DE2020473A1

DE2020473A1 - Druckfederanordnung

Info

Publication number: DE2020473A1
Application number: DE19702020473
Authority: DE
Inventors: Beck Merrill Gordon
Original assignee: Lord Corp
Current assignee: Lord Corp
Priority date: 1969-04-25
Filing date: 1970-04-27
Publication date: 1970-11-12
Also published as: FR2046366A5; DE7015774U; AU1364070A; US3584858A

Description

LOUIS & LOHRENTZ

PATENTANWÄLTE 10 900

N URN BE R Q
KESSLERPLATZ J

LORO CORPORATIOIi, 2rie, Pennsylvania (U.S.A.),

Druckfederanordnung

Die Erfindung betrifft die Druckfederanordnung, bestehend aus einer Säule aus elastoiaerem Kunststoff, die an ihren Enden fest angeordnete, radial überstehende Stützflächen aufweist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Druckfederanordnung der -vorstehend geschilderten Gattung dahingehend zu verbessern, dass sie eine grössere Lastaufnahmefähigkeit bei längerer Lebensdauer erhält. Brfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch eine Druckfederanordnung gelöst, bei der die Säule einen sich zu den Enden hin verringernden Querschnitt, sowie ein Längen/Querschnittsverhältnis aufweist, das ein Ausknicken unter Druckbelastung verhindert, und dass die zur Säulenlängsachse parallelen Tangenten an die Säulenfläche am Übergang zu den Stützflächen einen sich radial nach aussen öffnenden spitzen Winkel mit den Stützflächen einscbliessen.

In einer besonders vorteilhaften Ai^sführungsform der Erfin-

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dung ist die Säulenfläche mindestens an einem Ende konvc;: gekrümmt. In einer weiteren Fortbildung des Lrfindungsgedanliens ist vorgesehen, dass die elastomere Säule mindestenc ar. aineni Ende Halbkugelform "besitzt und die zugeordnete Stützfläche tangential zur Säulenfläche liegt.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispie.le der vorliegenden Erfindung sowie aus den weiteren Unteransprüchen.

Es zeigen:

Figur 1 eine Seitenansicht einer bekannten Druckfederanordnung;

Figur 2 eine Seitenansicht einer weiteren bekannten Druckfederanordnung;

Figur 3 und 4 Verformungsdiagramms unter Last der in Figur 1 gezeigten Druckfederanordnung;

Figur 5 und 6 den Figuren 3 und 4 ähnliche Diagramme, jedoch bezogen auf eine gegenüber der Ausführungsform gemäss Figur 1 modifizierte Ausführungsform mit einer zentralen Bohrung;

Figur 7 ein Verformungsdiagramm einer Druckfederanordnung, bei der das Längen/Querschnittsverhältnis der elastomeren Säule unter Druckbelastung ein Ausknicken erlaubt ;

Figur 8 eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfin-

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dungsgeniässen Druckfederanordnung;

Figur 9 Ms 16 Seitenansichten weiterer modifizierter Ausführungsformen der erfindungsgemässen Druckfederanordnung und

Figur 17 ein Last-Verformungs-Schaubild.

Die in Figur 1 dargestellte bekannte Druckfederanordnung aus einem elastomeren Werkstoff besitzt an ihren beiden Enden Stützflächen 1 und 2, von denen eine trägt und die andere durch die Feder getragen wird. Diese Stützflächen 1 und 2 besitzen las tauf nahuief lach en 3 und 4> die einander gegenüberliegen und an den beiden Enden eines Elastomer-Körpers 5 von gleichförmigem Querschnitt befestigt sind. Dies stellt die bekannteste Art einer Druckfeder dieser Gattung dar.

Venn diese bekannte Druckfederanordnung eine vertikale Last aufnimmt, die eine Verformung auf etwa 80$ ihrer ursprünglichen Höhe hervorruft, verschiebt sich die obere Stützfläche 2 in die gestrichelt angedeutete Position 2a, während der inkompressible elastomere ¥erkstoff sich zu der gestrichelt angedeuteten Kurve 6 auswölbt. Die Figuren 3 und 4 zeigen den entsprechenden Spannungsverlauf in einer durch die Achse des Elastomerkörpers 5 gelegten Radialebene. Beim Übergang vom unbelasteten Zustand (Figur 3) zu dem voll belasteten Zustand (Figur 4) werden die ursprünglich quadratischen Fetzbereiche in Figur 3 verzerrt. Da sich die oberen und unteren Seiten der Quadrate einander annähern, wird die äussenlie-

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' - 4 gende Seite jedes der Quadrate radial nach ausseu gedrängt.

Während die Figuren 3 und 4 die Spannungsschaubilder für einen massiven Elastomerkörper zeigen, stellen die Figuren 5 und 6 analoge Schaubilder für einen Elastomerkörper dar, der eine zentrale Bohrung oder Öffnung 7 aufweist. Es ist zu erkennen, dass auch hier die gleiche .Art der Verzerrung stattfindet. Die oberen und unteren Seiten der eingezeichneten Quadrate nähern sich einander, während sich jedoch die in der Nähe der Innenbohrung 7 liegenden Seiten der Quadrate nicht radial nach aussen bewegen, so dass die Bohrung 7 auch in voll belastetem Zustand gemäss Figur 6 weitgehend den gleichen Durchmesser aufweist, den sie im unbelasteten Zustand gemäss Figur 5 besitzt. Die Aussenseiten der Quadrate werden jedoch v;ieder radial nach aussen gedrückt. Der Grund für diese Radialverschiebung oder -verzerrung nach aussen ist der, dass eine Bewegung des Werkstoffes in Richtung auf die zentrale Achse eine Kompression des Elastomers oder eine Verkeilung mit dein Resultat eines geringeren Innendurchmessers voraussetzen würde, wahrend die Bewegung nach aussen lediglich durch Jie Ring- oder Umfangsspannung in dem elastomeren Körper aufgenommen wird. Da aber elastomere Werkstoffe sich etwa dreimal so leicht durch Zugspannung al3 durch Druckspannuxij verformen lassen, ist es einleuchtend, dass auch in diesem Falle der Werkstoff den Weg des geringsten Widerstandes, also nach auesen wählt. Zentrale Bohrungen, wie z.B. die Bohrung 7, weraon häufig zur Durchführung durchgehender Sicherheitsschrauben

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Pi f. f

od. dgl. vorgesehen. Bei der Druckfederanordnung gemäss Figur 1, mit oder ohne zentrale Bohrung,- hat sich gezeigt, dass bei einer ausreichend grossen Last zur Verformung des Elastomerkörpers 5 um mehr als 20 $ seiner unbelasteten Höhe die Druckfederanordnung bei dynamischer oder Schwellbelastung rasch zu Bruch geht. Die Schadensursache beruht auf einer ausgesprochenen Ermüdung, die ihren .Anfang durch Einreissen der Aussenkanten an der Verbindungsstelle zwischen dem elastomeren Körper und den Stützflächen 3 und 4 nimmt. Dieses Einreissen des elastomeren Körpers kann an jedem Punkt am äusseren Umfangsrand des Körpers einsetzen. Diese Bereiche sind.in der Zeichnung mit dem Bezugszeichen 8 versehen. Wenn einmal ein Riss begonnen hat, pflanzt er sich radial nach innen fort. Gleichzeitig werden die Federeigenscßaften der Druckfederanordnung ausserordentlich verschlechtert, so dass für praktische Bedürfnisse die Lebensdauer der Druckfederanordnung zu Ende ist.

Es ist bereits versucht worden, die Lebensdauer der bekannten Druckfederanordnungen nach Figur 1 durch die Konstruktion gemäss Figur 2 zu verbessern. Bei dieser Konstruktion besitzen die Stützflächen 9 und 10 Lastübertragungsflächen 11 bzw. 12, die ebenfalls an den beiden gegenüberliegenden Enden eines Elastomerkörpers 13 befestigt sind. Der Elastomerkörper 13 weist wieder einen gleichförmigen Querschnitt in seinem Mittelteil auf, besitzt jedoch nahe an seinem Ende eine radial nach aussen verlaufende Verstärkung 14, die eine vergrösserte Bindefläche

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zwischen dem Elastomer und den Stützflächen 9 und 10 darbietet. Zwar stellt diese Konstruktion gemäss Figur 2 eine Verbesserung gegenüber der Druckfederanordnung geaass Figur 1 dar. Sie besitzt jedoch im-wesentlichen die gleiche Beschränkung ihrer Tragfähigkeit, die darin liegt, dass zur Erzielung einer ausreichenden Lebensdauer die Belastung keine Verformung des elastomeren Körpers hervorrufen darf, die mehr als 20$ seiner unbelasteten Höhe beträgt. Wird diese Belastungsgrenze überschritten, so treten vieder Brüche des Elastomers auf, die Iäng3 der durch strichlieite Linien 15 angedeuteten Bereiche einsetzen, in jedem Falle von aussen. her beginnen und sich radial nach innen fortpflanzen.

Figur 8 zeigt eine erfindungsgemässe Druckfederanordnung mit Stützflächen 16 und 17» von denen eine trägt und die andere getragen wird, und die Lastübertragungsflächen 18 und 13 aufweisen, mittels welcher die Stützflächen 16 und 17 an den einander gegenüberliegenden Enden eines Slastomerkorpers 20 befestigt sind. Die Enden 21 und 22 des elastoneren Körpers oder der elastomeren Säule besitzen einen verringerten Querschnitt bezogen auf den angenähert in der Mitte swischen den Stützflächen liegenden maximalen Querschnitt. In der speziellen Ausführungsform beträgt die Querschnittsfläche an den Enden 21 und 22 angenähert nur etwa ein Viertel der maximalen mittleren Querschnittsfläche.

Die Figur 17 aeigt bei 23 die Lant-Verformungs-Xurve für die bekannten Druckfederanordnungen, gemäss den Figuren 1 und 2.

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Bei diesen wird bei voller Last, d.h. bei 100 $, die Elastomersäule um etwa 20$ ihrer unbelasteten Höhe komprimiert. Dies liegt bereits nahe an der maximalen statischen Belastung, die die Druckfederanordnung überhaupt aufnehmen kann und dabei gleichzeitig eine einigermassen.brauchbare Lebensdauer bei auftretender dynamischer und Stoss- oder Schwellbelastung liefert. E3 können zwar zeitweilige statische Überlastungen ohne wesentliche Schädigung der Druckfeder aufgenommen werden. '* Wenn diese Überlastungen jedoch während längerer Betriebsdauer der Druckfederanordnung auftreten, führt-das erfahrungsgemäss su einer ganz erheblichen Verkürzung der Lebensdauer.

Die Last-Verformungs-Kurve 24- für die Druckfederanordnung gemäs3 Figur 8 lässt erkennen, dass die Federkennlinie für geringe Belastungen zuerst flacher verläuft. Dies beruht auf der Wirkung der verringerten Querschnittsflächen an den Enden der Elastomersäule 20, die selbstverständlich in einer ■ geringeren Druckaufnahmefläche resultiert. Daraus folgt, ™ dass die Elastomersäule sich leichter verformen lässt, d.h. eine weichere Feder darstellt. Bei einer Verformung um 50$ beträgt die Belastung bereits 400$ derjenigen Belastung, die durch die bekannten Federanordnungen gemäss Figur 1 und 2 als Dauerbelastung aufgenommen werden können, obwohl diese bekannten Federn das gleiche Elastomervoluinen wie diejenige gemäss

"gur 3 aufweisen. Diese 4facho Laststeigerung wird jedoch keineswegs auf Kosten der Lebensdauer gewonnen. Tatsächlich liegt die Lebensdauer bei der Druckfederanordnung

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gemäss Figur 8 mit einer statischen Belastung, die eine Verformung von 50 $ der unbelasteten Säulenhöhe ausmacht, gleich oder ist sogar grosser als diejenige der bekannten Druckfeaeranordnungen gemüse den Figuren 1 und 2, wenn dle.se Belastungen mit einer Verformung um nur 20$ ihrer unbelasteten Höhe aufnehmen massen. Bei einer Verformung um 35$ beträgt die statische Belastbarkeit der Druckfederanordnung gemäss Figur 8 200 $ von derjenigen, die die bekannte Druckfederanordnung gemäös den Figuren 1 und 2 aufzunehmen in der Lage ist.Auch hier ist davon ausgegangen, dass die bekannten Anordnungen die gleiche unbelastete Höhe und das gleiche Elastomervolumen wie die Ausführungsform gemäss Figur 8 besitsen. Da3 führt zu einer grösseren Lastaufnahmefähigkeit mit einem erheblich grösseren Sicherheitsfaktor für Überlastungen. Bei einer Verformung um 50$ liegt die Federkennlinie bei statischer Last bei der Ausführungsform gemäss Figur 8 bei etwa 400$ derjenigen der bekannten Federanordnungen, selbst λν-enn diese die gleiche unbelastete Höhe und das gleiche Elastomervolumen besitzen.

Die Figuren 9 bis 15 zeigen Kodifikationen der grundlegenden AuBführungsform gemäss Figur 8. Alle diese Modifikationen besitsen im wesentlichen gleiche oder ähnliche Eigenschaften. In diesen Figuren sind die entsprechenden Teile der Druckfederanordnungen mit den gleichen Besugszeichen bezeichnet. wie diejenigen in Fi^ur 3, weisen jedoch zusätzliche Buchstaben.! nd j zo.c auf. Lie Last-Verformungo-Ivurven diesel" siodifisier-

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ten Anordnungen und deren Lebensdauercharakteristik sind durchwegs vergleichbar mit denjenigen bei der Ausführungsform gemäss Figur 8,

Bei der Ausführungsform gemäss Figur 9 ist das Hauptaugenmerk auf eine Vereinfachung der Giessform gerichtet. So lässt z.B. die Figur 8 erkennen, dass zwischen den Enden der Elastomer- ; säule und den unmittelbar anschliessenden Stützflächen ein spitzer, ziemlich scharfer Winkel besteht. Dies erfordert jedoch einen scharfen Abschnitt in der Giesaform, um die genaue Anpassung an die Stützflächen 16, 17 zu gewährleisten, die letztlich getrennte !Teile aus einem anderen Material, z.B. Metall, darstellen und mit denen das Elastomer verbunden wird. Diese Stützflächen werden natürlich so geformt und ausgelegt, um die an sie gestellten Anforderungen hinsichtlich ihrer Belastungsfähigkeit zu erfüllen. Sie können beträchtlich in ihrer Gestaltung voneinander und auch von den einfachen elementaren Gestaltungen gemäos Figur 8 abweichen.

Um nun, wie vorstehend erläutert, die Giessformkonstruktion zu vereinfach^sind zwischen den Enden 21a und 22a der Elastomer säule 20a und den anliegenden Stützflächen 16a bzw. 17a dünne Scheiben oder Häute 25, 26 aus Elastomer vorgesehen. Liese Elastoraerocheiben können, wie die Figur 9 zeigt, die Form eines dünnen iCeiles im Querschnitt aufweisen. Sie können ,jedoch auch jede andere geeignete Form besitzen. Die Dicke dieser Scheiben aua elastomeron Werkstoff wird oo gewählt,

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dass sie zu einer Beeinflussung der "ragfahigkaitscharalr stik nicht ausreicht., so d„^3 diese in wesentlichen eng über der -»ü SiUiIZ¹UUgSX OxTiI i|C~iiitji^ j.'j.-gU.L* O 'UnVCj.V.uG.ört "Όα.ώ-.Ο*ΰ. Z/ür tatsächlich erzielte Vorteil dieser Konstruktion besteh"· lediglich in der Vereinfachung dsr Herstellung. Bei einer Belastung, die eine Verformung un 5O'/j der unooiastetan rlöhü hervorruft, is"_u die Gestalt der Pader geraä^s ]?igur 9 dis gleiche v/ie diejenige, dia in Tigur S durch die gestrichelten Linien 27 angedeutet ist, Lei einer "Verformung der T'eder gemä,3s j?igur 3 um 50>j ihrer unoelastetan L'Jhe v/älzt sich die L^llas toner säule auf die LastiHoortragungsf lachen 18 und 15 auf. La bei der. *"jiGführungsfcra ganäss ITigur 9 jedoch die Lastübertragungsflächen ISa und ISa durch die Scheiben 25 bzw. 26 aus Gununi od. dgl. abgedeckt sind, otoll'j sich ein Gumiui-Kontakt suisenen der ElaaoEiersäule 20a und den Scheiben 25> 26 ein. Dies verursacht zwar einen gewissen Scheuereffekt, der jedoch die Gesamtieb^nsdauer der Druckfederanordnung nicht merklich beeinträchtigt.

Bei uer Ausführungaform geuiäcs Tigur_ 10 sind in den Enden dor ü!lastonier£;J.u.lö 20b I-Iotalleieraente 28, 29 in Pom relativ dünner I-Ietallplatten eingebettet und mit den Süden 21b und 22b verbunden. Die Außenflächen der ^otallpluutcii 28, 29 liegen bündig mit äeu S-cirnflüchen 21b, 22b der Elastomersäule 20b. In Betrieb worden die i-idtallplavüen 23, 29 an Stützflächen 16b, 17b, die gestrichelt dargestellt sind, befestigt. Diese £tü*_uüfiäciien 16b und IYb be..;i ui;on

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wieder Lastübertragungsflachen ISb "bzw. 19b, die sicn radial nach aus ε en über die Stirnsei-an 21b und 22b erstrecken und auf denen bei auftretender Belastung die vorfcriate Diactonersäule abrollt. Die Ausführungsform genäss Pigur 10 lässt sin in Verbindung mit einer grossen 2-lannigfaitiglceit hinsichtlich Grosse und Gestalt unterschiedlicher last trägerfläch en einsetzen. Bei-voller' Belastung oesitst die Elastomersäule 20b wieder die gleiche Porm wie sie bei 27 in Pigur 8 dargestellt ist.

Die Ausführungsfcrm genäss 2igur 11 ist ähnlich derjenigen in xigur 10, unterscheidet sich jedoch dann_s dass die au den Ketallplatten 2S und .29 bai der Ausführungsform gemäss ]?igur 10 analogen Iletallplattan 50 und 51 geringfügig in die Stirnseiten 21c und 22c der Zlcstomercäuls 20c eingelassen sind. Daraus resultiert, dass bei einer Befestigung dieser Platten an Stützflächen 1ce und 17c die cziporstohanden Ränder 52 bzw. 35 in Zontal_"t sit den Lastübertragungsflachen 10c und 19c geprc^ü'c v/erdcn. Unter voller Belastung der Feder nircnt diese ebenfalls die bei 27 in U'igur 8 gezeigte Gestalt an, wobei die Ränder 52 und 53 nach innen auf die zentrale Achse der Peder zn gerichtet sind und auf diese "eise der diese Ränder usgtbcnde elastomere "iverliotoff die Bindung zwischen dem Elastomer und den Platten 30 und 31 vor unzulässiger Verzerrung-schützt. Der Vo-rtöil der Ausfuhrunguform gemäss I?igur 11 ^jgenübcr dor j eiliger. ger^^Q dc-n figuren 8 oder 9 besteht v/iodor darin, dacc dadurch die- GiessforailconstruL ,xon

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vereinfacht wird.

Die ?eder gemäss Pigur 12 is ¹S ähnlich derjenigen Pigur 11, jedoch iuit der Ausnahme, dass die stirnseitigen rletallplatten 54 und 35 in die Stirnseiten 2Ίά und 22d der Elastomersäule 2Od eingelassen j rnit diesen verbunden und von ITuten 5c, 57 uneben Bind. Diese ITuten stellen Biitlastungsnuten gegen auf-"cretüiide Spannungen oder Belastungen der Bindung zwischen den Elastomer und den Platten 54 _s 55 dar, wenn diese an Stützflächen I6d und 17d befestigt werden. Belastungen oder Spannungen dieser Art können aufgrund von üngieichiuässiglzeitcn der Lastübertragungsflächen ISd und ISd oder aufgrund unvermeidlicher I-Ierstellungstoleransen entstehen. Die Last-Verfor^iungs-Charalcteristik und die Lebensdauer der Ausführungsform gei^äss 2igur 12 sind wieder gleich v/ie diejenigen genäss den vorstehend diskutierten Ausführungsformeu ge^äss den !Figuren 8 bis 11.

Die Peder gemäss !Figur 15 ähnelt derjenigen gemäes ?igur 10. Davon abweichend sind jedoch ICetallplatten 53, 59 in die Stirnseiten 21e und 22e der ülastonersäule 20e eingelassen, v;eiche Bohrungen 4-0, 41 für ilernstifte aufweist. Diese Ilcrnstifte dienen sur Ausbildung von Aushöhlungen 42, 45 in der Slastoir.ersäule. In der Säulenmitve sind die Aushöhlungen 42, 45 durch eine Stegfläche 44 voneinander getrennt. Diese Aushöhlungen können dazu dienen, I/OGitionierungQoinrichtungen wie ü.B. Stifte auf den Stützflächen 16e und 17e aufjunehaen. Ein weiterer Vorteil der Aushöhlungen 41 $ 42 besteht darin, dass die

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Xernstifte als v/ärrieü^ortragungs elemente in das Innere dar Elastomersäuie 2Oe dienen· und dabei den Vulkanisationsvorg-r-ng unterstützen. Dia -.^,höhlungen -Ϋ2 und 43 haben keinen merklichen Einfluss auf die last-7erfor::iungs~Charakteristik, die in wesentlichen denjenigen der Ausführungsformen gemäss den figuren S Ms 12 gleicht.

Die Ausführungsforn genass Figur 14 ist nahezu identisch mit derjenigen gemäss Pigur 13, jedoch ist die zentrale Stegfläche 44 fortgelassen, so dass also die Eiastomersäule 2CJ eine zentrale Bohrung 45 zur Durchführung einer Schraube .aufv/eist, mittels welche^die Peder gesichert und befestigt wird.

Die federn gemäss den Piguren 8 bis 14 besitzen eine äussere konvexe oder im allgemeinen kugelförmige Pläche, die die Stützflächen an ihren 3ndon unter einem spitzen Winkel triffΰ. Demgegenüber besitzt die Ausführungsforn genäss ?igur 15 eine Elastomersäule 20g, die abgeschrägte Endflächen 46, 47 besitzt, welche unter einen spitzen 'Winkel in Richtung auf die.Stirnflächen 21g, 22g verlaufen. Diese Stirnflächen ■ 21g und 22g sind wieder mit den Lastübertragungsflachen 13g bzv/. 19g entsprechender Stützflächen 16g und 17g verbunden. Der Winkel zwischen con abgeschrägten Endflächen 46, 47 und den Lastubertragungsflachen 18g und 19g ist ein spitzer, so dass da3 Elastomer die Möglichkeit einer Auswölbung unter einer auftretenden Druckbelastung und einer daran anschliesüendon Abrollbewegung in Kontakt mit den lastüber-

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tragungsflächen besitzt. Z^aUj resultiert der gleiche Schutz der Verbindung mit den Stützfläche::, den auch die l:'j._o ;-lig aus-

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formen bietet. Die lact-Verfor^ungs-Charakteristik der Peder ger^äss Pigur 1p ist veiigehcnd dia gleiche via diejenige genäss dem voranstehend diskutierten Ausführutigsforrien (Pigur S bis

Die Pigur 16 aoigt mehrere übereil \3X auge ordne το ?eder.;, von denen jede eine Ausbildung besitzt, die derjenig5:i der Ausführunguforni gemäsa Pigur 3 ähnelt. Diese einselnon Pedern sind übereinander angeordnet χϊώΑ biideii eine Druckfederanordnung, die eine grösaere Varformurig erlaubt. Die speziell in Pigur 16 dargestellte Druckfeder anordnung unifasat drei l^lasto-Kurüäulen 20h, die übereinander angeordnet und durch dazwischen liegende, mit ihren 3ndan 21h_; 22h verbundene Stützflächen getrennt sind. Die Punktion und Ausbildung dieser Stützflächen entspricht genau denjenigen der Stützflächen 16 und 17 in Pigur 3.

Die Ausführungsforn genäss Pigur 16 wird sv/Gckaiässigorweise gleichseitig geformt und mit den Stütaflächen verbunden. Das erlabt die Anordnung einer untersten Stützfläche I6h uuü einer oberatun Stutsfläche 17h mit lediglich zwei dazwischen l..jgon™ aiiii Stützflächen odor Platten 43 und 49, die gleichzeitig übübai'lächüu für die einanuei* zagoordneteu lindan der lilastomer-20h dar.rböll...... liärdo uuia die in Pigur 16 gosoigtö

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Anordnung aus drei getrennt voneinander geformten Einheiten herstellen und sie übereinander anordnen, würden die Platten 45 und 4-9 jeweils aus zwei Stützflächen go "bildet, sein, die miteinander befestigt sein kennen. Koaxial zur Mittelachse der Platten und der Slastomorsäulen 20h verläuft eine zentrale Bohrung 50, die zur Aufnahme einer Schraube oder eines Stabes dient. Ein solcher Stab kann eine oder mehrere unterschiedli-

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ehe Funktionen ausüben, wozu beispielsweise eine Vorspannung oder eine Sicherung oder eine ^ücksprungbeschränkung zählen kann. Darüberhinaus kann der zentrale'Stab die Aufgabe einer führung bei einer ITertikalverforaung der Elastomereeder haben.

Die.Federn gemäss den Figuren S bis 16 enthalten normaierwei- ' se Slastomersaulen, die eine regelmässige Querschnittsform, s.3. eine kreisförmige, eine elliptische, eine ovale, eine längliche usw. aufweisen.

Die Federn gemäss den !Figuren δ bis 16 besitzen in Betrieb ähnliche Yerhaltensv;eisen und Charakteristiken und haben· darüberhinaus die bisher höchste Energiespeicherkapazität und die längste Lebensdauer bezogen auf die Gewichtseinheit der federn. Gerade aufgrund der besonderen Gestaltung lässt sich trotz der zu erwartenden abnormal hohen dynamischen Druckspannungen und Druckverformungen eine lange Lebensdauer erzielen. Die Kontur der Elactomersäule senkt die auftretenden Spannungsund Vcrzerrungskonzontrationcri in der iidhu aer Befestigungsstelle an den Las tuber tragungs- und Auf nahmef lachen aus steiüe-

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run Werkstoffen, z.B. Metall, erhsblich herab. Saraus folgt, dass die Elastoinersäule abnormal hohe Druckverserrungen aushält, ohne dabei an anderen Stellen in Elastomer iokalisierte hohe Spahnungskonzen'crationsn au erzeugen. In einem nit einer Ausführungsform gemäsö l^?igur S durchgeführten Versuch wurde diese bei einer Verformung auf etwa die Hälfte ihrer ursprünglichen Höhe einer We cc sei belastung unterzogen, wobei W eich nach nahezu 300 000 Belastungssyklen inner noch kein Anzeichen eines Risses oder Bruches erkennen liess.

2s sind mehrere durch die orfindungsgemäß3 3 Gestaltung bewirkte Faktoren, die zu dieser Verbesserung beitragen. Unter Belastung wölbt sich das Elastomer nach aussen und waist sich über die Lastaufnahaeflachen, mit denen die Saulenenden verbunden sind. Diese Wirkung setat bereits bei leichter Belastung ein. Der spitze Winkel zwischen der Elastoner- ^ säule und den Stützflächen an der Verbindungsstelle erlaubt dieses Auswöiben und Abwälzen über die Verbindungskante hinweg, bevor sich in dieser Kante eine hohe Spannung aufbauen konnte. Bei zunehmender Belastung steigt die Spannung und Verzerrung an der Verbindungskantθ nur wenig. Dies liugt teilweise duran, dass die Elastomersäule sich bereite auf der Lastaufnahmefläche ein Stück abgewälzt hat und dadurch die Verbindungskante VOi: eingeleitete;! Spannungen cchüo^t. "cilwoise liegt dies auch daran, dass durch die Abwälzung die Spannung in der Slastoiiiersäule gleichfcnuig verteilt v/ird. Der Seil der Ulastomercäule, der sich über ^^ine V_c.rbindungckunte hinweg auf die

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Lastaufnahrzefläche abgewälzt l:a"ü und dort aufliegt, übernimmt nun einen grösssreii Anteil der Belastung? d.h. mit anderen Worten dc-r Laotübsrtraguni^rv.orsclr.iit'c i^t nünr.ehr grosser. Diese Änderung vollzieht sich bei zunehmender Belastung. Selbst bei hoher Last ist die ausgewölbte äussere Säulonflä™ ehe der Bereich der Säule, der die höchste Spannung und die höchste Verzerrung erfährt. Auch hier bestehen jedoch keine ernstlichen oder gefährlichen Spannungskonzentrationen, da die ^freie Auswölbung der Säule an keiner Stelle behindert wird.

Lie Pedersteifigkeit der erfindungsgeiaäsüen 2eder niimnt mit zunehmender Belastung zu. Das bedeutet, dass diese Feder eine einer hohen Belastung angepasste Pederwirkung entgegensetzt, ohne dabei au steif bei geringer Belastung zu sein. So wird beispielsweise bei der Ausführungsform geciäss Figv.v 8 unter leichter Belastung die Last in erster Linie durch die in Querschnitt verringerten Enden 21, 22 der Säule übertragen. Damit ist hinsichtlich ihrer Pederoteifigkeit diese !•'oder rrdt der Elastonersäule vergleichbar, die in gestrichelten Linien 51 und 52 angedeutet ist. Lai v/eiter steigender .Belastung wälzan sich die gekrümmten Flächen 53* 54 n^ch auösen ab und gelangen in Ilontakt mit den Lastubertragungsi'läcr.uii 18, 19. Dadurch ernöht sich, der Ia?aftübertragende 'Querschnitt der .Elasto/iiersäuiG zv/ischen den Stützflächen und aoKientsprechena auch die PedürstGifigkeit. In vollbelastetem Zustand, der in Figur 8 mit den gestrichelten Linien 27 angedeutet ist, liegt eine massive, uyliViuri^che Elastomeroäul

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swi3ehen den gestrichelten Linien 5S₅ 59 vor_; die im Durchmesser merklich grosser ds die durch die gestrichelten Linien LiIj 52 gekennzeichnete Slastcmsrsäuls ist. Sie hat selbstverständlich eine dementsprechend grössere lastübartragenda Querschnittsfläche. Die konvexe odir halbkugeifornige äussera Säulenflache 60, 61 im Bereich der Stirnenden hat sien in diesem Stadium auf die augeordneten Lastübartragungsflächen 18, 19 abgevälst» Die Elastomarsäule hat sich somit im Bereich ihres Mittelabschnittes rauf den durch das Besugsseichen 62 gekennzeichneten Durchmesser verdickt. In dem durch diese gestrichelte Linie angedeuteten Zustand ist das Volumen der ülastoiiiörsäule völlig unverändert, v/ährend jedoch deren Gestalt im Sinne einer erheblichen Querschnittsvörgrosserung verändert wurde und deshalb Spannungskonsentrationeu an bestimmten Punkten, die bisher sum vorzeitigen .Ausfall führten, verhindern kann. Im übrigon ist diese progressive Zunahme dor Kontaktfläche weitgehend unabhängig von der Art und ausbildung der Stützflächen 13, 19» Bs lässt sich i:;i ".-rossou. und G-anaen dieselbe Charakteristik erzielen, unabhängig davon, ab diese Stützflächen 18, 19 rauh oder glatt üaer geschmiert iidur trocken sind» Gana offensichtlich bev/irkc dia lilastomer-..:K-iulö eine iCraftübertragungsfunktion in dem Au^eiibliok, in dem >-i."Uä mit dun Stützflächen in Zontakj tritt und sä baat.;;,;: koiuörls-;i Heiguag der Elastomeröäule, längs dor Lar>tLiber tra_v-;.iig;jflächöii üu x-utychon oder gloituiio Da,.- k-.';.i^itü :»ar.iuf ^uriicküuführoti ;.ioin, dass die Kasimaispannun;.; im ('u:::.:i siv^ in döii Haaufläohoii .la der Mitte ^v/i^uhon den 2„,„_,.. lor .öäiv'.j auf-

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tritt. In diesem Bereich präsentiert sich die Spannung als Ring- oder Umfangsspannung, die den inkonpressiblen Gummiwerkstoff in Kontakt mit der. iastübertragungsflachen 18 und 19 zu halten sucht. Unter Umständen kann dieser Effekt auch cuf die breite Verzerrungsverteilung längs der Kontaktflächen zwischen dem Elastomer und den Lastübertragungsflächen zurückzuführen sein. ,

Um bei hoher auftretender Verzerrung eine lange Lebensdauer zu erhalten, müssen die folgenden strukturellen Eigenschaften gegeben sein:

Erstens muss die Elastomersäule ein Längen/Querschnittsverhältnis aufweisen, das ein Außknicken unter Druckbelastung verhindert .(Applied 1-Iechanics, Puller ani Johns ton, Vol. II, copyright 1919, pp. 21, 346-564). Der nachteilige Einfluss des Ausknickens ist schematisch in den Piguren 7 und 17 veranschaulicht. Die Diastomersäule 53 gemäss Pigur 7 ist an ihren Enden mit I-Ietallplatten 54 und 55 verbunden. Da das Verhältnis ihrer Höhe zu ihrer Breite'zu hoch ist, nämlich 4:1 beträgt, besteht eine ausgesprochene Neigung der Säule auszuknicken und die in gestrichelten Linien gezeigte C-Porm einzunehmen. Sobald das Ausknickeri einsetzt;, wird die. aufgebrachte ' Belastung als Biegebelastung übertragen, nicht dagegen als Druckbelastung. Da bezüglich einer Biegcbolastung elastomerer Werkstoff sehr v/eich und nachgiebig im Vergleich üu der Übertragung von Druckbcloäungen -ist, folgt uie Last-Verformungs-

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kurve der nahezu horizontal verlaufenden gestrichelten Linie 56 (Figur 17) bis die Seiten der C-Form miteinander in Zontakt kommen und die aufgebrachte Druckkraft unter Entstehung direkter Druckspannungen zwischen den Platten 54 und 55 übertragen. In diesem Zeitpunkt steht jedoch die Feder praktisch zu Block. Erst hier steigt die Last-Verformungs-Kurve längs des gestrichelt gezeichneten Zweiges 57 in Figur 17 an. Die geringe Tragfähigkeit dieser Feder im Ausknickbereich ist selbstverständlich höchst unerwünscht»

Aus dem Vorstehenden und aus der angegebenen Literaturstelle ergibt sich, dass die Länge oder Höhe eines Elastomerzylinders von gleichförmigem Querschnitt nicht grosser als das Zweifache des Durchmessers betragen soll. Dann wird das die Tragfähigkeit verringernde Ausknicken verhindert oder beschränkt. Die kritischen Abmessungen, bei denen ein Ausknicken noch stattfindet, sind in der einschlägigen Technik bekannt und ,sind empirisch ermittelt worden.

Zweitens soll die Querschnittsfläche der Elastomersäule, die cur Übertragung geringer Belastungen dient, erheblich kleiner sein als die maximale Querschnittsfläche zwischen den Säulenenden. Sie soll z.B, ein Zehntel bis die Hälfte dieser Cuerschnittsfläche betragen. In der Ausführungsform ge-mäss Zigur 3 beträgt diese Fläche für leichte Belastungen etwa ein Viertel der maximalen Querschnitts!'lache 'zwischen den Säulenenden.

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Als drittes sollen die Enden der Elastomersaule von ihrer Verbindungsstelle mit den Lastübertragungsfläehen unter einem spitzen Winkel au diesen divergieren. Dadurch wird die Voraussetzung geschaffen, dass unter einer Belastung die 31astomersaule mit diesen Flächen in Kontakt tritt und sich darauf abwälzt oder abrollt. Im Durchschnitt ist ein Winkel von 15 bis 45° brauchbar. Im.Falle von konvexen oder gekrümmten Säulenflächen, wie z.B. bei der Ausführungsform gemäss Figur 6,sollte der Winkel auf halbem Wege zwischen den Enden .des Krümmungsbogens gemessen,werden.

.JLs viertes sollte das zwischen der Projektion der Elastomersäule auf die Lastübertragungsflächen und den zugeordneten Stirnseiten der Elastomersäule im unbelasteten Zustand vorhandene Volumen geringer sein als das verschobene Volumen an elastomerem Werkstoff, wenn die Feder unter voller Beladung zusammengespresst ist. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass durch Herstellung eines lastubertragenden Kontaktes mit den linden derElastomersäule Spannungskonzentrationen in der iiähe der Lastübertragungsflächen veirieden werden.

Elastomere Werkstoffe sind praktisch inkompressibel, so dass die Elastomeraäule unter Belastung unabhängig von ihrer Gestalt ihr Volumen konstant hält. Bei den bekannten Druckfederanordnungen, in denen die Elastomorsäule eine praktisch zylindrische Formgebung besitzt, verursachen dynamische Verzerrungen von mehr als 15 bis 20 <?» Spannungskonzentrationspunkte, an

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άύϊΐοϊΐ das Elastomer reiser und seine Tragfähigkeit verliert. Jwiü Spannungslzonaentratioiispunlcte befinden sich an oder ;iahe dull JLuosenkanten der Varaiudun^astollü zwischen dem Sl&.o'comer und den stirnseitigen Stützflächen. In der erfindungsgerlissen Anordnung werden SpannungslcGn^entrationen in der liahe der Verbindungsstelle zwischen dem 21a.stomer 20 und den Lastübor'cragungsf lachen deshalb vermieden, v/eil die Jlusserifläche dor.' Ulastomersäule ausgehend von den stirnseitigen S tut af lach en unter einem spitzen Winkel divergiert. Durch diese Gestaltung der Säulenenden rollt das ZLastouer sich gegen die stirnjeiti-

Stützflächen um seine liiidabschnitte ab, bevor die Eolastung in Werkstoff Werte annimmt, die zu unculässigen lokalisierten Verzerrungen führen können. Auf diese Weise wird die Verbindungsstelle der stirnseitigen Platten mit den Säulenenden vor unzulässigen Spannungen bewahrt. Aufgrund dieser besonderen Gestaltung wird die zulässige Verzerrung für den Dauerbetrieb von einem bisher für möglich gehaltenen Maximum von 20 >o auf ein Maximum von 35 ^cß> oder darüber angehoben» Das bedeutet, dass die erfindungsgemässe Druckfederanordnung ei«im Dauerbetrieb bei einer Belastung standhält, die die Slastomersäule um 55/j oder mehr ihrer ursprünglichen Höhe verformt. Dssr/^agenüjer war dies bei den bekannten Druckfederanordnungen "um:.? bis au oiiier Verformung von 20 <?» der ursprünglichen Säulenhöhö möglich. Daraus resultiert ein erheblicher Anstieg des öicherhuifcsfaktors für eine lange Betriebsdauer und unter Bolusuungen, die die Elastomersäule im Bereich von ;5/j oder darüber verformen. Vor allem von Bedeutung ist dieser Sicherheittaktor für

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Überlastungen aufgrund plötzlich auftretender Stösse, die eine noch grössere Verformung hervorrufen.

Die Gestaltung der Elastonersäule ist nicht kritisch, solange gewährleistet ist, dass das Elastomer sich in direkter Druck-Verbindung zwischen den Lastübertragungsflächen befindet und die Abmessungen so gewählt sind,dass ein Ausknicken verhindert wird. Es sinl in der Praxis bereits kugelförmig und wulstförmig ausgebildete Säulen mit kreisförmigem, ovalem und elliptischem Querschnitt zur Anwendung gekommen.

Je kleiner derWinkel zwischen den Säulenenden und der anschliessenden Lastübertragungsfläche ist, eine desto geringere* Biegung der Elastomersäule tritt in diesem Bereich bei einer Druckbelastung auf. Weiterhin ist die Zug- und Schubspannung an der Aussenkante der Verbindungsstelle umso niedriger, je kleiner das Verhältnis der Querschnittsflächen an den Säulenenden zu der maximalen Querschnittsfläche der Säule ist. Daraus folgt, dass bei einem kleinen Winkel und einem grossen Querschnittsflächenverhältnis keine grossen Spannungen oder Verzerrungen sich an der Verbindungsstelle oder· im Bereich der Kontaktjläche aufbauen, bevor die Verbindungskante von dem sich auswölbenden und mit zunehmender Belastung abwälzenden Elastomer bedeckt ist. Eine weitere Zunahme der Belastung verursacht nur ein geringfügiges Ansteigen der Spannung oder der Verzerrung an der Verbindungsstelle oder den Begrensungsrand der Kontaktfläche, was in erster Linie darauf zurückzuführen ist,

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ORiQiUAL

dass das Elastomer, welches sich über die Yerbindungskante hinweg abgewälzt hat, als eine Spannungsbehinderung wirkt. Das Elastomervolumen, das sich auf den Lastübertragungsflachen abgewälzt hat und nun dort aufliegt, trägt ebenso einca Seil der Drucklast und bewirkt somit eine Vergrösserung der Druckübertragungsfläche. Zl.es vollaieht sich, sobald die Last erhöht wird. Selbst bei hohen Belastungen liegt der Bereich mit der höchsten Spannungs- und Verzerrungsbeanspruchung in der ausgewölbten äusseren Säulenfläche. Selbst hier jedoch sind auftretende Spannungskonsentrationen nicht von ernster Bedeutung, da hier keine das Auswölben behindernden Stellen vorliegen.

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Claims

Patentansprüche

Druckfederanordnung, bestehend aus einer Säule aus elastomerem Kunststoff, die an ihren Enden fest angeordnete, radial überstehende Stützflächen aufweist, dadurch gekennzeichnet» dass die Säule (20, 20a b,is 20h) einen sich au den Enden hin verringernden Querschnitt sowie ein Längen/ Querschnittsverhältnis aufweist, das ein Ausknicken unter Druckbelastung verhindert, und dass die zur Säulenlängsachse parallelen Tangenten an die Säulenfläche im Bereich des Übergangs zu den Stützflächen (16, 17» 16a bis 16h, 17a bis 17h) einen sich radial nach aussen öffnenden spitzen Winkel mit den Stützflächen einschliessen.
2. Druckfederanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenflache der Elastomersäule (20, 20a bis 20h) mindestens an einem Säulenende konvex ist.
3. Druckfederanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenflache der Elastomersäule (20) mindestons an einem Ende halbkugelig geformt ist und tangential zu der zugeordneten Stützfläche (16, 17) verläuft.
4. Druckfederanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenflache (46, 47) dor Elastomer3äule (20g)

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mindestens an einem Ende abgeschrägt ist.
5. Druckfederanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4> dadurch gekennzeichnet, dass die Elastonersäule (2Oe, 2Of) mindestens von einem Ende ausgehend
eine zentrale Axialbohrung (40, 4-1, 45) besitzt.
6. Druckfederanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens

an einem Ende der Säule der Säulenquerschnitt nicht
grosser als annähernd die Hälfte des zwischen den Säulenenden liegenden Maximalquerschnitts ist.
7. Druckfederanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der
Elastomersäule nicht merklich grosser als ihr maximaler
Durchmesser ist.
8. Druckfederanordnung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomersäule eine sich zwischen den Säulenenden erstreckende äussere Nut aufweist.
9. Druckfederanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Nut zwischen den Enden der Säule zunimmt.

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10. Druckfederanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Stützflächen einen sich mit der Verbindungsstelle zur Säule in gleicher Richtung erstreckenden Metallteil sowie einen v/eiteren,sich über die Yerbindungs-' stelle radial hinaus erstreckenden Teil aufweist.

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