DE19938609C2 - Kugelgel-Flächenlager - Google Patents

Abstract

Das anpassungsfähige Kugelgel-Flächenlager besteht aus Einzelkörpern, vornehmlich Kugeln, weitgehend beliebigen Materials von einem mittleren Durchmesser DIAMETER APPROX 50 mum bis 50 mm, die von einem Gleitmittel oder rollenlagerartigen Abstandshaltern umgeben sind. Die Kugeln können je nach Anwendung aus hartem Material wie Metallen, Keramik, Glas oder Kunststoffen oder aus weichen, ggf. volumen-elastischen Schaumkunststoffen bestehen. Die Gleitmittel können Öle und Fette, trockene Schmiermittel wie Grafitstaub, Metallsulfide oder Abstandshalter wie Talkum, Aerosile oder Sipernate sein oder aus Mischungen derselben bestehen. Diese können den Kugeln als Oberflächenbeschichtung anhaften oder Kugel-Zwischenräume ganz oder teilweise ausfüllen. Das Kugelgel-Flächenlager hat neuartige Verwendungen und Eigenschaften, die durch die Wahl seiner mindestens zweikomponentigen Zusammensetzung gezielt einstellbar sind. DOLLAR A Die Anwendungen lassen sich nach Schichtdicke d bzw. D in zwei Gebiete einteilen. DOLLAR A d = 1 bis 5 x DIAMETER : Rollgleitlager für Wellen oder flächige Bauelemente. DOLLAR A D = 10 bis 100 x DIAMETER : anpassungsfähige Flächenlager als Matratzen, Matratzen-Füllung, Sitz- oder Sofa-Polsterungen und -Auflagen, als Futter von Kleidungsstücken oder Schuhen oder als Schuhsohlen-Dämpfung sowie als schwingungs-entkoppelnde Schüttschicht für Gebäude oder Geräte und als Füllung von Fahrzeugreifen für guten Notlauf.

Description

Die Erfindung betrifft ein anpassungsfähiges Flächenlager für statische und dynamische Lasten, das sich zusammensetzt aus Einzelkörpern von etwa 50 µm bis 50 mm mittleren Durchmessers aus hartem oder volumenelastischen Material, vorzugsweise in Kugelform besteht, die mit einem Gleitmittel, bestehend aus einem wässrigen Gel mit Tensidzusatz oder trockenen, sich fein verteilenden Stoffen beschichtet oder teilweise umgeben sind und somit ein Kugelgel ausbilden. Die Einzelkörper bzw. -kugeln können sowohl aus einem harten Material wie Metallen, Keramik, Hart-Kunststoffen als auch aus Weich-Kunststoff oder Schaumkunststoffen wie z. B. Polystyrol, Polyuretan, etc. bestehen und eine sehr geringe bzw. eine hohe Volumen-Elastizität besitzen.

Die Gleitmittel sind wässrige Gele mit Netzmitteln, die trockenen, sich fein verteilenden Stoffe können aus Talkum, rollenlager-artigen Abstandshaltern wie Aerosilen (pyrogenen Kieselsäuren), Sipernaten (gefällten Kieselsäuren) und ähnlichen anderen antiblock oder free-flow Stoffen bestehen, oder aus einer Mischung derselben.

Diese Gleitmittel bzw. Abstandshalter können die Einzelkörper als Oberflächenbeschichtung umgeben, indem diese aufgrund von starken Adhäsions- (von der Waals-) Kräften an diesen anhaften; dann wird das Kugelgel als trockenbeschichtet bzw. bei den gelartigen Gleitmitteln als naßbeschichtet bezeichnet.

Oder diese Gleitmittel bzw. Abstandshalter können auch die Zwischenräume zwischen den Einzelkörpern teilweise ausfüllen; bei flüssiger bis gelartiger bzw. trockener Zwischenraumteilfüllung wird das Kugelgel als naß bzw. als trocken bezeichnet.

Gegenüber dem bisherigen Stand der Technik unterscheidet sich das Kugelgel-Flächenlager inherent dadurch,

• 1. daß es aus mindestens zwei Komponenten, aus Einzelkörpern und Gleitmitteln oder Abstands­ haltern, die erstere beschichten oder teilumgeben, besteht und das Kugelgel somit gelartig fließfähig wird.
• 2. daß die beiden Komponenten das Volumen des Flächenlagers nicht dicht und vollständig ausfüllen, und somit der statischen und/oder dynamischen Last durch Umverteilung ausweichen und sich anpassen können,
• 3. daß auf diese Weise ein Kugelgel-Flächenlager mit neuartigen Eigenschaften und Wirkungsweisen entsteht.

Die damit ermöglichten Verwendungen können in zwei Kategorien, gemäß der verwendeten Schichtdicke des Kugelgels, eingeteilt werden.

In einer Schichtdicke von ca. dem Ein- bis Fünffachen des mittleren Einzelkörperdurchmessers wird das Kugelgel - Flächenlager als Rollgleitschichtlager in Simmering-artigen Buchsen zur Aufnahme von Wellen oder als Rollgleitschicht zwischen flächigen Bauelementen eingesetzt. Gegenüber den bekannten Kugel- oder Rollenlagern kommt das Kugelgel ohne Einzel- oder Mehrfachkäfige aus. Gegenüber den bekannten Schmierfilmen weist es durch seine Roll-Gleit-Eigenschaften einen deutlichen Unterschied insbesondere in der einsetzbaren Schichtdicke auf.

Die Einsatzeigenschaften des neuartigen Rollgleitchichtlagers, wie Schichtdicke, Viskosität und deren Temperaturverhalten, sowie das Trockenlaufverhalten können individueller und in weiteren Bereichen eingestellt werden als bei einkomponentigen Schmier- oder Rollmitteln.

Die Vorteile bestehen darin, daß

• - kaum ein Verlust durch Austreten des Rollgleitmittels entsteht, da der Kugeldurchmesser deutlich größer als die Spaltdicke zwischen Welle und Dichtlippe gewählt werden kann und
• - die Kugeln dürfen etwas Oberflächenrauhigkeit besitzen, damit das Gleitmittel bzw. die rollenlager­ artigen Abstandshalter gut an der Oberflächen haften.

Diese rauheren Kugeln in nicht notwendigerweise präzisen Durchmessermaßen sind sehr viel preiswerter herzustellen als vergleichbare hochpräzise und - polierte Kugellager-Kugeln.

In einer Schichtdicke von etwa dem Fünf- bis Hundertfachen des mittleren Einzelkörperdurchmessers besitzt das Einzelkörpergel-Flächenlager gänzlich neuartige Eigenschaften und Anwendungsmöglich­ keiten aufgrund seiner viskosen, gelartigen Konsistenz.

Es kann sich unter Auflagedruck einstellbar, leicht oder allmählich, an aufliegende Körperkonturen anpassen und diese ggf. auch federnd oder schwingungsgedämpft lagern oder als schwingungs­ dämpfende oder -entkoppelnde Schicht wirken. Auch in diesen Anwendungsmöglichkeiten können die Eigenschaften in sehr weiten, bisher nicht erreichbaren Bereichen der Viskosität und der Volumen zu Druck Abhängigkeit variiert werden.

Bei Verwendung von Schaumkunststoffen für die Kugel kann das Volumen zu Druck Verhalten V(p) über die Eigenvolumen-Elastizität des verwendeten Kugelmaterials gezielt eingestellt werden.

Dieses Kugelgel hat neuartige Eigenschaften und Anwendungen sowie erweiterte Einstellmöglichkeiten der Viskosität und der Anpassungsfähigkeit, verglichen mit der vollständigen Imersion bzw. Suspension der Einzelkörper in einer öl- oder gelartigen Flüssigkeit:

• - Das Kugelgel hat je nach Schütt- oder Füllfaktor der nicht dichten Schüttung oder nicht voll­ ständigen Volumenfüllung eine größere/leichtere Anpassungsfähigkeit durch Rearrangement der beschichteten oder teilumgebenen Vollkörpern von willkürlicher Füllung bis zur dichtesten Kugelpackung.
• - Zusätzlich kann das Kugelgel bei Verwendung von Schaumkunststoff (Polystyrol) für die Einzelkörper eine Volumenelastizität, aufweisen, die über das Material und das Raumgewicht für den spezifischen Anwendungsfall wählbar und einstellbar ist.
• - Die Anpassungsfähigkeit und Viskosität des Kugelgels kann eingestellt werden über die Wahl des Kugeldurchmessers, ggf. auch der Mischung von Kugeln verschiedenen Durchmessers.
• - Es kann ein in sehr geringes Gewicht (spezifische Dichte) aufweisen, abhängig vom Raumgewicht des Schaumkunststoffes und den vorteilhafterweise verwendeten, trockenen, leichten, rollenlager­ artigen Abstandshaltern.
• - Das Kugelgel besitzt eine deutlich geringere Abhängigkeit der Viskosität von der Temperatur als die einer gewöhnlichen hochviskosen Flüssigkeiten bzw. eines normalen Gels, die gewöhnlich eine exponentielle Verringerung der Viskosität mit der absoluten Temperatur aufweisen.
• - Das Kugelgel-Flächenlager besitzt weitere, im folgenden bei den Verwendungen noch aufzu­ greifende und näher zu spezifizierende, vorteilhafte Eigenschaften:
  hohe Wärmeisolierung bei Verwendung von Schaumkunststoffkugeln und trockenen rollenlager­ artigen Abstandshaltern bei gleichzeitigen guten Durchlüftungs- und Transpirationseigenschaften.

Stand der Technik

In der PCT-Anmeldung WO 97/25551 A2 "Device incorporating elastic fluids and viscous damping" wird eine Vorrichtung beschrieben, die zur Absorption von Impulsenergie oder Vibrationen dient. In einem Gefäß mit beweglichen Wänden ist eine Vielzahl von Kapseln (capsules) aus elastischem Material, die in eine Flüssigkeit, ein Fett- oder Gel-Medium eintauchen, so daß, wenn der Druck im Medium ansteigt dieser hydraulisch auf die Kapseln übertragen wird und dadurch eine Volumenverkleinerung des nachgiebigen (Kapsel-) Materials und eine räumliche Umverteilung des Mediums bewirkt (Anspruch 1).

Durch das Eindringen der vollständig umgebenden Flüssigkeit in den Hohlraum dieser offenen Kapseln oder das elastische Zusammenpressen der Kapseln kommt die Elastizität der Flüssigkeit, siehe Titel der Anmeldung, (und die viskose Dämpfung) zustande - eine bei reinen, ein- oder mehrkomponentigen Flüssigkeiten aufgrund der Inkompressibilität nicht zu beobachtende Eigenschaft. Die beschriebene Vorrichtung (Device) unterscheidet sich wesentlich von der vorliegenden Erfindung:
Im Aufbau: Es werden Kapseln, eine varierende Umhüllung einer offenen oder geschloßenen Hohlkörperform, vollständig umgeben von einer Flüssigkeit verwendet, (hier: massive Vollkörper mit Beschichtung oder Teilumhüllung, siehe oben Punkt 1 und 2) In der Wirkungsweise: Aufpfropfen der elastischen Eigenschaft auf die ansonsten inkompressible Flüssigkeit aufgrund des hohlen Kapselaufbaus.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 23 13 483 A wird ein "Schwingungsdämpfer insbesondere zur Sicherung von Rohrleitungen gegen Erdbeben" beschrieben, der stoßartige Bewegungen von Gegenständen (Rohrleitungen) auf deren Eigenfrequenz dämpft, "vermittels eines mit einem durch einen Kolben verdrängbaren Dämpfungsmittel gefüllten Zylinders, dadurch gekennzeichnet, daß als Dämpfungsmittel eine Vielzahl von rieselfähigen Körpern dient." (Anspruch 1)

Diese sehr spezielle Kolben-Zylinderdämpfungsvorrichtung, deren Inneres zu einem Teil (s. Seite 4, Absatz 3, Zeile 12) mit kugelförmigen, rieselfähigen Körper gefüllt, ist, die sich erfindungsgemäß bei stoßartigen Bewegungen ineinander verkeilen (siehe Seite 2 Absatz 4) und bei langsamen Bewegungen durch den Kolben verdrängt in die restliche Hohlkammmer nach oben ausweichen (Seite 5 oben). Diese Vorrichtung hat somit mit dem anpassungsfähigen Kugelgel-Flächenlager keine Ähnlichkeit.

In der Anmeldung DE 27 01 181 A1 "Füllmateerial für Federungen" wird eine Suspension beschrieben, die aus einer Flüssigkeit und ein- oder mehrkammerig hohlen Polymerteilchen besteht, welche eine (mehrere) dünne geschlossene Hülle(n) besitzen.

In DE 43 23 476 A1 wird eine stoßdämpfende Anordnung beschrieben dadurch gekennzeichnet, "daß die Schicht aus Dämpfungsmaterial mindestens zu einem wesentlichen Teil aus Glasschaum besteht" (Anspruch 1). Der Glasschaum ist in ein Matrixmaterial eingebunden oder wird als Schüttung aus Glasschaum-Granulat verwendet (Anspruch 2 bis 9).

In der Anmeldung DE 24 52 006 A1 "Schwingungsdämpfer" wird ein "in einem Gehäuse angeordnetes, aus zwei Komponenten bestehendes dämpfungswirksames Material zur Aufnahme von Schwingungsenergie in Form von Zähigkeitswellen . . ." beschrieben.

Das Material besteht aus einem viskosen und einem festen Bestandteil, aus Pulver (Anspruch 1), Granulat, Fasern oder ist scheibenförmig ausgebildet (Anspruch 2 bis 4). Der Viskosebestandteil ist ein "durch Polymerisation, Vulkanisation oder einem anderen geeigneten Verfahren statisch verfestigter Stoff bzw. ein Stoffgemisch ist, der bzw. das dynamisch Flüssigkeitscharakter hat" (Anspruch 5), sich aber statisch wie ein Festkörper verhält (Seit 5, Absatz 3) und daher nicht mehr fließfähig ist (Seite 5,, Absatz 2).

In dem US-Patent US 2732040 wird ein "Constant Resistance Shock Absorbing Device" beschrieben, das aus einem zylinderförmigen Gefäß gefüllt mit, z. B. Metallkügelchen, und einer Ramme (Preßbock) besteht und das in der Lage sein soll Abbremsungen bis zu 500 g (g = Erdbeschleunigung) innerhalb von 5 bis 100 ms Zeitabschnitten zu ermöglichen. Das Arbeitsmedium besteht entweder aus reinen Metallkügelchen oder -spänen oder ersatzweise aus Schweröl oder Quecksilber (Spalte 2 unten und 3 oben).

In WO 96/39065 A1 wird eine Mischung von sphärischen Objekten und Schmiermittel für Puffer­ zwecke beschrieben. Die Mikrokugeln können hohl sein und mit einem flüssigen Schmiermittel beschichtet sein, um die gleitende und rollende Bewegung zwischen den Kugeln zu erleichtern. Die Mischung kann in einem flüssigkeitsdichten Behälter, z. B. einer flexiblen Blase, eingeschlossen sein.

In dem US-Patent US 3,968,530 werden Kissen und Polster beschrieben, die mit einer Mischung aus aufgeschäumten Polystyrol- und Silikat-Perlen und einer hochviskosen gelartigen Flüssigkeit gefüllt sind. Diese Kissen und Polster sollen eine günstige Druckverteilung und eine Minimalisierung des Auf- bzw. Durchliegens bei Bettlägerigkeit erreichen. Hier wird eine Mischung zweier Perlenarten stark unterschiedlicher Dichte verwendet.

In der vorliegenden Anmeldung wird eine stabile Art von Emulsion durch die Netzmittelzugabe erreicht und dadurch die Entmischung der Schaumstoff-Einzelkörper und des wässrigen Gels entschieden verhindert.

In den Abbildungen Fig. 1 bis Fig. 6 sind repräsentative Beispiele für die Ausführung- und Verwendungsmöglichkeiten des Kugel- bzw. Einzelkörpergel-Flächenlagers in schematischer Weise gezeigt.

Figuren

Fig. 1a Querschnitt durch ein anpassungsfähiges Flächenlager in Form einer Kugelgel gefüllten Umhüllung

Fig. 1b Querschnitt durch ein Kugelgel-Flächenlager als Rollgleitschicht zwischen zwei flächigen Bauelementen

Fig. 2a Querschnitt durch ein schwingungs-dämpfendes bzw. -entkoppelndes Flächenlager als Schüttschicht aus Einzelkörpergel

Fig. 2b Längsschnitt durch ein Wellenlager mit Kugelgel-Rollgleitschicht

Fig. 3 a) Quer- und b) Teil- Längsschnitt durch ein Kammersystem im Schaumstoffkern einer Matratze gefüllt mit Kugelgel

Fig. 4 Längsschnitt durch einen Schuh mit Futter- und Sohlen-Kammern gefüllt mit Kugelgel

Fig. 5 Querschnitt durch einen Fahrzeugreifen mit torusförmiger Einlage gefüllt mit Kugelgel

Figurenbeschreibung

Fig. 1a zeigt den Querschnitt durch ein anpassungsfähiges Flächenlager 7 auf einer umrandeten Auflage 4, in dem das Kugelgel 3 als flächige Schicht in eine Umhüllung 6 aus Kunststoffolie oder dichtem Gewebe eingebracht ist.

Das Kugelgel 3 besteht hier vorzugsweise aus Schaumkunststoff-Kugeln 1, wie Polystyrol oder Polyurethan, die mit einer Oberflächenbeschichtung 2 aus Talkum, Aerosilen, Sipernaten oder Graphit umgeben sind, siehe die Ausschnittsvergrößerung in Fig. 1a.

Ebenso können die Zwischenräume zwischen den Kugeln 1' teilweise mit den Abstandshaltern 2 oder einem wässrigen, gelartigen Gleitmittel 2' mit Tensidzusatz ausgefüllt sein, siehe die Ausschnitts­ vergrößerung in Fig. 1b.

Ein aufliegender Körper 5 verdrängt durch seine Eigengewichtskraft F das fließfähige Kugelgel und erreicht eine Konturanpassung der Umhüllung bis sich das Gleichgewicht wieder in dem System Umhüllung-Kugelgel-Umrandung eingestellt hat.

In dieser Weise kann eine neuartige, Wasserbett-ähnliche Bettmatratze verwirklicht werden, die auf­ grund der wählbaren Viskosität des Kugelgels inherent schwappel- und schwingungsgedämpft ist, ohne daß wie in einem Wasserbett ein Kammersystem oder eine Flieseinlage eingebaut oder benötigt wird.

Gegenüber den herkömmlichen Wasserbetten hat dieses System die weiteren Vorteile:

• - bei Verwendung einer trockenbeschichteten Schaumkunststoff-Kugelgel-Füllung ist eine Gewichtsersparnis um den Faktor 25 bis 50 möglich,
• - bei einer nassen Kugelgel-Füllung um den Faktor 2 bis 10,
• - bei Verwendung einer porösen, luftdurchlässigen Umhüllung transpiriert diese läßt und Luft und Feuchtigkeit durch diese Kugelgel- gefüllte Matratze,
• - es ist keine Heizung nötig.

In einer schlauchförmigen Umhüllung kann das Kugelgel auch als pneumatisches, federndes Flächenlager, wie in EP 0721 308 B1 beschrieben, anstelle der einkomponentigen, inkompressiblen Füllung des Behältnisses eingesetzt werden.

In analoger Weise kann das Kugelgel-Flächenlager auch als Sessel-, Sofa- oder Autositz-Polsterung oder -Auflage verwirklicht werden, ggf. in dünnerflächiger Ausführung mit unterbrochenen Absteppungen in regelmäßigen Abständen, so daß ein kommunizierendes Kammersystem entsteht. Bei einer Oberflächenbeschichtung der Kugeln mit trockenen rollenlager-artigen Abstandshaltern und unter Verwendung einer porösen Gewebeumhüllung 6 ist eine Luftdurchlässigkeit und Transpiration gewährleistet.

Ein Kugelgel in einer dichten Umhüllung kann auch als Unterpolsterung von Sätteln für Fahr- und Motorräder und für Reitsättel eingesetzt werden. In diesem Fall ist ein nasses Kugelgel aus Schaumkunststoff Kugeln teilumgeben von einem passenden Gel vorteilhaft.

Ebenso kann das teilumhüllte Kugelgel als Ein- oder Zwischenlage in einer Schaumstoffmatratze (Fig. 3a und 3b) verwendet werden, in torusförmigen Reifeneinlagen (Fig. 5) für den Notlauf nach Druckverlust, oder als Schüttschicht zur Schwingungs-Entkopplung z. B. unter Lasertischen. Für diese Anwendungen beläuft sich die mittlere Kugelgel-Schichtdicke D etwa auf das Fünf bis Hundertfache des mittleren Kugeldurchmessers.

Fig. 1b zeigt als Querschnitt das Kugelgel 3'-Flächenlager 7' als Rollgleitlager zwischen zwei flächigen Lager- bzw. Bauelementen 4' und 5'.

Hier sind die Kugeln 1' bei großen Auflagegewichtskräften F vorzugsweise aus hartem Material wie Metallen (Stahl, Bronze etc.) oder Keramik, bei kleineren Gewichtskräften F aus Kunststoffen oder Schaumkunststoffen. Die Zwischenräume sind mit den Gleitmitteln 2' oder den trockenen Abstandshaltern teilweise gefüllt siehe die Ausschnittvergrößerung in Fig. 1b.

Die Schichtdicke d beträgt hier vorzugsweise das Ein- bis etwa das Fünffache des mittleren Kugeldurchmessers. Die obere Lagerplatte S' ist vorteilhafterweise mit einer Phase 10 versehen, um ein Aufstauen des Kugelgels bei lateraler Verschiebung zu vermeiden. Die Phase 10 kann auch durch eine mitgleitende Randabdeckung 18, wie in Fig. 2a gezeigt ersetzt werden, um ein Austreten des Kugelgels 3' zwischen den ebenen Flächen 4', 5' zu vermeiden.

Dieses Kugelgel-Flächenlager kann bei entsprechenden Kugelmaterial und -abmessungen auch als Rollgleitlager zur einmaligen Benutzung zum Verschieben von schweren Bauteilen wie Trägern, Brücken oder Häusern dienen, wobei hier die Schichtdicke vorteilhafterweise nur etwa einem Kugeldurchmesser entspricht.

In Fig. 2a ist der Querschnitt durch ein schwingungs-dämpfendes bzw. - entkoppelndes Flächenlager in Form einer Schüttschicht 23 aus Einzelkörpern 11 dargestellt, die zwischen einer Wanne 14 und der Bodenplatte 15 eines Hauses, einem Teleskopfundament 15, einer Lasertischplatte 15 oder in Sockeln von HiFi oder anderen elektronischen Geräten eingebracht ist. Randabdeckungen 18 verhindern ein Austreten des Einzelkörpergels 23 bei Schwingungen und Erschütterungen.

In diesem Anwendungsfall sind ggf. unregelmäßig eckige Einzelkörper 11 von Vorteil zur Erzielung einer hohen Viskosität des Einzelkörpergels und damit einer höheren Schwingungs-Dämpfung bzw. - Entkoppelung.

Bei Verwendung von nassem Einzelkörpergel ist das Flächenlager je nach Wahl des Körpermaterials sowohl für die Dämpfung von sehr niederfrequenten als auch hochfrequenten Schwingungen geeignet.

Die Einschüttung kann bei trockenem Einzelkörpergel durch Einblasen mit deutlich verringerten Auf­ wirbeln, z. B. der Styroporkörper, aufgrund der Oberflächenbeschichtung erfolgen, und bei nassem Einzelkörpergel ebenfalls durch Luftförderung oder Schneckengangpumpen. Bei Verwendung von Polystyrol kann Abfallverpackungsmaterial, das in einem Reißwolfzerkleinert wird, Verwendung finden.

Fig. 2b zeigt den Querschnitt durch ein Wellenlager mit Kugelgel-Füllung 3' als kombiniertes Rollgleitmittel. Die Lagerbuchse 27 kann die Form eines Doppel-Simmerings aufweisen mit einer anliegenden Dichtfläche 24 und einer Dichtlippe 25, die durch je eine Spiralringfeder 9 an die Welle 29 angepreßt werden. Dieses Wellenlager ist besonders geeignet für langsam laufende Wellen. Durch eine oder mehrere Luftkammern 26 und entsprechende Ausbildung des Dichtflächen­ halses 20 und der Dichtlippe 25 kann dieses Kugelgel-Lager Schwingungen der Welle aufnehmen und dämpfen, ohne daß die Schmierung leidet.

Im Falle des Rollgleitlagers, siehe Fig. 1b und 2b, hängt der Rollwiderstand von dem Material und der Beschaffenheit der Lagerwandungen, dem der Kugeln und deren Oberflächenrauhigkeit als auch von dem verwendeten Gleitmittel ab. Insbesondere bei Rollgleitschichtdicken von drei bis fünf Kugeldurchmessern spielt der Mitnahmeeffekt, d. h. der daraus resultierende Geschwindigkeitsgradient im und somit die integrale Viskosität des eingesetzten Kugelgels eine Rolle. Durch die ggf. unter­ schiedlichen Kugelabmessungen kann auch bei nicht ganz maßhaltigen Wellen- bzw. Lagerabmes­ sungen oder Flächen der ebenen Lager ein guter Rundlauf bzw. ein leichtes Rollgleiten erreicht werden; ebenso ist eine gute Schwingungsdämpfung möglich.

Fig. 3 zeigt in a) einen Quer- und in b) einen teilweisen Längsschnitt durch ein innenliegendes Kammersystem 8 im Schaumstoffkern 30 einer Matratze, gefüllt mit Schaumkunststoff-Kugelgel 13. In dieser Anwendung wird vorzugsweise ein trockenes Kugelgel 13 mit Oberflächenbeschichtung verwendet. Falls ein nasses oder ein wässriges Kugelgel verwendet wird, ist eine Wand-Beschichtung oder -Behäutung 19 mit einer Kunststoffolie oder mit Polyurethan angebracht.

Bei trockenem Kugelgel 13 bestehend aus Styroporkugeln oberfächenbeschichtet mit Aerosilen oder Sipernaten tritt durch die Walkbewegung des Schaumstoffes nur eine sehr geringfügige Diffusion dieser Abstandshalter auf, da diese eine sehr hohe Oberflächenadhäsion aufweisen, aufgrund von star­ ken v. d. Waals Kräften. In diesem Falle ist eine Wandbeschichtung oder -behäutung nicht notwendig. Das Kammersystem 8 im Inneren des Matratzenkerns besteht vornehmlich aus parallel zur Breitseite B der Matratze verlaufenden Kammern 34 und 37, die abwechselnd Kugelgel- und Luft-gefüllt sind. Die Kugelgel-gefüllten Kammern 34 sind untereinander durch Längs-kanäle 35 verbunden.

Durch dieses Kammersystem 8 gefüllt mit Kugelgel und die leicht kompressiblen und einbuchtbaren Schaumstoffwandungen 32 wird bei Auflage eines menschlichen Körpers eine ideale, druckspitzen­ freie Anpassung der Matratze an die Körperkontur in jeder Schlafposition erreicht.

Dies erfolgt durch

• - Fließen des Kugelgels in nicht druckbeaufschlagte Regionen,
• - Kompression und Ausbuchtung der Schaumstoff-Zwischensstege 32 des Matratzenkerns. Durch dieses kommunizierende Kammersystem, das eine allmähliche Druckanpassung überall in dem Kugelgel bewirkt, kommt es auch zu einem positiven Unterstützungseffekt im Lenden- und Lendenwirbelbereich des Körpers.

Die Lüftungs- Stiftbohrungen 36 unterstützen die Belüftung und Transpiration der Matratze, die bei trockenem Kugelgel (ohne Wandbeschichtung) auch über das Kammersystem 8 erfolgt. Bei Verwendung von Styroporkugeln mit einem Raumgewicht von 20 bis 40 g/l wird das Gesamtgewicht der Matratze gegenüber dem reinen Schaumstoffkern nicht erhöht, ggf. sogar reduziert. Die Verwendung von schwer entflammbaren Polystyrol-Schaumstoffkugeln mit einer Oberflächenbeschichtung aus pyrogenen oder gefällten Kieselsäuren erhöht den Flammpunkt des Kugelgels weiter und verringert die Entflammbarkeit der Matratze.

In Fig. 4 ist der Querschnitt durch einen Schuh 40 schematisch gezeichnet, dessen Futter 44 und Sohlen (42)-Kammern 39 mit einem Schaumkunststoff-Kugelgel 3 bzw. einem volumen­ elastischen Kugelgel 13' befüllt sind.

Die Volumenelastizität wird insbesondere mit Kugeln aus Styropor geringen Raumgewichts von ca. 20-40 g/l oder Polyurethan erreicht.

Für die Kammerfüllung kann sowohl ein trockenes als auch ein nasses Kugelgel, je nach Gewichtsanforderung, von Vorteil sein.

Für die Futterfüllung wird vorzugsweise trockenes Kugelgel verwendet, das auch eine sehr gute Wärmeisolierung z. B. bei Skischuhen gewährleistet. Das Futter 44 als auch die Außenhaut des Schuhes 38 kann aus Leder oder transpirierendem Gewebe bestehen.

In ähnlicher Weise kann trockenes Schaumkunststoff-Kugelgel in Futter von Kleidungsstücken und Handschuhen bei entsprechender kleiner Dimension des Kugeldurchmessers und entsprechenden Absteppungen eingesetzt werden.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch einen Fahrzeugreifen 52, in dem eine poröse, torusförmige Einlage 56 mit trocken-beschichteter Kugelgel-Füllung 13 eingebracht ist. Damit wird ein gutes Notlaufverhalten auch bei Druckluft-Verlust (einem Platten) erreicht.

Die Felge 54 und der Fahrzeugreifen 52 können die herkömmliche Bauweise und Form aufweisen. Vor dem Ventil 55 kann ggf. ein engmaschiges Netz (nicht gezeichnet) angebracht sein, das einen Durchtritt oder ein Verstopfen durch das Kugelgel oder die Oberflächenbeschichtung verhindert. Bei Verwendung von beschichteten Schaumkunststoff-Kugeln mit einem Raumgewicht von 20-80 g/l beträgt das zusätzliche Gewicht der Kugelgel-Füllung eines KFZ-Reifens etwa zwischen 0,4 und 1,6 kg.

Bei Verwendung, der hier ausschließlich vorgesehenen Oberflächenbeschichtung durch rollenlager­ artige Abstandshalter, wie z. B. Aerosile oder Sipernate, wird außerdem ein Zusammenbacken der Styroporkugeln vermieden bei den im Fahrzeugreifen im Sommer und bei höherer Geschwindigkeit auftretenden Temperaturen.

Bei den Kugelgel-Flächenlagern mit Schichtdicken größer dem Fünffachen des mittleren Kugeldurch­ messer ist die integrale Viskostität des Kugelgels die entscheidende charakteristische Größe. Die Viskosität hängt hier vom Durchmesser der Kugeln, deren Oberflächenbeschichtung mit trockenem rollenlager-artigen Abstandshaltern, Graphit oder anderen flüssigen oder gelartigen Gleitmitteln ab. Eine eindeutige Vorhersage der spezifischen Eigenschaften des Kugelgels aus dem verwendeten Material oder dem Durchmessern der Kugeln sowie des eingesetzten Gleitmittels ist schwierig und deshalb müssen diese im Einzelfall empirisch bestimmt werden.

Die Beigabe von etwa 0,3 bis 0,7 Gewichtsprozenten Aerosilen (pyrogenen Kieselsäuren) oder Sipernaten (gefällten Kieselsäuren) bzw. Graphitstaub oder 1 bis 2 Gewichtsprozenten Talkum zu Styroporkugeln, die alle als Oberflächenschicht angelagert werden, bewirkt eine Reduzierung der Viskosität des Kugelgels um etwa eine Größenordnung gegenüber den unbe­ schichteten Kugeln. Außerdem verringert sich insbesondere bei den Aerosil- und Sipernat- Beigaben die Geräuschentwicklung beim freien Fließen bzw. beim forcierten Transport des Kugelgels, z. B. in Schläuchen, deutlich bis drastisch. Eine höher prozentige Zugabe dieser Abstandshalter verringert die Viskosität des Kugelgels nur noch geringfügig und wird dann als freies Pulver zwischen den Kugeln beobachtet. Dies läßt auf eine Sättigung der Oberflächenbeschichtbarkeit der Styropor-Kugeln mit diesen trockenen Abstandshaltern schließen.

Der Vorteil dieser Kugelgele besteht darin, daß sie makroskopisch die Konsistenz einer höher viskosen Flüssigkeit oder eines Gels haben jedoch ein deutlich geringeres Gewicht als bisher bekannte Flüssigkeiten und Gele.

Bei Zugabe von Silikon- oder Paraffinölen zu Styroporkugeln dagegen wird ab ca. 1 bis 2 Gewichtsprozenten ein Sättigungseffekt der Oberflächenbeschichtung beobachtet. Die Viskositäts­ verringerung ist kleiner als bei den trockenen Abstandshaltern. Bei weiterer Zugabe kommt es zu einer Akkumulierung von Kugelballen durch sich einschnürende Flüssigkeitsbrücken zwischen den einzelnen Kugeln, bewirkt durch die Adhäsionskraft des Öls an den Kugeln und dessen Oberflächenspannung. Dadurch wird die Viskosität dieses nassen Kugelgels über die der reinen Kugeln erhöht. Bei Verwendung eines sehr dünnflüssigen Öls kleiner Oberflächenspannungen liese sich letzterer Effekt eingeschränkt vermeiden.

Weiterhin kann eine Kugelgel-Emulsion hergestellt werden durch Mischung z. B. von Schaumkunststoff-Kugeln mit einem wässrigen Gel als Gleitmittel unter Beigabe eines Tensides oder anderen Netzmittels zur erhöhten Haftung an den Kugeln. Dadurch wird eine stabile Art von Emulsion auch bei sehr unterschiedlicher Dichte des Kugelmaterials und des umgebenden Gels hergestellt, die sich nicht entmischt.

Bei Verwendung von Polyacrylat (Luquasorb AF®, BASF Ludwigshafen) als Wassergelierungs­ mittel kommt es zu einer körnigen Struktur des Wassergels, das sich etwa in einem Volumen­ mischungsverhältnis von 1/16 bis 1/4 mit Hilfe eines Tensides im Zwischenraum der Kugeln anlagert. Die Viskosität dieses Kugelgels wird dadurch ebenfalls in deutlich kleinerem Maße verringert als bei den trockenen Abstandshaltern, bei höheren Volumenbeimischungen eines zähflüssigen Wassergels sogar erhöht; für einige Anwendungen wie Schwingungsdämpfung und -entkopplung ist dies sogar von Vorteil.

Claims (16)

1. Anpassungsfähiges Flächenlager (7, 7') bestehend aus Einzelkörpern (1, 1', 11) von etwa 50 µm bis 50 mm mittleren Durchmessers, dadurch gekennzeichet, daß die Einzelkörper (1, 1', 11) mit einem Gleitmittel (2'), bestehend aus einem wässrigen Gel körniger Struktur mit einem Netzmittelzusatz, oder mit trockenen, sich fein verteilenden Stoffen (2) oder mit einer Mischung derselben, beschichtet sind, wobei das Gleitmittel (2') oder die trockenen Stoffe (2) die Zwischenräume zwischen den Einzelkörpern (1, 1', 11) zumindestens teilweise ausfüllen, und das Gleitmittel (2') und die trockenen Stoffe (2) auf­ grund starker Adhäsionskräfte an den Einzelkörpern (1, 1', 11) anhaften und ein Kugelgel (3, 3', 13, 13', 23) mit viskosen Eigenschaften ausbilden.

2. Anpassungsfähiges Flächenlager gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelkörper (1, 1', 11) aus Metall, Keramik, Stein, Kunststoff oder Schaumkunststoff bestehen und eine runde oder kugelrunde Außenform aufweisen.

3. Anpassungsfähiges Flächenlager gemäß Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel­ körper (1, 1', 11) mit einem gelartigen Gleitmittel (2) körniger Struktur, bestehend aus Wasser und Polyacrylaten und einem Zusatz von Tensiden, oder mit trockenen, sich fein verteilenden Stoffen (2) beschichtet sind oder diese die Zwischenräume teilweise ausfüllen, wobei letztere Abstandshalter bilden und aus Talkum, Aerosilen, Sipernaten, Graphit oder aus einer Mischung derselben bestehen.

4. Anpassungsfähiges Flächenlager gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelgel (3, 3') aus Schaumkunststoff-Kugeln mit einem wässrigen Gel körniger Struktur als Gleitmittel und einem beigemischtem Tensid besteht, wodurch eine beständige Art von Emulsion aus den Kugeln und dem wässrigen Gel ensteht.

5. Anpassungsfähiges Flächenlager gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Schichtdicke von dem Ein- bis Fünffachen des mittleren Einzelkörperndurchmessers das Kugelgel (3')-Flächenlager als Rollgleitschichtlager in Simmering-artigen Buchsen (27) zur Aufnahme von Wellen (29) oder als Rollgleitschicht zwischen flächigen Bauelementen (4', 5') eingesetzt wird.

6. Anpassungsfähiges Flächenlager gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Schichtdicke von dem Fünf- bis Hundertfachen des mittleren Einzelkörperndurchmessers das Kugelgel-Flächenlager sich aufgrund seiner viskosen, gelartigen Konsistenz unter Auflagedruck an aufliegende Körperkonturen anpaßt und diese lagert.

7. Anpassungsfähiges Flächenlager gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Matratze (30) aus Schaumstoff ein innenliegendes Kammersystem (8) enthält, in dem Kugelgel (3, 3', 13, 3) gefüllte Taschen eingebracht sind.

8. Anpassungsfähiges Flächenlager gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelgel (3, 3', 13, 13') als Schicht in einer Umhüllung (6, 19) aus Kunststoffolien oder aus dichtem Gewebe eingebracht ist.

9. Anpassungsfähiges Flächenlager gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelgel (3', 3') in einem Futter (44) eines Kleidungsstückes, eines Schuhs (40) oder Handschuhs eingebracht ist.

10. Anpassungsfähiges Flächenlager gemäß Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumkunststoffkörper (1, 1', 11) eine Volumen-Elastizität aufweisen.

11. Verwendung des anpassungsfähigen Flächenlagers nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das volumenelastische Kugelgel (13') als Schuhsohlendämpfung in Kammern (39) der Sohle (42) eines Schuhs (40) eingebracht ist.

12. Anpassungsfähiges Flächenlager gemäß Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelgel (3, 3') in einer Umhüllung (6, 19) aus Kunststoffolie oder aus dichtem Gewebe eingebracht ist und als Füllung eines Wasserbettes oder als Füllung in einer schlauchförmigen Umhüllung als pneumatisches, federndes Flächenlager, eingesetzt werden kann.

13. Verwendung des anpassungsfähigen Flächenlagers nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Kugelgel (3, 3', 13) in einer Umhüllung (6, 19) als Bettmatratze, Sessel-, Sofa- oder Autositz-Polsterung oder -Auflage oder als Unterpolsterung von Sätteln eingesetzt wird.

14. Anpassungsfähiges Flächenlager gemäß Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelgel- Flächenlager als Schüttung (23) oder Schichtbett für Lasertische (15), unter Teleskopen oder Gebäuden (15) verwendet wird.

15. Verwendung des anpassungsfähigen Flächenlagers gemäß Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß Kugelgel (3') als Rollgleitschicht zwischen flächigen Auflagen von Brücken, Häusern und anderer schwerer Bauelementen zum Verschieben dieser Gegenstände eingesetzt wird.

16. Anpassungsfähiges Flächenlager nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelgel (13) in einer porösen, torusförmigen Umhüllung (56) eingebracht ist, die eng anliegend in einem Fahrzeugreifen (52) eingelegt ist.