DE2717686A1 - Daempfungsfeder mit einem komprimierbaren elastomeren und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Daempfungsfeder mit einem komprimierbaren elastomeren und verfahren zu ihrer herstellung

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Description

ivrr-rvo. H A N 5 Z A P Γ Ε
PATENTANWALT
D-60S OFFENBACH (MAIN) KAISERSTRASSE 9 BUNDESREPUBUK DEUTSCHLAND
TELEFON (0611) 88 2721
19. April 1977 Zap/Han
Akte: 111/32
Societe Anonyme Societe (!'Exploitation des Ressorts Auto-Amortisseurs Jarret
15, rue Godot-de-Mauroy
Paris (9eme) / Frankreich
" Dämpfungsfeder mit einem komprimierbaren Elastomeren und Verfahren zu ihrer Herstellung "
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Dämpfungsfeder mit einem komprimierbaren Elastomeren» bestehend aus einer dichten Hülle in Form eines flachen, gebogenen und elastisch verformbaren Rohres, das mit dem Elastomeren ausgefüllt ist.
Bekannt ist die Herstellung eines Federelements aus einer dichten Hülle mit veränderbarem Volumen, in der unter Anwendung äußerer Kräfte eine elastomere Masse wie beispielsweise Kautschuk oder Gummi eingeschlossen worden ist. Bei einer Verformung der Hülle unter dem Einfluß entsprechender Kräfte speichert die Feder Energie durch hydrostatische Kompression des in der Hülle eingeschlossenen Elastomeren. Die Verformung der Hülle kann entweder durch Verschiebung einer beweglichen Wand in einem Zylinder oder aufgrund der elastischen Eigenschaften der Hülle erfolgen. Die Wiedergewinnung der gespeicherten Energie geschieht aufgrund der Eigenschaft des Elastomeren, sein ursprüngliches Volumen wieder einzunehmen, d.h. durch Zurückschieben der beweglichen Wand bzw. durch die Aufhebung der elastischen Verformung der Umhüllung.
Bei Verwendung elastisch verformbarer HUllen kann auf den Einsatz von Gleitverbindungen verzichtet werden. Eine solche Hülle wird bevorzugt aus einem Rohr mit abgeplattetem oder elliptischem Querschnitt gebildet, welches in Form eines C oder S nach Art einer Burdon-Feder gebogen ist.
Es ist gleichfalls bekannt, der zuletzt genannten Art von Federn Dämpfungseigenschaften zu verleihen. Zu diesem Zweck genügt es, die Hülle in der Weise zu gestalten, daß
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die elastischen Verformungen durch eine inhomogene Kompression der Elastomeren zu Verschiebungen innerhalb des Elastomeren führen, durch die ein Teil der von der Feder aufgenommenen Energie in Wärme umgesetzt wird.
Derartige Dämpfungsfedern weisen den Nachteil auf, daß sie in erheblichem Maße von Veränderungen der Umgebungstemperatur abhängig sind. So ist der thermische Ausdehnungskoeffizient der Hülle im allgemeinen sehr viel kleiner als derjenige des komprimierten Elastomeren.
Diese Differenz führt aufgrund von Veränderungen der
Umgebungstemperatur um einige zig Grad Celsius zu relativen Verformungen der Hülle und des.eingeschlossenen Elastomeren, die in der gleichen Größenordnung sind; wie Verformungen aufgrund äußerer mechanischer Kräfte beim normalen Betrieb derartiger Federn. Die Betriebskennlinien derartiger Federn werden infolgedessen durch eine Veränderung der Umgebungstemperatur stark beeinflußt.
Ein weiterer Nachteil derartiger Dämpfungsfedern beruht auf der Tatsache, daß die Dämpfungswirkung zu gering ist. Dies beruht auf der Tatsache, daß die Verschiebungen des Elastomeren in der Hülle nur klein sind, wenn man die geringen Veränderungen des Innenquerschnitts der Hülle bei deren elastischer Verformung berücksichtigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu beseitigen und eine Dämpfungsfeder vorzuschlagen, bei der durch einfache Mittel die Feder- und Dämpfungseigenschaften unabhängig von der Betrids- und Umgebungstemperatur konstant sind, bei der die Dämpfungswirkung vergrößert ist, und die eine stark vereinfachte Herstellung gestattet.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen Dämpfungsfeder erfindungsgemäß dadurch, daß die Hülle mit einem zentralen Kern versehen ist, der in das Elastomere eingebettet ist, und daß das Elastomere aus einer elastischen Masse mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht, der kleiner als derjenige der Hülle ist.
Die Vorteile des Erfindungsgegenstandes liegen in einer besonderen Stabilität der Federeigenschaften bei allen vorkommenden Umgebungstemperaturen, in einer hohen Dämpfungswirkung einer solchen Feder und schließlich in der Einfachheit ihrer Herstellung, die serienmäßig mit geringen Gestehungskosten möglidi ist. Der Erfindungsgegenstand ist mit besonderem Vorteil einsetzbar auf den Ge-' bieten der Aufhängung, insbesondere auf dem Gebiet der Schwingungsdämpfer von Maschinen, der Siebe, der Fahrzeuge, darunter insbesondere der Eisenbahnfahrzeuge.
Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient aus dem Innenquerschnitt der Hülle und dem Querschnitt des Kerns im wesentlichen gleich dem Quotienten aus der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Elastomeren und des Kerns und aus der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Elastomeren und der Hülle ist.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die Dicke des Elastomeren zwischen dem Kern und der Hülle im wesentlichen konstant ist und wenn die Querschnitte von Hülle und Kern elliptisch sind. Schließlich kann mit besonderem Vorteil die Hülle aus einem verstärkten Kunststoff und der Kern aus Stahl bestehen.
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Darüberhinaus ermöglicht die erfindungsgeroäße Dämpfungsfeder aber auch ein außerordentlich einfaches Herstellverfahren, welches gemäß der weiteren Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß der metallische Kern in gestreckter Form mit einer elastomeren Schicht versehen wird, auf die nachfolgend eine Vielzahl von Faserschichten aufgetragen wird, welche die Verstärkung der Hülle bilden, daß anschließend das hierdurch gebildete Verbundelement gebogen und daß schließlich die Verstärkung mit einem wärmeaushärtbaren Harz imprägniert wird. Dabei kann in besonders vorteilhafter Weise die elastomere Schicht in Form eines weichen Schlauches unter Vorspannung auf den metallischen Kern aufgeschoben und jede Schicht der Verstärkung in Form eines Gewebeschlauches auf den elastomerbeschichteten Kern bzw. auf die darunterliegende Gewebeschicht aufgeschoben werden.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes sei nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt durch eine S-förmige
Feder und
Figur 2 einen Schnitt durch den Gegenstand nach Figur 1 entlang der Linie II - II.
Die in den Figuren dargestellte S-förmige Feder wird von einer Hülle 1 gebildet, deren Hohlraum von einem Kern 2 und einem Elastomeren 3 ausgefüllt ist. Der Innenquerschnitt der Hülle 1 ist ebenso wie der Querschnitt des Kerns 2 im wesentlichen elliptisch, wie aus Figur 2 hervorgeht. Der Zwischenraum zwischen der Hülle 1 und dem Kern 2 ist durch
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das Elastomere 3 ausgefüllt, welches eine im wesentlichen konstante Dicke aufweist.
Der Kern 2 besteht aus einem Werkstoff wie beispielsweise Stahl, der im Stande ist, ohne Ermüdungserscheinungen die üblichen Betriebsbelastungen auszuhalten. Es ist zu erkennen, daß die große Achse des Querschnitts vorzugsweise etwa 10 mal größer als die kleine Achse ist. Es ist gleichfalls zu erkennen, daß die Wandstärke "E" der Hülle 1 vorteilhaft etwa 5-10 mal größer ist als die Dicke "e" des Elastomeren 3. Der Werkstoff für die Herstellung der HUlIe 1 wird gleichfalls unter dem Gesichtspunkt ausgewählt, daß er die üblichen Betriebsverformungen der Feder ohne Ermüdungserscheinungen aushält, wobei die Erfahrung gezeigt hat, daß ein verstärkter, geschichteter Kunststoff den geforderten Bedingungen sehr gut entspricht.
Den Figuren sind weiterhin Einsatzbüchsen 4 zu entnehmen, die auf geeignete Weise mit dem Enden der Feder verbunden sind und insbesondere den Kern 2 durchdringen. Es versteht sich, daß die dargestellte Form eines "S" auch durch eine solche mit nur einer Biegung ersetzt werden kann, so daß die Feder die Form eines "C" erhält.
Das bevorzugte Herstellverfahren soll nachstehend näher beschrieben werden: Auf die gesamte Oberfläche eines gestreckten Stahlprofiles mit elliptischem Querschnitt wird eine relativ dünne Lage aus dem Elastomeren 3 aufgetragen, die beispielsweise als Schlauch ausgebildet sein kann. Der Schlauch wird unter Vorspannung auf das Profil aufgeschoben, so daß er an diesem fest anliegt. Nachfolgend werden um das derart überzogene Profil mehrere Schichten aus Glasfasern oder Grafitfäden aufgebracht, welche die Ver-
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Stärkung des Kunststoffs der Hülle 1 bilden sollen. Zu diesem Zweck können die verschiedenen Faserschichten in vorteilhafter Weise aus weichen, übereinandergeschobenen Gewebeschläuchen gebildet werden, in welche das mit dem Elastomeren überzogene Profil eingeschoben wird. Die Gesamtheit der Faserschichten hat eine Dicke die 5 bis 10 mal größer ist als die Dicke des Elastomeren.
Der auf diese Weise gebildete Verbundkörper wird nunmehr beispielsweise in Form eines "S" gemäß den Figuren gebogen und nachfolgend unter Vakuum mit einem wärmeaushärtbaren Harz imprägniert, welches beispielsweise durch Erhitzen in einem Ofen ausgehärtet wird. Es genügt dann, die auf die angegebene Weise gebogene Feder mit den Einsatzbüchsen 4 auszustatten, welche die Verbindung der Dämpfungsfeder mit den mechanischen Gegenständen ermöglicht, die elastisch aufgehängt werden sollen.
Das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel dient zur Aufhängung einer Last von 300 kg, die eine Annäherung der beiden Einsatzbüchsen 4 aneinander von etwa 10 cm bewirkt. Die abgewickelte Länge einer solchen Feder beträgt 50 cm. Der aus Stahl bestehende Kern 2 hat einen el 1iptischen Querschnitt, dessen kleine Achse 4 mm und dessen große Achse 40 mm lang ist. Der Kern ist mit einer Schicht aus einem Elastomeren, insbesondere aus Neopren, mit einer Dicke von 1 mm umhüllt, die in unverformtem Zustand einen Schlauch mit einem Innendurchmesser von 25 mm bildet. Die Dicke der Hülle 1 -beträgt 7 mm. Der Radius "R" der Biegung der Feder in unbelastetem Zustand beträgt 3 cm. Der Abstand "L" zwischen den beiden Krümmungsmittelpunkten beträgt 10 cm.
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Der thermische Ausdehnungstoeffizient des verstärkten Kunststoffs, der die Hülle 1 bildet, liegt bei 50 χ 10"6/°C, derjenige des Elastomeren 3 bei 120 χ ΙΟ" /0C und derjenige des Kerns 2 bei 11 χ 10" /0C. Die Querschnitts-
fläche des Kerns 2 beträgt 126 mm , die Querschnittsfläche der Hülle 1 198 mm , so daß deren Verhältnis 0,64 beträgt. Der Quotient aus der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Elastomeren und der Hülle (120 - 50) χ 10" und aus der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Elastomeren und des Kerns (120 - 11) χ 10"6 beträgt gleichfalls 0,64. Man hat auf diese Weise eine völlige Obereinstimmung zwischen dem genannten Querschnittsverhältnis und dem Quotienten aus den Differenzen der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten erreicht. Es ist festzustellen, daß diese Gleichheit bei einer Temperaturerhöhung von 1 0C zu einer Vergrößerung des Querschnitts des Elastomeren
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von 86 χ 10 mm führt, die gleich der Differenz zwischen
-4 der Zunahme des Innenquerschnitts der Hülle (99 χ 10 mm )
und der Vergrößerung des Querschnitts des Kerns (13 χ 10" mm ) ist. Durch den Erfindungsgegenstand gelingt ein völliger Ausgleich der relativen Volumensveränderungen zwischen der Hülle und dem Elastomeren. Auf diese Weise hat die Umgebungstemperatur praktisch keinen Einfluß auf die
Federkennlinie.
Es ist weiterhin festzustellen, daß die kleine Achse des elliptischen Querschnitts der Hülle 1 an der Stelle der Biegung um etwa 1 mm verringert wird, und zwar innen von 6 mm auf 5 mm, wenn die Feder mit der maximalen Last von 300 kg belastet wird. Der Querschnitt des aus Stahl bestehenden Kerns 2 ist praktisch unverformbar, so daß die verringerte Dicke des an dieser Stelle verdrängten Elastomeren
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dazu beiträgt, die Menge des Elastomeren an weniger komprimierten Stellen zu vergrößern, insbesondere durch Verdrängung in den gradlinigen Teil der Hülle 1 oder zu den Enden der großen Achse des elliptischen Querschnitts. Dies führt zu einer beträchtlichen inneren bzw. viskosen Reibung, auf die der Dämpfungseffekt zurückzuführen ist. Falls die beispielhaft beschriebene Dämpfungsfeder der Wirkung einer Last von 150 kg bei einer sinusförmigen Schwingung mit einer Amplitude von 6 cm ausgesetzt wird, genügen 5 freie Schwingungen dieser Dämpfungsfeder, um die Schwingungsamplitude auf 1 mm herabzusetzen, was einer logarithmischen Abnahme von etwa 0,7 entspricht. Durch Veränderung der Dicke der elastomeren Schicht und der Charakteristika dieses Elastomeren ist es möglich, stärkere oder schwächere Dämpfungseigenschaften zu erhalten.
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Leerse
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Claims (8)

  1. Ansprüche:
    fly Dämpfungsfeder mit einem komprimierbaren Elastomeren,
    bestehend aus einer dichten Hülle in Form eines flachen gebogenen und elastisch verformbaren Rohres, das mit
    dem Elastomeren ausgefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (1) mit einem zentralen Kern (2) versehen ist, der in das Elastomere (3) eingebettet ist, und daß das Elastomere aus einer elastischen Masse mit einem thermischen Ausdehnngskoeffizienten besteht, der kleiner als derjenige der Hülle ist.
  2. 2. Dämpfungsfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient aus dem Innenquerschnitt der Hülle (1) und dem Querschnitt des Kerns (2) im wesentlichen
    gleich dem Quotienten aus der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten-des Elastomeren (3) und des
    Kerns (2) und aus der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Elastomeren und der Hülle ist.
  3. 3. Dämpfungsfeder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Elastomeren (3) zwischen dem Kern (2) und der Hülle (1) im wesentlichen konstant ist.
  4. 4. Dämpfungsfeder nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge kennzei chnet, daß die Querschnitte von Hülle (1) und Kern (2) elliptisch sind.
  5. 5. Dämpfungsfeder nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (1) aus einem Verbundwerkstoff und der Kern (2) aus Stahl bestehen.
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    OFUGINAL IN6PECTC0
  6. 6. Dämpfungsfeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (2) an den Enden mit Einsatzbüchsen (4) versehen ist, welche die Hülle (1) durchdringen.
  7. 7. Verfahren zur Herstellung der Dämpfungsfeder nach
    Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Kern (2) in gestreckter Form mit einer elastomeren Schicht (3) versehen wird, auf die nachfolgend eine Vielzahl von Faserschichten aufgetragen wird, welche die Verstärkung der Hülle bilden, daß anschließend das hierdurch gebildete Verbundelement gebogen und daß schließlich die Verstärkung mit einem wärmeaushärtbaren Harz imprägniert wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elastomere Schicht (3) in Form eines weichen Schlauches unter Vorspannung auf den metallischen Kern (2) aufgeschoben wird und daß jede Schicht der Verstärkung in Form eines Gewebeschlauches auf den elastomerbeschichteten Kern (2) bzw. auf die darunterliegende Gewebeschicht aufgeschoben wird.
    709844/0934 " 4 "
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