DE1901774B2 - Geschichtete winkelblockfeder - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf geschichtete Winkelblockfedern.

Unter geschichteten Winkelblockfedern weiden hier im Sinne von DIN 25001, Bl. 3, Federn aus mehreren abgewinkelten, sonst aber ebenen Elastomerschichten mit rechteckigem oder allenfalls trapezförmigem Grundriß verstanden, die durch entsprechend geformte, mit dem Elastomer fest haftend verbundene Zwischenteile (meist Bleche) voneinander getrennt sind. Die dem First der dachförmigen Elastomerschichten, Zwischen- und Anschlußteile entsprechende Linie soll im folgenden als »Scheitellinie« bezeichnet werden. Ferner soll die Außenseite der Feder, an der die Scheitellinie vorspringt, als »konvexe Seite«, die gegenüberliegende Außenseite als »konkave Seite« bezeichnet werden.

Winkelblockfedern besitzen, besonders als Radsatzfedern von Schienenfahrzeugen, bemerkenswerte Vorzüge, z. B. dadurch, daß sie außer der lotrechten Abfederung des Rahmens auch gleichzeitig die Führung der Radsatzlager im Rahmen übernehmen. Jedoch zeigen die herkömmlichen Ausführungen auch Mangel, besonders bei in Richtung quer zur Scheitellinie breiter Ausführung der Feder, wie sie in schweren Fahrzeugen bei beschränkter Bauhöhe — z. B. in Lokomotiven — zur Anwendung kommt: Die Zusammendrückung der einzelnen Elastomerschichten unter Last ist ungleichmäßig. Für die Bemessung der Federn sind aber die am stärksten zusammengedrückten Elastomerzonen maßgebend, so daß die weniger stark zusammengedrückten nicht voll ausgenutzt werden können und die Feder als Ganzes überbemessen werden muß. Weiterhin entstehen in den Zwischenteilen der belasteten Federn außerordentlich hohe Biegespannungen, die — wie mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen nachgewiesen werden konnte — oft die Biegewechselfestigkeit des Werkstoffs überschreiten und im Laufe der Zeit zu zahlreichen Ermüdungsbrüchen der Zwischenteile im Bereich ihrer Scheitellinie und damit zum Ausfall der Feder geführt haben.

Zur Bekämpfung dieser Erscheinungen ist eine Formgebung der Federn bekanntgeworden, bei der die Schichten von der konkaven nach der konvexen Seite der Feder hin zunehmend breiter werden, derart, daß die freien Elastomeroberflächen aller Schichten in einer gemeinsamen, lotrecht zu den Haftflächen stehenden Ebene liegen. Dabei ergeben sich aber an der konvexen Seite der Feder außerordentlich große Federbreiten, die einen entsprechenden Abstand zwischen Radscheibe und Radsatzlaser erforderlich machen und damit zu schweren unc teuren Radsatzwellen führen. Auch die Vulkanisier formen für solche Federn sind aufwendig. Diese Lö sung des Problems kann also nicht befriedigen. S Bei KegelhUlsenfedern mit Elastomeren und be ihnen verwandten Federformen kommen Ausführun gen vor, bei denen der äußere Rand der Anschluß und Zwischenkegel in eine zur Kegelachse senkrech liegende Ebene umgebogen 1st. Bei solchen Federr ίο liegen indessen wesentlich andere Beanspruchungs· Verhältnisse vor als bei den Winkelblockfedern. Eir Ausgleich der Elastomerdrlicke auf die Zwischenteil« erübrigt sich hier, und der umgebördelte Rand dien anderen Zwecken, beispielsweise als Auflagefläche für die Feder.

Es stellt sich also die Aufgabe, die geschichtete Winkelblockfeder ohne Vergrößerung ihrer Höhe oder Breite und unter Wahrung ihres einfachen Aufbaus so zu gestalten, daß alle Schichten gleichmäßig ao belastet werden und daß die Biegebeanspruchung dei Zwischenteile verschwindet.

Die Lösung dieser Aufgabe wurde auf Grund dei weiter unten dargelegten Überlegungen darin gefunden, daß die zur Scheitellinie parallelen Randbereiche as der Zwischenteile und der Anschlußteile nach dei konvexen Seite der Feder hin umgebogen werden.

Von besonderer Bedeutung ist dabei der Fall, daß der Biegewinkel so gewählt wird, daß die Randbereiche der Zwischenteile gerade senkrecht zui freien Oberfläche der Elastomerschichten stehen.

An Hand der Abbildungen werden die Ursacher des ungünstigen Verhaltens der bekannten geschichteten Winkelblockfedern und die Wirkung der er- ^ndungsgemäßen Gestaltung dieser Federn dargelegi und an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Es zeigi

A b b. 1 die Draufsicht auf die Stirnseite einer bekannten geschichteten Winkelblockfeder in Richtung ihrer Scheitellinien gesehen,

A b b. 2 den Umriß des Seitenteils einer Vulkanisierform zur Feder nach Abb. 1,

A b b. 3 die Hälfte einer Schicht der Feder nach A b b. 1 unter Druckbelastung in größerem Maßstat und im Schnitt senkrecht zur Scheitellinie,

A b b. 4 den entsprechenden Schnitt durch eine Schicht bei erfindungsgemäßer Ausbildung der Feder

A b b. 5 den Druckverlauf an der Ober- und Unterseite eines starr angenommenen Zwischenteil; einer bekannten Winkelblockfeder unter Last,

A b b. 6 das aus dem Druckverlauf nach A b b. f entspringende Biegemoment im Zwischenteil,

A b b. 7 die Draufsicht auf die Hälfte einer be kannten geschichteten Winkelblockfeder unier Last

A b b. 8 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäß gestalteten geschichteten Winkelblockfeder ir der Draufsicht auf die Stirnseite,

A b b. 9 und 1.0 Teilschnitte durch die Randzoner erfindungsgemäß gestalteter Winkelblockfedern in abgewandelten Ausführungen.

Ausgangspunkt der Erfindung sind die bekannter geschichteten Winkelblockfedern gemäß A b b. 1, bestehend aus einer Anzahl abgewinkelter, sonst abei ebener Elastomerschichten 1. den Anschlußteilen ί und den Zwischenteilen 3. Infolge der Winkelforrr dieser Teile entsteht zwischen den freien Oberflä chen 4 der Elastomerteile 1 und ihren Auflageflä chen auf den Zwischen- und Endteilen 3 und 2 ein

Winkel a>y· Da die Seitenteile der zur Herstel-

lung der Feder benutzten Vulkanisierform beim OfT- Form an, die etwa der Linie J ⁰J"^'¹] "^nd _z^·!

nen der Form gewöhnlich in der Pfeilrichtung 7 der der Scheitel der Awwölbung nach dem Aw

(Abb. 2) bewegt werden, müssen die zur Aufnahme schenleil 36 hin verschoben ist. Die»Neigung ^

der überstehenden Ränder der Anschluß- und Zwi- Tangente an die,Auewölbung 46 gegenüber aw

schenteileZ und 3 bestimmten Nuten 6, um Unter- 5 Flache 4« bleibt hier In der NBhe des Zwccnte s

schnitte zu vermelden, mit dreieckigem Grundriß 3« klein, wird aber in der Nahe des Zwischen te^s

ausgebildet werden. Dadurch entstehen Elastomer- 3 6 um so größer. Demenlaprechund muß aucn oer

zwickel 5 in den spitzen Winkeln zwischen der freien Druckanstieg entlang dem Zwischente13« wee em

Elastomerobernache 4 und den Zwischenteilen 3. lieh sanfter sein, als entlang dem Zwischenteil ä .

Winkelblockfedern werden so eingebaut, daß ihre io Diese Erscheinung wird noch verstam, wenn en

Scheitellinien zur Belastungsrichtung geneigt liegen, herstellungsbedingter Elastomerawickel5 Α£.

wodurch aus der Last eine Kraft parallel zu den quellen des Elastomers in der Nähe des Zwischen

Scheitellinien, welche in den Schichten einen Schub teils 3 b behindert. , ...,.,.«

hervorbringt, und eine recht beträchtliche Kraft P Betrachtet man nun ein Zwischenteil 3 (Anb. JJ,

(Abb. 1) senkrecht zu den Scheitellinien, welche die 15 so entspricht der Druckverlauf p, an der. umeftem.

Schichten zusammendrückt, entsteht. Die Betrach- des Elastomerteils 2 demjenigen an der Oberseite aes

lung der Vorgänge, welche sich in der Elastomer- Zwischenteils 3 und der Druckverlauf P« J" °^e'

schicht bei der Zusammendrückung abspielen, kann Oberseite des Elastomerteils dem an der Unte.suu.

wegen der Symmetrie der Feder auf eine Hälfte der des Zwischenteils. Die Flachen unter der p_r ■ una

Schicht beschränkt werden (Abb. 3), wobei zunächst 20 unter der p.-Linie, welche der von oben undunien

vollkommen starre Zwischenteile 3a und 3 b ange- auf das Zwischenteil einwirkenden Kratt entsprecnu,

nommen werden sollen. müssen aus Glelchgewichtsgrunden einande, gleich

Unter der Wirkung der Kraft P verschiebt sich das sein. Örtlich ergeben sich jedoch ^Drutkdl"^e^

Zwischenteil 3« gegenüber dem Zwischenteil 3ft aus Ap = P₁ - P₂ zwischen i^eB^enuberliegenden SteMen

der in Abb. 3 gestrichelt gezeichneten in die mit 25 auf der Ober- und Unterseite des.Zw'SchenleiL·wo

vollen Linien dargestellte Lage, wobei sich der Ab- bei wiederum die positive Jp-Flache de. negativen

stand der beiden Zwischenteile voneinander um ein gleich sein muß. Die positiven und nega iven Druck

Maß / verringert. Wegen der Volumenkonstanz der difTerenzen Ap rufen in ^dem Zwischenteil einBiege-

bei solchen Federn zur Verwendung kommenden moment M hervor, dessen Verlauf Abb. 6 zeigt..υκ-

El ß d dbi dät Vlen 30 ses Biegemoment besitzt in der Mitte des ^wis

ern zur Verwendung kommenden moment M hervor, dessen Verlauf Ag Elastomere muß das dabei verdrängte Volumen 30 ses Biegemoment besitzt in der Mitte des ^wiscnenseitlich nach der offenen Seite der Feder hin aus- teils ein flaches Maximum und gefährdet das ^v|i weichen. An der Berührungsfläche zwischen dem schenteil, insbesondere in der Nahe semer Scheitellin^ Elastomerteil 1 und den Zwischenteilen 3« und 36 Die bisherige Betrachtung ging von £^Γ™™_

ist ein solches Ausweichen indessen durch die fest- Zwischenteilen 3 aus. Die wirklichen, mehyoder ™ haftende Verbindung beider Teile unterbunden, wes- 35 niger nachgiebigen Zwischenteile biege η s el1 >>« acr halb sich nur die in einem endlichen Abstand von Belastung ein wenig auf bis dai; vonihne aurg den Zwischenplatten befindlichen Elastomerteilchen brachte Gegenmoment mit dem B'^ef ™^meit ™ ™ unter Überwindung von Schubspannungen seitlich Gleichgewicht ist. Die dickeren^Anschlußte Ie 2 die verschieben können, und zwar um so weiter, je weiter zudem auf sehr steifen Baute.len auHiegen, s nd abe das Elastomerteilchen von dem Zwischenteil entfernt 40 weiterhin als praktisch starr anizusehen Darm nimmt ist. Gedachte Querschnittsflächen 8 bis 11 in der die belastete Feder die in ^Abb _n ^g"^ Elastomerschicht, die im unbelasteten Zustand der stalt an: Während bei formstarren Zw sehen e en Feder eben waren, wölben sich dementsprechend bei alle Schichten gleichmäßig ^zusa™f^H JS der Belastung der Feder parabelähnlich nach außen, die Zwischenteile sich 1 η der in Ab b..' «g^tnc'_di und zwar um so stärker, je weiter der betrachtete 45 gezeichneten Lage befinden wurden ^bew»«5" *^e_ Querschnitt von der Quermitte der Feder entfernt Druckunterschiede Ip bei nachg.ebger,^ Zw.scen liegt. Die Neigung der Tangente an die gewölbte teilen, daß die Schichthohen an den_ Außenseiten Fläche gegen die ebene Fläche bei unbelasteter Feder der Feder von der konkaven zur konvexen Seite h η ist der in ihrem Berührungspunkt Herrschenden abnehmen, in Federm.tte aber in der gIe. Jen J^^ch Schubspannung proportional und damit ein Maß für 50 tung zunehmen. Dadurch entsteht e ne unerwunsehte die Schubspannung. Der im Elastomer herrschende ungleichmäßige Ausnutzung des Elastomers die zu Druck wächst mit der Kraft, die dem seitlichen Aus- einer reichlicherer,DimensionierungderMe^n.

ik l Nh dr Erfindung werden

Druck wächst mit der Kraft, die dem seitlichen Aus- einer reichlicherer,Dimensig^

weichen der Elastomerteilchen entgegenwirkt, also Nach der Erfindung werden mm d.ezur Sehet

mit dem Integral der Schubkräfte von der freien linie parallelen Randoere.ehe £r Zw^chen e

Oberfläche 4 des Elastomerteils zur Federmitte hin. 55 nach der konvexen Seite der Feder hin ™^ο ^e^

Der Druck steigt also vom Rand 4 nach der Feder- (A b b. 4). Der bei ^n bekannten Fed ms um f

mitte hin erst steiler und dann immer langsamer an. Winkel α zwischen den Randern der ^'schenteiie j

Die Querschnitte 8 bis 11 verwölben sich ziemlich und der freien Elastomeroberflache 4 wird dabe, un

symmetrisch; d. h., der Druck im Elastomer ist inner- gefahr zu einem rechten Winkel ß. De Bogen wel

halb des Querschnittes nahezu gleich. Anders liegen 60 eher die Richtungsänderung des Zwischentuls um

die Verhältnisse außerhalb des Querschnittes 11, wo den Winkel « - β vermittelt, ist noch^toden* ts , w

dem Endabschnitt des Zwischenteils 3α kein entspre- Elastomer bedeckt. Wie aus Abb 4 ersieht "Λ wnα

chender Abschnitt des Zwischenteils 3 ft mehr gegen- bei dieser Ausfuhrung das Ausqueilen de EIa tomers

überliegt. In diesem Bereich kann das Elastomer entlang dem Zwischenteil 3 a jetzt behi^et w^

nicht .Tür parallel zu den Zwischenteilen, sondern 6₅ rend es entlang,dem Zwischen« 13 b begunsügtwird

auch senkrecht zu dem Zwischenteil 3a ausweichen. Die Kontur 4b der vo^^g^ewolbten Elastomerfld_Chc

Die im unbelasteten Zustand ebene freie Oberfläche wird symmetrisch, und die von «fcaj' Elajoni^r uut

Λ η des Elastomerteils nimmt deshalb unter Last eine die Zwischenteile übertragenen Drucke ste.gen oei

derseits gleich steil an. Damit verschwinden die örtlichen Druckunterschiede Ap zwischen den beiden Seiten der Zwischenteile 3 und infolgedessen auch das Biegemoment M in den Zwischenteilen und die ungleichmäßige Zusammendrückung der Schichten. Eine Vergrößerung der Höhe oder der Breite der Feder ist bei dieser Lösung der Erfindungsaufgabe nicht notwendig.

Neben der Lösung der eigentlichen Erfindungsaufgabe bringt die beschriebene Federform noch einige Nebenvorteile: Die Ränder der Zwischenteile liegen jetzt in der Richtung 7, in der die Seitenteile der Vulkanisierform bei deren Öffnung gemäß A b b. 2 bewegt werden. Damit werden auch die nachteiligen Zwickel 5 auf der freien Elastomeroberfläche 4 vermieden. Selbst wenn die Nuten 6 etwas keilförmig ausgebildet werden, um das Ausheben der Feder aus der Form zu erleichtern, liegen die kleinen Zwickel S a (A b b. 4) symmetrisch zu dem Zwischenteil 3 und sind damit unschädlich.

Willkommen ist auch die Versteifung der Ränder der Zwischenteile gegenüber einer Verbiegung um eine Achse senkrecht zur Scheiiellinie, die durch das Umbiegen entsteht.

An der konvexen Seite der Feder braucht das Anschiüßteil 2 meist nicht mit abgebogen zu werden. Seine größere Dicke erlaubt oft, statt dessen lediglich die Kante bei 12 (A b b. 8) abzurunden. Die Feder paßt dann in den Einbauraum einer entsprechenden herkömmlichen Feder, so daß diese bei ίο Bruch der Zwischenteile leicht durch eine erfindungsgemäße Ausführung ersetzt werden kann.

Bei sehr breiten Federn und dicken Elastomerschichten kann es notwendig werden, den Winkel f,

etwas kleiner als — auszuführen (Abb. 9), um die

beabsichtigte Wirkung zu erzielen.

Die Erfindung ist nicht nur bei ebenen freien

Oberflächen 4 der Elastomerschichten 1 anwendbar, sondern auch bei konkaver Ausbildung (4 c in

ao Abb. 10), wie sie gelegentlich zur Ausführung kommt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Geschichtete Winkelblockfeder, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Scheitellinie parallelen Randbereiche der Zwischenteile (3) und der Anschlußteile (2) nach der konvexen Seite der Feder hin umgebogen sind.

2. Geschichtete Winkelblockfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Randbereiche der Zwischenteile (3) und der Anschlußteile (2) lotrecht zu den freien Oberflächen (4) der Elastomerschichten (1) stehen (Sonderfall von Anspruch 1).