement festgelegt sein der erste Federkörper ist sandwichartig zwischen den beiden Kompakt-Federkörper angeordnet. Durch die Variation der Schichtdicke und Dicke von geschäumten und nicht-geschäumten Schichten kann die Feder- und Dämpfungscharakteristik (Unstetigkeit, Steigung, Krümmung) an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.

Die Maschinenelemente, der erste Federkörper und die Kompakt-Federkörper können einander konzentrisch zugeordnet sein. Die konzentrische Zuordnung erfolgt beispielsweise derart, dass das erste Maschinenelement durch eine Innenhülse gebildet ist, die außenumfangsseitig vom ersten Kompakt-Federkörper anliegend umschlossen ist. Der erste Kompakt-Federkörper ist vom zweiten Kompakt-Federkörper mit radialem Abstand außenumfangsseitig umschlossen, wobei in dem durch den Abstand gebildeten Spalt der Federkörper aus Elastomerschaum angeordnet ist. Der Federkörper aus Elastomerschaum berührt innenumfangsseitig den ersten Kompakt-Federkörper und radial außenseitig den zweiten Kompakt-Federkörper unmittelbar anliegend.

Außenumfangsseitig ist der zweite Kompakt-Federkörper vom zweiten Maschinenelement, das beispielsweise durch eine Außenhülse gebildet ist, umschlossen.

Der erste Federkörper kann, im Querschnitt betrachtet, im Wesentlichen sternförmig ausgebildet sein, insbesondere als achteckiger Stern. Die sternförmige Ausbildung ist notwendig, wenn von Kraftübertragungselementen Tangentialkräfte übertragen werden sollen. Die gewünschte Wirkung des Schaums auf die Feder- und Dämpfungscharakteristik kommt nur dann zur Geltung, wenn der Schaum auf Druck belastet wird.

Das erste Maschinenelement kann von einem ersten Federkörper unmittelbar anliegend umschlossen sein.

Der erste Federkörper kann von einem zweiten Federkörper aus Elastomerschaum mit radialem Abstand umschlossen sein, wobei der Elastomerschaum des zweiten Federkörpers zellig ausgebildet ist und eine Dicht von zumindest 0,85 bis 1,3 g/cm³ aufweist, wobei in dem durch den Abstand gebildeten Spalt ein erster Kompakt-Federkörper angeordnet ist, der die einander zugewandten Oberflächen von erstem und zweitem Federkörper verbindet, dass der zweite Federkörper vom zweiten Maschinenelement mit radialem Abstand umschlossen ist, wobei in dem durch den Abstand gebildeten zweiten Spalt ein zweiter Kompakt-Federkörper angeordnet ist, der die einander zugewandten Oberflächen von zweitem Federkörper und zweitem Maschinenelement verbindet. Auch bei einer solchen Ausgestaltung ist es von Vorteil, wenn die Zellgröße des Elastomerschaums des zweiten Federkörpers höchstens 100 μm beträgt. Der Elastomerschaum des ersten und des zweiten Federkörpers kann gleich oder voneinander abweichend beschaffen und/oder gestaltet sein. Sind die Elastomerschäume des ersten und des zweiten Federkörpers gleich, ist die Herstellung des Federelements einfach und kostengünstig durchführbar.
Unterscheiden sich demgegenüber die Elastomerschäume von erstem und zweitem Federkörper, kann das Federelement besonders gut auf die jeweiligen Gegebenheiten des Anwendungsfalles abgestimmt werden.
Dadurch kann die Feder- und Dämpfungscharakteristik des Bauteils an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
Das Verhältnis aus radialer Dicke zumindest einer der Federkörper aus Elastomerschaum zu radialer Dicke zumindest eines der Kompakt-Federkörper kann 0,5 bis 2 betragen.
Um abrasiven gebrauchsdauerverringernden Verschleiß durch Schlupf vermeiden zu können, ist es sinnvoll, dass die einander berührenden Oberflächen von Federkörper und Kompakt-Federkörper fest miteinander verbunden sind. Wie zuvor bereits beschrieben, kann eine derartige Verbindung beispielsweise durch Vulkanisation oder Verklebung erfolgen.
Drei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Federelements werden nachfolgend anhander der beigefügten 1, 2 und 3 näher erläutert. Diese zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
1: Ein erstes Ausführungsbeispiel, das aus nur drei Bauteilen, nämlich dem ersten, dem zweiten Maschinenelement und dem ersten Federkörper besteht.
2: Ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem der erste Federkörper einen ersten Kompakt-Federkörper außenumfangsseitig umschließt und seinerseits von einem zweiten Kompakt-Federkörper außenumfangsseitig umschlossen ist.
3: Ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem in radialer Richtung zwischen den beiden Maschinenelementen zwei Federkörper aus Elastomerschaum angeordnet sind.
In den 1 bis 3 ist jeweils ein Federelement in schematischer Darstellung gezeigt. Die hier gezeigten Federelemente können als Schwingungsdämpfer oder als Kupplung Verwendung finden.
Jedes der Federelemente umfasst ein erste Maschinenelement 1 und ein zweites Maschinenelement 2, wobei die beiden Maschinenelemente 1, 2 in diesen Ausführungsbeispielen konzentrisch zueinander angeordnet sind. das erste Maschinenelement 1 ist durch eine Innenhülse gebildet, die von zweiten Maschinenelement 2, das als Außenhülse ausgebildet ist, mit radialem Abstand umschlossen ist. Innerhalb des durch den abstand gebildeten spaltes ist zumindest ein erster Federkörper 3 aus Elastomerschaum angeordnet, der die beiden Maschinenelemente 1, 2 elastisch nachgiebig miteinander verbindet. Der Elastomerschaum des ersten Federkörpers 3 ist zellig ausgebildet und weist in jedem der Ausführungsbeispiele eine Dichte auf, die größer als 1 g/cm³ ist. Eine typische Dichte für die zur Anwendung gelangenden Elastomerschäume liegt im Bereich zwischen 0,85 g/cm³ und 1,3 g/cm³.
Der Elastomerschaum weist jeweils eine Zellgröße auf, die höchsten 100 μm beträgt, wobei die Oberfläche des ersten Federkörpers 3 in den hier gezeigten Ausführungsbeispielen jeweils geschlossenzellig ausgebildet ist. Dadurch kann eine bessere Anbindung des Federkörpers 3 an die miteinander zu verbindenden Teile erfolgen.
Alle Teile, die das Federelement umfasst, sind im Bereich ihrer Anbindungsflächen fest miteinander verbunden; Schlupf tritt an diesen Stellen nicht auf.
In 1 ist ein erstes, besonders einfaches Ausführungsbeispiel eines Federelements gezeigt. Das Federelement umfasst ausschließlich ein erstes 1 und ein zweites Maschinenelement 2, wobei beide Maschinenelemente 1, 2 im Querschnitt betrachtet, kreisringförmig ausgebildet sind. Das zweite Maschinenelement 2 umschließt das erste Maschinenelement 1 mit radialem Abstand, wobei in dem durch den Abstand gebildeten Spalt der Federkörper 3 aus Elastomerschaum angeordnet ist.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Federelements gezeigt, bei der der erste Federkörper 3 sternförmig ausgebildet ist und dem ersten 1 und dem zweiten Maschinenelement 2 jeweils mit radialem Abstand benachbart, jedoch konzentrisch zugeordnet ist.
Der erste Maschinenelement 1 ist umfangsseitig von einem ersten Kompakt-Federkörper 8 aus elastomerem Werkstoff umschlossen. Dieser ist außenumfangsseitig vom ersten Federkörper 3 aus Elastomerschaum umschlossen, wobei der erste Federkörper 3 aus Elastomerschaum außenumfangsseitig von einem zweiten Kompakt-Federkörper 9 umschlossen ist. Das erste Maschinenelement 1, der Kompakt-Federkörper 8, der erste Federkörper 3 aus Elastomerschaum und der zweite Kompakt-Federkörper 9 sind außenumfangsseitig vom zweiten Maschinenelement 2 umschlossen.
In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel gezeigt, das im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen zwei Federkörper 3, 10, jeweils aus Elastomerschaum, umfasst. Der erste Federkörper 3 ist vom zweiten Federkörper 10 aus Elastomerschaum mit radialem Abstand umschlossen, wobei der Elastomerschaum des zweiten Federkörpers 10, ebenfalls zellig ausgebildet ist und eine Dichte von mehr als 1 g/cm³ aufweist. In dem durch den Abstand gebildeten ersten Spalt 11 ist der erste Kompakt-Federkörper 8 angeordnet, der aus einem nicht-zelligen, kompakten Elastomerwerkstoff besteht. Der erste Kompakt-Federkörper 8 verbindet die einander zugewandten Oberflächen 6, 12 von erstem 3 und zweitem Federkörper 10, wobei der zweite Federkörper 10 vom zweiten Maschinenelement 2 mit radialem Abstand umschlossen ist. In dem durch diesen Abstand gebildeten zweiten Spalt 13 ist eine zweiter Kompakt-Federkörper 9 angeordnet. Der zweite Kompakt-Federkörper 9 verbindet die einander zugewandten Oberflächen 14, 7 von zweitem Federkörper 10 und zweitem Maschinenelement 2.

Claims

Federelement, umfassend ein erstes (1) und ein zweites Maschinenelement (2), die durch zumindest einen ersten Federkörper (3) aus Elastomerschaum elastisch nachgiebig miteinander verbunden sind, wobei der Elastomerschaum zellig ausgebildet ist und eine Dichte aufweist, die zumindest 0,85 g/cm³ beträgt und wobei die Zellgröße des Elastomerschaums höchstens 100 μm beträgt.
Federelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte 0,85 bis 1,3 g/cm³ beträgt.
Federelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des ersten Federkörpers (3) geschlossenzellig ausgebildet ist.
Federelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastomerschaum ein BR-, NR-, NBR- oder AEM-Schaum ist.
Federelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Maschinenelement (1) als Innenhülse und das zweite Maschinenelement (2) als Außenhülse eines Schwingungsdämpfers ausgebildet ist.
Federelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Maschinenelement (1) als Krafteinleitungselement und das zweite Maschinenelement (2) als Kraftausleitungselement einer Kupplung ausgebildet ist.
Federelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenelemente (1, 2) und der erste Federkörper (3) einander zugewandte Oberflächen (4, 5; 6, 7) aufweisen, die fest miteinander verbunden sind.
Federelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen (4, 5; 6, 7) adhäsiv verbunden sind.
Federelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Federkörper (3) aus Elastomerschaum mittels eines ersten Kompakt-Federkörpers (8) aus elastomerem Werkstoff am ersten Maschinenelement (1) und mittels eines zweiten Kompakt-Federkörpers (9) aus elastomerem Werkstoff am zweiten Maschinenelement (2) festgelegt ist.
Federelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenelemente (1, 2), der erste Federkörper (3) und die Kompakt-Federkörper (8, 9) einander konzentrisch zugeordnet sind.
Federelement nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Federkörper (3), im Querschnitt betrachtet, im Wesentlichen sternförmig ausgebildet ist.
Federelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Federkörper (3) als acht-eckiger Stern ausgebildet ist.
Federelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Maschinenelement (1) von dem ersten Federkörper (3) unmittelbar anliegend umschlossen ist.
Federelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Federkörper (3) von einem zweiten Federkörper (10) aus Elastomerschaum mit radialem Abstand umschlossen ist und dass der Elastomerschaum des zweiten Federkörpers (10) zellig ausgebildet ist und eine Dichte von 0,85 g/cm³ bis 1,3 g/cm³ aufweist, dass in dem durch den Abstand gebildeten ersten Spalt (11) ein erster Kompakt-Federkörper (8) angeordnet ist, der die einander zugewandten Oberflächen (6, 12) von erstem (3) und zweitem Federkörper (10) verbindet, dass der zweite Federkörper (10) vom zweiten Maschinenelement (2) mit radialem Abstand umschlossen ist, dass in dem durch den Abstand gebildeten zweiten Spalte (13) ein zweiter Kompakt-Federkörper (9) angeordnet ist, der die einander zugewandten Oberflächen (14, 7) von zweitem Federkörper (10) und zweitem Maschinenelement (2) verbindet.
Federelement nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis aus radialer Dicke zumindest eines der Federkörper (3, 10) aus Elastomerschaum zu radialer Dicke zumindest eines der Kompakt-Federkörper (8, 9) 0,5 bis 2 beträgt.
Federelement nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die einander berührenden Oberflächen (6, 12, 15, 16, 17, 18) der Federkörper (3, 10) und Kompakt-Federkörper (8, 9) fest miteinander verbunden sind.