DE2225121C3

DE2225121C3 - Geschichteter elastischer Lagerkörper

Info

Publication number: DE2225121C3
Application number: DE2225121A
Authority: DE
Inventors: Warren E. Erie Pa. Schmidt (V.St.A.)
Original assignee: Lord Corp
Current assignee: Lord Corp
Priority date: 1971-05-27
Filing date: 1972-05-24
Publication date: 1975-09-18
Also published as: FR2139176A1; US3679197A; IT958069B; JPS5531329B1; DE2225121B2; GB1400272A; FR2139176B1; DE2225121A1; CA949112A

Description

Die Erfindung betrifft einen geschichteten elastischen Lagerkörper zur Aufnahme von Druckbelastungen bei gleichzeitiger Nachgiebigkeit gegen Torsionsbelastungen, bestehend aus abwechselnden Schichten aus elastomerem und relativ undehnbarem Material, die an ihren Grenzflächen miteinander verbunden und mit kozentrischer Krümmung bezüglich eines gemeinsamen Krümmungsmittelpunktes angeordnet sind.

Bei derartigen Lagerkörpero besteht die Funktion der relativ undehnbaren Zwischenschichten darin, das elastomere Material daran zu hindern, quer zu den Druckkräften auszuweichen. Dadurch wird die Fähigkeit derartiger Lagerkörper, Doickkräfte aufzunehmen, um ein Vielfaches gesteigert, ohne daß die Torsionselastizität beeinträchtigt wird. Es wurde jedoch gefunden, daß bei derartigen Lagerkörpern mit zu einem Zentrum konzentrischem Aufbau (wobei allgemein zylindrische, sphärische, konische und ähnliche Anordnungen möglich sind), die jeweils inneren Schichten aus elastomerem Material größeren Druck- und Scherbeanspruchungen unterworfen sind als die äußeren Schichten und deshalb vorzeitig ermüden. Es ist bekannt (US-PS 2 995 907 und 3 377 110), bei derartigen Lagerkörpem zum Zwecke der gleichmäßigeren Verteilung der Scherbeanspruchungen den Schichten unterschiedliche Flächenabmessungen, insbesondere unterschiedliche Länge zu geben. Dies kann jedoch zu unhandlichen Formen der Lagerkörper führen und wirkt sich nachteilig auf die Verteilung der Druckbelastungen und die Druckbelastbarkeit des Lagers insgesamt aus.

•V:^f abe der Erfindung ist es, eine ungleichmäßige Belastung und Ermüdung in den einzelnen Schichten des Lagerkörpers sowohl hinsichtlich der Druck- als auch der Scherbelastungen möglichst zu beseitigen und dadurch die Dauerfestigkeit des Lagerkörpers zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die gemeinsame Anwendung der an sich bekannten Merkmale, daß die Schichten aus elastomerem Material mit zunehmendem Abstand vom Krümmungsmittelpunkt zunehmende Dicke und mit zunehmen- dem Abstand vom Krümmungsmittelpunkt abnehmenden Elastizitätsmodul haben.

Es wurde gefunden, daß dadurch die Standfestig-

keit eines derartigen Lagers bei gleicher Druckauf- ^ahmefähigkeit um ein Vielfaches gesteuert werden konnte. Audi kann die Menge des elastomeren Materials in dem Lagerkörper zwischen der Innen-und Außenschale ohne Einbuße an Druckaufnahmefähigkeit vemehrt und die Zahl der relativ undehobaren Zwischenschichten verringert werden.

Es ist zwar bei Lagerköjpern, die aus konzentrisch eekrümmten, abwechselnd elastomeren und metallischen Schichten aufgebaut sind, bekannt, mit zunehmendem Radius entweder die Dicke der elastomeren sSSnzunehmen (DT-PS 680 988) oder ihren Elastizitätsmodul abnehmen zu lassen (US-PS 2051 864), beides mit dem Ziel, die torsionselasüschen Eigenschaften zu verbessern. Dabei handelt es sich aber um Konstruktionen, bei denen die elastomeren Schichten keine Druckkräfte aufzunehmen brauchen, da entweder die Außen- und Innenschale des Lagers oder die metallischen Zwischenschichten außerhalb der elastomeren Schichten gegeneinander abgestützt sind Eine Vereinigung dieser beiden Maßnahmen, wie sie zur Lösung der Aufgabe erfindungsgemäß vorgesehen ist, wäre deshalb bei diesen bekannten Konstruktionen nicht sinnvoll.

Die E1 findung wird näher an Hand der Zeichnungenerläutert. . . .

Fig. 1 zeigt in schematischer Seitenansicht einen geschichteten Lagerkörper nach dem Stand der Technik; . .

F i g. 2 zeigt in schematischer Seitenansicht eine Ausführungsform eines geschichteten Lagerkörpers gemäß der Erfindung;

F i g. 3 zeigt in graphischer Darstellung den Zusammenhang zwischen dem Formfaktor und der zulässigen Druckbelastung;

F i g. 4 zeigt schematisch die Verteilung der Scherungsverformung in den Schichten des Lagerkörpers.

F i g. 1 zeigt ein herkömmliches bekanntes geschichtetes Lager 10, bestehend aus einem inneren Teil It mit einer nach außen konvexen Oberfläche und einem äußeren Teil 12 mit einer nach innen konkaven Oberfläche, welches radial im Abstand vom inneren Teil 11 angeordnet ist. Zwischen den Teilen 11 und 12 und mit diesen verbunden befinden sich miteinander verbundene Schichten 13 und 14, abwechselnd aus einem elastomeren Material und einem relativ undehnbaren Material z. B. Metall. Die konvexen und konkaven Oberflächen und jede der Schichten 13 und 14 sind konzentrisch zu einem gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt angeordnet. Das Lager 10 ibt in der Form eines Zylindersektors ausgebildet, wobei jede der Schichten 13 aus elastischem Material allgemein gleiche Länge aufweist. Die Schichten 13 aus elastomerem Material sind von gleicher Dicke und das Material dieser Schichten weist den gleichen Elastizitätsmodul auf. Es ist offensichtlich, daß die mittlere Umfangsfläche jeder Schicht 13 mit steigendem Radius ansteigt. Der Formfaktor, d. h. das Verhältnis zwischen effektiver Laststragefläche bei zentral wirkender Drucklast C und wölbungsfreier Fläche, nimmt somit progressiv mit den Radien zu. Dementsprechend sind bei gegebener Drucklast C Druckdeformation und -beanspruchung der innersten Schicht 13 wesentlich größer. Für ein Drehmoment Γ sind Scherdeformation und -beanspruchung ebenfalls an der innersten Schicht 13 am größten. Daraus ergibt sich, daß vorzugsweise an der innersten Schicht 13 eine Ermüdung auftritt.

Fig. 2 zeigt ein Lager20 gemäß der Erfindung in Form eines Zylindersektors. Zwischen einem inneren, nach außen konvexen Teil 21 und einem äußeren, oaeh innen konkaven Teil 22 befinden sich miteinander verbundene Schichten 23 und IA aus abwechselnd elastomerem Material und »elativ undehnbarem Material, z. B. MetalL Die inneren und äußeren Teile 21 und 22 sind mit den Teilen 11 und 12 des Lagers 10 identisch. Wie bei dem Lager 10 sind die konvexen und konkaven Oberflächen und jede der Schichten 23 und 24 konzentrisch zu einem gemeinsamen Zentrum angeordnet Jede Schicht 23 aus elastischem Material ist jedoch nicht in gleicher Dicke und mit gleichem Elastizitätsmodul ausgebildet. Vielmehr nimmt von dem gemeinsamen Zentrum her die Dicke der Schichten 23 progressiv zu, und der Elastizitätsmodul progressiv ab. Es hat sich gezeigt, daß diese gleichzeitige Abstufung der Dicke und Elastizitätsmoduls in den elastomeren Schichten 23 die Dauerfestigkeit eines einer zyklischen Torsionsbewegung unterworfenen Lagers erheblich vergrößert.

Zum Verständnis der erfindungsgemäß erreichten Vorteile sei zunächst die Wirkung einer Drucklast C auf ein Lager betrachtet. Alle Schichten aus elastomerem Material müssen diese Drucklast C in Serie tragen. Für das in F i g. 1 gezeigte bekannte Lager 10 mit gleichmäßiger Dicke der Schichten 13 nimmt die effektive Lasttragefläche jeder Schicht mit größer werdenden Radien zu. Dementsprechend nehmen die Druckspannungen in den Schichten 13 mit größer werdenden Radien ab. In F i g. 3 ist die typische Abhängigkeit zwischen der zulässigen Druckspannung und dem Formfaktor bei vorgegebener Druckbelastung und vorgegebenem Elastizitätsmodul des elasto-.neren Materials gezeigt. Es wird vorausgesetzt, daß in dem Lager 10 der Formfaktor für die innerste Schicht S₁ mit einer Druckspannung C, und der Formfaktor für die äußerste Schicht S₂ ist. Da die Druckspannung C₂ in der äußersten Schicht kleiner als C₁ ist, kann der Formfaktor an der äußersten Schicht auf einen Wert S, reduziert werden, der wesentlich kleiner als der bei dem Lager 10 vorhandene Wert ist. Dies erreicht man durch Abstufen der Dicke der elastomeren Schichten proportional mit den Radien. Bei gleicher Größe des Lagers 20 wie das Lager 10 erkennt man, daß durch die Abstufung der Dicke der elastomeren Schichten 23 zusätzliches elastomeres Material und weniger relativ undehnbares Material verwendet werden kann. Obwohl diese Lösung auch etwas den Druckverformungswiderstand des Lagers 20 vermindert, wird dies durch die erzielten Vorteile mehr als kompensiert. Durch den Einschluß von zusätzlichem elastischem Material in Radialrichtung des Lagers innerhalb des verfügbaren Raumes wird die Drehsteifigkeit des Lagers herabgesetzt, wodurch weniger Torsionsarbeit für die elastomeren Schichten bei vorgegebener Torsionsbewegung erforderlich wird. Dadurch werden die Scherdeformationen und -spannungen der innersten elastomeren Schicht reduziert.

Das Verhalten unter Scher- und Torsionsbelastung soll nun näher betrachtet werden. Für eine elastomere Schicht mit der Dicke t, der Fläche A und dem Scherungsmodul G ist der Widerstand oder die Federkonstante K₅ gegen Scherungsdeformation K₅ = GAIt. Befindet sich diese Schicht im mittleren radialen Abstand R von einem Torsionsmittelpunkt, so ist ihr Widerstand gegen Torsion oder ihre Torsionsfederkonstante K_R = K₈R².

Hieraus erkennt man, daö bei einem geschichteten Lager mit zu einem Krümmungsmittelpunkt konzentrischen Schichten — bei Gleichheit der sonstigen Bedingungen — der Beitrag der äußeren elastomeren Schichten zu der Torsionssteifigkeit erheblich größer ist als der der inneren elastomeren Schichten. Da die inneren elastomeren Schichten bezüglich der Drehung viel weicher als die äußeren sind, tritt der Hauptteil der Torsionsverformung und -beanspruchung an den inneren Schichten, insbesoi-Jere der innersten Schicht, auf.

Die Torsionsverfonnung in den Schichten aus elastomerem Material in einem geschichteten Lager 30 bei verschiedenen Radialabständen von der gemeinsamen Mitte ist in F i g. 4 gezeigt, in der das Bezugszeichen 31 eine innere Schicht mit Dicke T₁ und mittlerem Radius R₁ und das Bezugszeichen 32 eine äußere Schicht mit Dicke Z_n und mittlerem Radius R_n bezeichnet. Beide Schichten sind einem Drehmoment T unierworfen. Durch dieses Drehmoment T wird die innere Schicht 31 um einen Winkel O₁ = T/K_R j bzw. um eine Strecke d_x = Θ, · R₁ ausgelenkt und entsprechend die äußere Schicht 32 um einen Winkel Q_n = TIK_Rn bzw. eine Strecke d„ == S_nR_n. Berechnet man die spezifischen Scherungsdeformationen e_x — d_x't_x und e„ = U_nIt_n für die beiden Schichten und setzt sie ins Verhältnis, dann erhält man unter Verwendung der angegebenen Beziehungen für 0, K_R und K_s:

ej A₂Gj R₂

Bei vorgegebener Konstruktion bedeutet diese Gleichung, daß die Deformation eine direkte Funktion der Fläche, des Moduls und des Radius ist. Bezüglich der Ermüdung ist eine Bedingung erwünscht, in der die spezifische Deformation e_n in der äußeren Schicht 32 gleich oder annähernd gleich der Deformation e_x in der inneren Schicht 31 ist.

Bei einem zylindrischen Lager verhalten sich die Flächen wie die Radien, somit ist

e, ^_nG_nK_n G_nR/

Hieraus ist ersichtlich, daß die Deformation in den Schichten 31 und 32 gleich ist, wenn der Elastizitätsmodul sich umgekehrt wie das Quadrat des mittleren Radius der jeweiligen elastischen Schichten ändert, oder

G₁ -.G_n = RJiR₁*.

Bei einem sphärischen schichtigen Lager verhalten sich die Flächen wie die zweite Potenz der Radien, somit ist

Ά O_nR_n

G_nR₁?

Die Deformationen in den Schichten 31 und 32 sind gleich, wenn sich der Elastizitätsmodul umgekehrt wie die dritte Potenz des mittleren Radius der jeweiligen elastischen Schichten verhält, d. h.

G₁: G_n = RJ .R₁K
Für das zylindrische schichtige Lager ist die Defor-

matiört in jeder elastischen Schicht entlang der Länge gleichförmig. Für das sphärische schichtige Lager ändert sich die Deformation entlang der Länge jeder Schicht. Dies legt den Schluß nahe, daß für sphärische Formen die Feder weniger als eine Halbkugel 5 einnehmen sollte, falls dies die sonstigen konstruktiven Anforderungen erlauben.

Bei praktischen Konstruktionen kann die Änderung der Deformation Korrekturfaktoren unterworfen sein, und iwar infolge von Abweichungen in der Geometrie der Federn von den einfachen zylindrischen und sphärischen Formen. Diese Korrekturfaktoren können in vielen Fällen empirisch aus Versuchsergebnissen abgeleitet werden. Es kann jedoch allgemein gesagt werden, daß bei schichtigen Lagern gemäß der Erfindung die Dauerfestigkeit verbessert wird, wenn der Modul jeder Schicht sich umgekehrt wie eine Potenz ihres Radius ändert, wie durch die folgende Gleichung wiedergegeben wird:

G₁ =

in der M kleiner oder gleich 1 ist. Noch allgemeiner ausgedrückt kann gesagt werden, daß eine Verbesserung der Dauerf esti gkeit erhalten wird, wenn eine progressive Abnahme des Elastizitätsmoduls des elastomeren Materials mit zunehmendem Radius stattfindet. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wurde ein schichtiges, zylindrisch gekrümmtes Lager hergestellt und einer Druckbelastung von 31751,5 kg und einer zyklischen Torsionsbewegung von 7° unterworfen. Die Länge des Lagers betrug 15,24 cm. Der innere und äußere Radius betrug 4,11 und 6,88 cm. Bei einer bekannten Konstruktion mit gleicher Dicke und gleichem Elastizitätsmodul der elastomeren Schichten wurde eine errechnete Dauerfestigkeit von 530 Süinden erhalten. Wurden dagegen die Schichtdicke und der Elastizitätsmodul gleichzeitig erfindungsgernäß abgestuft, wobei die innerste elastomere Schicht die gleiche Dicke und den gleichen Elastizitätsmodul wie die innerste Schicht des bekannten Lagers aufwies, wurde eine berechnete Dauerfestigkeit von annähernd 6 200 Stunden erhalten

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

22

Geschichteter elastischer Lagerkörper zur AufKahme von Druckbelastungen bei gleichzeitiger Nachgiebigkeit gegen Torsionsbelastungen, bestellend aus abwechselnden Schichten aus elastomerem und relativ undehnbarem Material, die an ihren Grenzflächen miteinander verbunden und mit konzentrischer Krümmung bezüglich eines gemeinsamen KrQmmungsmittelpunktes angeordnet sind, gekennzeichnet durch die gemeinsame Anwendung der an sich bekannten Merkmale, daß die Schichten (13, 23) aus elastomerem Material mit zunehmendem Abstand vom Krümmungsmittelpunkt zunehmende Dicke und mit zunehmendem Abstand vom Krümmungsmittelpunkt abnehmenden Elastizitätsmodul haben.