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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwingungsisolationseinheit mit einer Anordnung aus federnden und dämpfenden Elastomerkörpern, die auf mehreren schräg zu einer horizontalen Unterseite und zueinander ausgerichteten ebenen Stützflächen eines Unterteils aufliegen und auf ihrer Oberseite ein Oberteil zur Aufnahme eines gegen Schwingungen zu isolierenden Objekts tragen.
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Eine Schwingungsisolationseinheit dieser Art ist in der
DE 10 2013 106 945 A1 angegeben. Sie dient zur Schwingungsisolation von Objekten, wie z. B. industriellen Fertigungs- und Bearbeitungsmaschinen, wozu mehrere derartige Schwingungsisolationseinheiten unter dem Maschinenrahmen z. B. in deren Eckbereichen angeordnet werden. Diese bekannte Schwingungsisolationseinheit weist ein Unterteil in Gestalt einer auf dem Untergrund anzuordnenden Lagerblockeinheit auf, die eine sich nach oben öffnende Aufnahme mit vier um eine mittlere Vertikalachse angeordneten quadratischen oder rechteckförmigen Stützflächen besitzt, die in Draufsicht rechtwinklig zueinander angeordnet sind und jeweils einen quaderförmigen Elastomerkörper mit federnden und dämpfenden Eigenschaften aufnehmen. Auf der Oberseite der Elastomerkörper ist ein Oberteil mit angepassten Gegenstützflächen aufgenommen, auf dem das zu isolierende Objekt gelagert wird. Mit diesem Aufbau mit schräg zur Horizontalen bzw. Vertikalen angeordneten Stützflächen und den zwischengefügten Elastomerkörpern lassen sich Lasten sowohl statisch als auch dynamisch vorteilhaft abstützen, wobei in allen Raumrichtungen eine wirkungsvolle Schwingungsisolation erreicht wird, und zwar sowohl zur Isolierung von Schwingungen, die das Objekt selbst erzeugt (Quellenisolation) als auch von Schwingungen, die auf dieses von der Umgebung einwirken (Empfängerisolation). Durch die in Draufsicht quadratische oder rechteckförmige Gestalt der Elastomerkörper, unterliegen diese einer gleichmäßigen Auslastung, wodurch auf Dauer gleichbleibend gute Isolationseigenschaften erhalten bleiben. Gleichwohl können sich in unterschiedlichen Einbausituationen zusätzliche Anforderungen an die Belastbarkeit und stabile Aufrechterhaltung möglichst guter Schwingungsisolationseigenschaften stellen.
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Weitere Ausführungsformen von Schwingungsisolationseinheiten sind in der
DE 102 33 804 B3 , die ein Unterteil mit sich pyramidenstumpfförmig nach oben öffnender Aufnahme mit Stützflächen aufweist, und der
DE 10 2011 051 129 B3 gezeigt, welche zwei schräg zueinander geneigte Stützflächen und ein darauf abgestütztes, höhenverstellbares Oberteil zur Aufnahme eines Objekts aufweist.
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In der
DE 28 28 714 A1 ist eine Einrichtung zur schalldämmenden Lagerung schwerer Bauteile offenbart, bei der eine elastische Zwischenlage als am Umfang des Bauteils angeordnete, schräg gestellte Gummi-Metall-Lager ausgebildet ist. Dabei können sich die Gummi-Metall-Lager über mindestens zwei sich diametral gegenüberliegende Abschnitte des Umfangs des Bauteils erstrecken und in Draufsicht z. B. die Form eines Winkels aufweisen. Hierbei ist also eine Anpassung an den Umfang des jeweiligen Bauteils vorgenommen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schwingungsisolationseinheit der eingangs genannten Art bereit zu stellen, welche bei hoher Belastbarkeit eine möglichst gute Schwingungsisolation in den verschiedenen Raumrichtungen ergibt.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass auf dem Unterteil mindestens zwei horizontal voneinander beabstandete Schräglagerpaare einer Orientierung mit benachbarten Stützflächen einer ersten und zweiten Ausrichtung und mindestens zwei horizontal voneinander beabstandete Schräglagerpaare einer anderen Orientierung mit benachbarten Stützflächen einer dritten und vierten Ausrichtung angebracht sind, dass die beiden Stützflächen pro Schräglagerpaar so zu einander ausgerichtet sind, dass ihre Flächennormalen in einer zu beiden Stützflächen und zur horizontalen Unterseite senkrechten Querebene liegen, wobei a) zwei Schräglagerpaare der einen Orientierung in diagonal gegenüberliegenden Eckbereichen und zwei Schräglagerpaare der anderen Orientierung in den beiden anderen diagonal gegenüberliegenden Eckbereichen eines gedachten Quadrats oder Rechtecks auf dem Unterteil angebracht sind oder b) zwei Schräglagerpaare der einen Orientierung im mittleren Bereich sich gegenüberliegender paralleler Seiten und zwei Schräglagerpaare im mittleren Bereich der beiden anderen sich gegenüberliegenden parallelen Seiten eines gedachten Quadrats oder Rechtecks angeordnet sind.
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Mit diesen Maßnahmen wird über einer gegebenen Grundfläche der Schwingungsisolationseinheit eine relativ große Auflagefläche für die die federnden und dämpfenden Eigenschaften ergebenden Elastomerkörper und damit eine hohe Belastbarkeit der Schwingungsisolationseinheit erreicht.
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Eine für den Aufbau und die Funktion vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass die Elastomerkörper quaderförmige Gestalt mit rechteckförmiger oder quadratischer, auf der zugeordneten Stützfläche aufliegender Grundfläche und dem Oberteil zugekehrter Oberseite aufweisen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung für den Aufbau und die Funktion besteht darin, dass die Elastomerkörper in Richtung senkrecht zu ihrer Grundfläche eine geringere Dicke aufweisen als die Länge und Breite der Grundfläche.
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Weitere Vorteile für die Funktion und den Aufbau ergeben sich dadurch, dass das Oberteil über jeweilige parallel zu den Stützflächen ausgerichtete Gegenstützflächen auf der Oberseite der Elastomerkörper aufliegt.
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Zum Festlegen definierter Isolationseigenschaften sind des Weiteren die Maßnahmen von Vorteil, dass die Schräglagerpaare der einen Orientierung mit ihrer senkrechten Querebene in rechtwinkliger Richtung zu der senkrechten Querebene der Schräglagerpaare der anderen Orientierung auf dem Unterteil angebracht sind.
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Eine weitere Ausgestaltung mit vorteilhafter Funktion besteht darin, dass der Neigungswinkel der Stützflächen zur Horizontalen im Bereich von 10° bis 80°, vorzugsweise von 30° bis 60°, liegt, beispielsweise 45° beträgt.
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Eine für den Aufbau und die Wirkungsweise vorteilhafte Ausgestaltung besteht auch darin, dass die beiden Stützflächen eines Schräglagerpaares im Querschnitt die beiden Schenkel eines nach oben offenen gleichschenkligen Dreiecks bilden, wobei die Neigungswinkel der beiden Schenkel zur Horizontalen zumindest bei einem jeweiligen Schräglagerpaar gleich groß sind. Damit ergibt sich ein bezüglich einer vertikalen Mittellängsebene symmetrischer Aufbau jedes Schräglagerpaares mit vorteilhaften Stütz- und Isolationseigenschaften.
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Hierbei ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Neigungswinkel aller Stützflächen zur Horizontalen gleich groß ist.
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Zum Abstimmen der Schwingungsisolationseigenschaften kann des Weiteren vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Elastomerkörper in Dickenrichtung senkrecht zur jeweiligen Stützfläche geschichtet sind.
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Zu einer vorteilhaften Funktionsweise tragen des Weiteren die Maßnahmen bei, dass in einem von den Schräglagerpaaren umgebenen Mittenraum zwischen dem Unterteil und dem Oberteil eine verspannbare Verbindungseinheit zum Halten des Oberteils an dem Unterteil und/oder ein zusätzlicher Dämpfer angeordnet ist. Der zusätzliche Dämpfer kann z. B. ein aktiver oder passiver Flüssigkeitsdämpfer oder ein Elastomerdämpfer sein. Die verspannbare Verbindungseinheit kann z. B. in der Weise ausgebildet sein, dass sich unterschiedliche Vorspannungen auf die Elastomerkörper einstellen lassen, womit auch bei bereits gelagerter Maschine die System-Eigenfrequenz verändert werden kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1A ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schwingungsisolationseinheit in perspektivischer Ansicht mit einem Oberteil, einer Elastomerfederschicht und einem Unterteil,
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1B die Schwingungsisolationseinheit nach 1A ohne Oberteil mit einer Anordnung aus vier Schräglagerpaaren, die jeweils zwei zueinander geneigte, mit Elastomerkörpern belegte Stützflächen aufweisen, in perspektivischer Ansicht,
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1C ein Unterteil der Schwingungsisolationseinheit nach 1A in perspektivischer Ansicht mit der Anordnung der Schräglagerpaare und ihren Stützflächen nach 1B,
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1D und 1E die Schwingungsisolationseinheit nach 1A in Draufsicht mit bzw. ohne Oberteil,
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2A ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Schwingungsisolationseinheit in perspektivischer Ansicht mit einer gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach 1A anderen Anordnung von vier Schräglagerpaaren,
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2B die Schwingungsisolationseinheit nach 2A ohne Oberteil, wobei jedes Schräglagerpaar zwei zueinander geneigte Stützflächen mit darauf aufgelegten Elastomerkörpern aufweist,
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2C das Unterteil der Schwingungsisolationseinheit nach 2A mit den Stützflächen,
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2D die Schwingungsisolationseinheit nach 2A in Draufsicht und
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3 eine Darstellung zur Wirkungsweise der Schwingungsisolationseinheit nach 1A bei einwirkenden Kräften.
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Bei dem in den 1A, 1B, 1C, 1D und 1E gezeigten Ausführungsbeispiel einer Schwingungsisolationseinheit ist ein Unterteil 3 mit mehreren, und zwar vier Schräglagerpaaren 30, 30', 31, 31' versehen. Jedes Schräglagerpaar 30, 30', 31,31' weist zwei benachbarte, in einem jeweiligen Neigungswinkel α zu der horizontalen Unterseite des Unterteils 3 geneigte Stützflächen 30.1/30.2, 30.1'/30.2', 31.1/31.2, 31.1'/31.2' auf, die pro Schräglagerpaar eine sich nach oben erweiternde Aufnahme bilden, wie insbesondere aus 1C ersichtlich. Auf die Stützflächen 30.1/30.2, 30.1'/30.2', 31.1/31.2, 31.1'/31.2' ist jeweils ein Elastomerkörper 20 einer Elastomerfederschicht 2 aufgebracht (1B), z B. aufgeklebt. Auf der mit den Elastomerkörpern 20 gebildeten Elastomerfederschicht 2, die federnde und dämpfende Eigenschaften entsprechend dem gewählten Elastomermaterial besitzt, ist das Oberteil 1 mit einem Stützabschnitt 10 aufgelegt, das auf seiner Oberseite gegebenenfalls über verstellbare Befestigungsmittel ein gegen Schwingungen zu isolierendes Objekt 5 (vgl. 3) aufnimmt. Das Oberteil 1 und das Unterteil 3 bestehen vorzugsweise aus Metall.
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Die Schräglagerpaare 30, 30', 31, 31' sind fest mit dem Unterteil 3 verbunden, wobei sie auf einem plattenförmigen unteren Abschnitt des Unterteils 3 z. B. angeformt oder als separate Teile angeschweißt, angeklebt oder angeschraubt sein können, wobei in den Verbindungsbereichen zwischen dem unteren Abschnitt und den Schräglagerpaaren bei separater Ausbildung derselben griffige Strukturen zur eindeutigen, stabilen formschlüssigen Verbindung eingebracht sein können. Wie aus 1C ersichtlich, besitzt der Aufnahmeraum jedes Schräglagerpaares 30, 30', 31, 31' die Form eines trapezförmigen Prismas, wobei die Querschnittsform bzw. die Grundflächen des Prismas ein gleichschenkliges Trapez bilden und die Stützflächen 30.1/30.2, 30.1'/30.2', 31.1/31.2, 31.1'/31.2' jedes Schräglagerpaares 30, 30', 31, 31' zwei Seitenflächen des Prismas bilden und jeweils einen Neigungswinkel α gegenüber der horizontalen Unterseite des Unterteils 3 beidseitig einer vertikalen Mittellängsebene besitzen. Die durch die Schräglagerpaare 30, 30', 31, 31' gebildeten Aufnahmeräume können alternativ die Form eines gleichschenkligen dreieckförmigen Prismas besitzen. Bei dieser Ausbildung der Schräglagerpaare 30, 30', 31, 31' mit einem jeweiligen Aufnahmeraum in Form eines Trapez- oder Dreiecksprismas sind die beiden Stützflächen pro Schräglagerpaar 30, 30', 31, 31' so zueinander ausgerichtet, dass ihre Flächennormalen in einer zu beiden Stützflächen und zur horizontalen Unterseite des Unterteils 1 senkrechten Querebene liegen.
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Wie 1C weiter zeigt, sind von den vier Schräglagerpaaren ein erstes Schräglagerpaar 30 und ein zweites Schräglagerpaar 30' in gleicher Richtung orientiert, wobei ihre Querebenen und damit auch die dazu in Normalenrichtung verlaufenden Längsachsen parallel zueinander ausgerichtet sind. Auch das dritte Schräglagerpaar 31 und vierte Schräglagerpaar 31' besitzen gleiche Orientierung zueinander. Jedoch sind die Orientierungen des ersten und zweiten Schräglagerpaares 30, 30' rechtwinklig zu der anderen Orientierung des dritten und vierten Schräglagerpaares 31, 31' ausgerichtet. Bei dem in den 1A, 1B, 1C, 1D und 1E gezeigten Ausführungsbeispiel der Schwingungsisolationseinheit sind die Schräglagerpaare 30, 30', 31, 31' in etwa in Eckbereichen eines (gedachten) Quadrats angeordnet, wobei jeweils die Schräglagerpaare gleicher Orientierung, nämlich das erste und zweite Schräglagerpaar 30, 30' in zwei sich diagonal gegenüberliegenden Eckbereichen und die beiden Schräglagerpaare der anderen Orientierung, nämlich des dritten und vierten Schräglagerpaares 31, 31' in den beiden anderen sich diagonal gegenüberliegenden Eckbereichen angeordnet sind. In Umlaufrichtung des Quadrats folgen somit ein Schräglager der einen Orientierung und ein Schräglager der anderen Orientierung abwechselnd aufeinander. Im mittleren Bereich zwischen den Schräglagerpaaren 30, 30', 31, 31' entsteht ein Mittenraum 4, der z. B. zur Anordnung einer (nicht gezeigten) Verbindungseinheit zwischen dem Unterteil 3 und dem Oberteil 1 und/oder für den Einbau eines (nicht gezeigten) zusätzlichen Dämpfers, z. B. eines passiven oder aktiven Flüssigkeitsdämpfers oder eines Elastomerdämpfers, genutzt werden kann. Die Verbindungseinheit kann verspannbar ausgeführt sein, so dass sich eine Vorspannung auf die Elastomerfederschicht 2 bzw. die Druckspannung durch die gebildeten Auflager einstellen lässt bzw. erhöht werden kann. Damit kann auch nach dem Einbau z. B. unter einer gelagerten Maschine die System-Eigenfrequenz verändert werden.
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Wie insbesondere aus den 1B und 1E weiter ersichtlich, besitzen die Elastomerkörper 20 quaderförmige Gestalt mit quadratischer Grundfläche und entsprechend auch quadratischer Oberseite und rechteckförmigen Seitenflächen, wobei die Dicke der Elastomerkörper 20 senkrecht zur Grundfläche bzw. Oberseite geringer ist als die Breite bzw. Länge der Grundfläche. Die Elastomerkörper 20 sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel außerdem geschichtet ausgeführt, wobei die Schichten unterschiedliche federnde und/oder dämpfende Eigenschaften besitzen können. Durch die Neigung der Stützflächen 30.1, 30.2, 30.1', 30.2', 31.1, 31.2, 31.1', 31.2', durch die geometrischen Abmessungen der Elastomerkörper 20 und durch das Elastomermaterial lassen sich die Isolationseigenschaften der Schwingungsisolationseinheit in weiten Grenzen auf die zu isolierenden Schwingungen bzw. das zu lagernde Objekt abstimmen.
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Wie 1A erkennen lässt, ist das Oberteil 1 mit an die Oberseite der Elastomerkörper 20 angepassten Gegenstützflächen an dem Stützabschnitt 10 ausgestattet. Der Stützabschnitt 10 kann aus separaten Stützkörpern aufgebaut sein, die an die Aufnahmen zwischen den Elastomerkörpern 20 jedes Schräglagerpaares 30, 30', 31, 31' angepasst und mit einem plattenförmigen oberen Abschnitt des Oberteils 1 z. B. durch Schweißen, Kleben oder Verschrauben verbunden sein können oder der Stützabschnitt 10 bildet einen mit den Stützgegenflächen versehenen integralen Bestandteil des Oberteils 1.
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Wie bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ersichtlich, besteht zwischen den Elastomerkörpern 20 genügend Abstand, so dass auch bei sehr weichen und dicken oder geschichteten Elastomerkörpern genügend Ausweichraum für entstehende Ausbauchungen der Elastomerkörper 20 vorhanden ist und sich diese bei den durch die Belastungen entstehenden Verformungen nicht gegenseitig behindern.
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Die Ausbildung der Schwingungsisolationseinheit mit mehreren Schräglagerpaaren
30,
30',
31,
31', von denen jeweils mehrere eine gleiche Orientierung mit entsprechender Ausrichtung der Stützflächen
30.1/
30.2,
30.1'/
30.2' bzw.
31.1/
31.2,
31.1'/
31.2' aufweisen, ergibt bei relativ geringer Grundfläche eine hohe Belastungsfähigkeit. Die Schwingungsisolationseinheit in der gezeigten und beschriebenen Ausführung ist bei statischer Belastung und bei dynamischer Belastung sehr stabil. Der Aufbau erlaubt nur eine geringe Verdrehung während der Belastung, auch wenn diese nicht mittig, sondern etwas aus der Mitte versetzt ist. Auch bei horizontal wirkenden dynamischen Kräften ist bei der Anordnung der Schräglagerpaare
30,
30',
31,
31' mit den Elastormerkörpern
20 gewährleistet, dass immer mehrere derselben beansprucht werden, unabhängig davon, aus welcher Richtung die Erregerkräfte wirken. Die Quaderform der Elastomerkörper
20 ergibt dabei auch eine homogene Auslastung derselben und eine dauerhaft gute Isolationsfähigkeit, wie in der eingangs genannten Patentanmeldung
DE 10 2013 106 945 A1 beschrieben.
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Die 2A, 2B, 2C und 2D zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schwingungsisolationseinheit, bei der Schräglagerpaare 30, 30', 31, 31' in entsprechender Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet sind und ebenfalls zwei Schräglagerpaare, nämlich ein erstes und ein zweites Schräglagerpaar 30, 30' in einer gleichen Orientierung zueinander sowie ein drittes und ein viertes Schräglagerpaar 31, 31' in einer zueinander gleichen, aber zu dem ersten und zweiten Schräglagerpaar 30, 30' anderen, nämlich rechtwinkligen Orientierung ausgerichtet sind. Hierbei sind das erste und zweite Schräglagerpaar 30, 30' im mittleren Bereich zweier zueinander paralleler Seiten eines gedachten Quadrats und das dritte und vierte Schräglagerpaar 31, 31' in den mittleren Bereichen der beiden anderen parallelen Seiten des Quadrats angeordnet sind, wobei die Schräglagerpaare mit ihrer Längsachse jeweils rechtwinklig zu den betreffenden Seiten des Quadrats orientiert sind. Auch bei der Schwingungsisolationseinheit mit dieser Anordnung der Schräglagerpaare 30, 30', 31, 31' lassen sich im Wesentlichen die vorstehend genannten Eigenschaften und Vorteile erzielen.
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Der Neigungswinkel α der Stützflächen 30.1, 30.2, 30.1', 30.2', 31.1, 31.2, 31.1', 31.2' liegt im Bereich von 10° und 80°, vorzugsweise zwischen 30° und 60° zu der horizontalen Unterseite des Unterteils 3, beispielsweise bei 45°. Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Neigungswinkel α aller Stützflächen gleich. Die Neigungswinkel α der Stützflächen pro Schräglagerpaar oder von Stützfläche zu Stützfäche kann jedoch auch verschieden gewählt werden. Die Grundflächen bzw. Oberseiten der Elastomerkörper 20 müssen nicht quadratisch sein, sondern können auch z. B. Rechteckform besitzen. Auch kann eine Schwingungsisolationseinheit mit einem integralen Unterteil 3 und integralen Oberteil 1 mehr als vier Schräglagerpaare bzw. mehr als acht Stützflächen mit Elastomerkörpern besitzen. Jedoch hat sich die Ausbildung mit vier Schräglagerpaaren und acht Stützflächen mit jeweiligen Elastomerkörpern 20 als kompakte Einheit in Untersuchungen der Erfinder als vorteilhaft im Aufbau und der Anwendung erwiesen.
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Anhand von 3 wird die Wirkungsweise einer Schwingungsisolationseinheit gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel bei horizontal (in der x-y-Ebene) wirkender Erregerkraft FE, die einen kritischen Fall darstellt, erläutert. Bei der gezeigten Anordnung bringen immer mehr als zwei Elastomerkörper 20, die als Elastomerfedern wirken, beispielsweise die Elastomerkörper (1) und (2), Gegenkräfte in Form der Federkräfte (F1,2 = c·x, wobei c = 1·(cz·cos2α + cq·sin2α) auf, denn auch bei den Elastomerkörpern Nummer (3) bis (6) wirken (Quer-)Federkräfte Fq,3-6 = Cq·x, die aufgrund der Schubverformung in horizontaler Richtung entstehen und somit auch der Erregerkraft entgegen wirken. Treten zusätzlich noch Momente auf, kommt die vierfache doppelte Anordnung der Elastomerkörper 20 voll zur Geltung. Hier sind immer vier Schräglagerpaare mit den Elastomerkörpern 20 in z-Richtung über ihre Fläche belastet, d. h. hohe Belastungskräfte aufnehmbar.
