DE2804124A1 - Kegelstumpffoermiges laminiertes lager - Google Patents
Kegelstumpffoermiges laminiertes lagerInfo
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Description
Die Erfindung "betrifft ein aus abwechselnden, miteinander
verbundenen Schichten aus elastomerem und im wesentlichen undehnbarem Material, die kegelstumpfförmig angeordnet sind,
gebildetes laminiertes Lager.
Die Fähigkeit einer Schicht aus elastischem Material, Drucklasten aufzunehmen, kann um mehrere 100 % dadurch erhöht
werden, daß eine Vielzahl paralleler Schichten aus nicht dehnbarem Material im wesentlichen senkrecht zur erwarteten
Druckkraftrichtung mit gegenseitigem Abstand in die elastische Schicht aufgenommen werden. Diese Schichten
erhöhen die Druckbelastungsfahigkext des elastischen Materials dadurch, daß sie die Neigung des Materials,in quer
zur Druckkraftrichtung liegenden Richtungen auszuweichen oder auszubeulen, verringern. Gleichzeitig wird die Nachgiebigkeit
des elastischen Materials gegen Scher- oder Torsionsbelastungen in parallel zu den Schichten liegenden oder
quer zur Druckbelastung liegenden Richtungen im wesentlichen nicht beeinflußt. Die Eigenschaften eines solchen geschichteten
oder laminierten elastischen Materials ergaben in einer Vielzahl von Anwendungen für Lager mit laminiertem
Material einen beträchtlichen wirtschaftlichen Erfolg.
Ein Gebiet von besonderer Wichtigkeit ist die Befestigung
von Hubschrauberblättern an der zugehörigen Rotornabe.
Bei manchen mechanischen Aufbauten muß ein Lager auf Rotationsbelastungen
oder -kräfte hin ausweichen können und gleichzeitig ohne merkliche Abbiegung Drucklasten, die in
einer einzigen bekannten Richtung aufgebracht werden, aufnehmen. Ein zylindrisches laminiertes elastisches Lager
kann die dazu erforderlichen Eigenschaften aufweisen. Bei einem solchen zylindrischen laminierten Lager können die
einzelnen Schichten oder Laminierungen entweder scheiben- oder rohrförmig sein. Ein laminiertes Lager mit scheibenförmigen
Schichten kann Drucklasten aushalten oder abstützen,
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die parallel zur Achse der Rotationslast aufgebracht werden,
wobei die Achse durch die Mittelpunkte der Scheiben geht. Bei rohrförmigen Schichten kann ein laminiertes Lager Lasten aushalten
oder abstützen, die in Radialrichtung oder senkrecht zur Achse der Rotationsbelastung aufgebracht werden.
Bei anderen mechanischen Aufbauten muß ein Lager Drucklasten aushalten oder abstützen können, die in zwei oder mehr im.
allgemeinen senkrechten Richtungen aufgebracht werden, während es gleichzeitig in der Lage sein soll, auf Rotationsbelastungen hin auszuweichen. Dieser Forderung kann dadurch
begegnet werden, daß ein laminiertes Lager mit kegelstumpfförmiger
Gestalt verwendet wird, dessen Schichten oder Laminierungen gleichfalls kegelstumpfförmig ausgebildet sind.
(Ein solches kegelstumpfförmiges Lager ist wohl zu unterscheiden von einem laminierten Lager, das eine kegelstumpfförmige
Gesamtform besitzt, in dem Jedoch die Schichten oder Laminierungen beispielsweise rohrförmig gestaltet sind und
lediglich in Axialrichtung gegeneinander versetzt sind, um die kegelförmige Gesamtform des Lagers zu ergeben.) Die Verwendung
eines kegelstumpfförmigen laminierten Lagers zur Aufnahme oder Abstützung von in zwei oder mehreren im allgemeinen
senkrechten Richtungen aufgebrachten Drucklasten bei gleichzeitiger
Abbiegefreiheit auf Rotationsbelastungen hin, wird in den in den folgenden Absätzen erwähnten US-PS'en beschrieben.
In Automobilfederungen benutzte, kegelstumpfförmige Schichtlager
nach den US-PS'en 2 900 182 und 3 179 400 sind im Einsatz
gemäßigten Druckbelastungen unterworfen. Die in den US-PS 'en 5 652 185 und 3 862 812 beschriebenen Lager, die zur
Anbringung von Hubschrauberblätteru an einer Rotornabe dienen, sind andererseits beträchtlich schwereren Kompressionsbelastungen im Bereich von 225Ö00 Ms 445000 N (= 50 000 bis
100 000 Ib) unterworfen. Um diese höheren Druckbelastungen
aufzunehmen, ist eine Möglichkeit, größere massivere Lager
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zu bauen. Diese Lösung wird jedoch, immer weniger annehmbar,
wenn die Technologie des Hubschrauberbaus fortschreitet und
anwachsende Anforderungen in bezug auf immer höhere Belastungen und längere Lebensdauern für die im Hubschrauberbau verwendeten
Lager stellt. Zusätzlich ergeben Anstrengungen, den Treibstoffverbrauch zu verringern, beispielsweise die Forderung
nach verringerter Größe und verringertem Gewicht aller Bestandteile eines Hubschraubers.
Da die Betriebsbelastungen bei laminierten Lagern oder Schichtlager,
die für Hubschrauberblatt-Haltesysteme verwendet werden, immer größer geworden sind, kam es zunehmend häufiger vor, daß
eine Art von Lagerversagen auftrat, bei dem das nachgiebige oder elastomere Material zwischen benachbarten starren oder
nicht dehnbaren Schichten herausgedrückt wurde. Bei der Untersuchung derartiger Yersagensfälle hat es sich herausgestellt,
daß bei Aufbringen großer Drucklasten auf ein laminiertes Lager ungewöhnlich hohe Scherspannungen an den Schichtkanten
des nachgiebigen oder elastomeren Materials erzeugt werden können. Die Scherbelastungen ergeben sich aus der unerwartet
hohen stellenweise auftretenden Kompression des nachgiebigen. Materials durch die und zwischen den nicht dehnbaren oder starren
Schichten des Lagers. Körperlich werden die in den nachgiebigen oder elastomeren Schichten herrschenden Spannungen
zuerst als ein Herausbeulen oder Herausdrücken des Materials zwischen den nicht dehnbaren Schichten sichtbar. Das Herausdrücken
setzt das nachgiebige Material einem Reibungsverschleiß oder "fretting" aus und ergibt schließlich ein Herausdrücken
in großem Maße aus dem Zwischenraum der nicht dehnbaren Schichten. Dieses Problem des übermäßigen Ausbeulens oder der durch
Kompression hervorgerufenen Scherbelastung in einem laminierten
elastischen Lager wurde zuerst erkannt und eine Lösung dafür wurde zuerst vorgeschlagen in der DE-OS 26 52 312.
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Das Problem des Ermüdungsversagens oder Ermüdungsbruches infolge von durch Kompression hervorgerufenen Scherspannungen
kann in einem kegelstumpfformigen laminierten Lager ebenso wie in anderen laminierten Lagern auftreten.
Es hat sich jedoch herausgestellt, daß das Problem immer schwieriger wird und bei immer geringeren Belastungen auftritt,
wenn die Größe und damit das Gewicht eines kegelstumpfformigen laminierten Lagers verringert wird. Eine
Art, den von dem kegelstumpfformigen laminierten Lager beanspruchten Raum zu verringern, besteht darin, den Außenumfang
des Lagers zu reduzieren. Der Außenumfang des Lagers kann dadurch reduziert werden, daß alle kegelstumpfformigen
Schichten gleich groß mit dem gleichen Maximaldurchmesser
oder Außenumfang gemacht werden. Im Gegensatz dazu steht die alternative Konstruktion, aufeinanderfolgende Schichten
mit zunehmenden Durchmessern herzustellen, so daß jede Schicht zwischen benachbarten Schichten eingebaut ist. Der
Unterschied zwischen den beiden Aufbauverfahren wird durch
einen Vergleich der Pig. 3 der US-PS 2 900 182 mit Pig. der US-PS 3 179 400 oder Pig. 2 der US-PS 3 503 820 deutlich.
Wie später weiter ausgeführt wird, wird ein kegelstumpf förmiges Lager aus Schichten mit gleichem größtem
Durchmesser mehr und eher gefährdet, infolge von durch Kompression hervorgerufenen Scherspannungen einen Ermüdungsbruch
oder ein Ermüdungsversagen zu erleiden.
Beispielsweise bilden in dem in der US-PS 2 900 182 beschriebenen kegelstumpfformigen Lager die mit größerem
Durchmesser versehenen Enden der einzelnen Schichten oder Laminierungen miteinander eine Ringfläche des Lagers. Die
Lagerringfläche ist senkrecht zu den kegelstumpfformigen Seitenflächen der Laminierungen gerichtet. Andererseits
bildet bei dem kegelstumpfformigen laminierten Lager nach US-PS 3 179 400 die entsprechende Ringfläche des Lagers
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—■ ο —
einen Winkel von 30° bis 50° gegenüber den kegelstumpfförmigen
Seitenflächen der einzelnen Schichten oder Laminierungen» Was in dem erstgenannten Lager als eine Endfläche
angesehen werden kann, ist notwendigerweise bei dem zweitgenannten Lager eine Seitenfläche. Ein kegelstumpfförmiges
laminiertes Lager, das in seinem Aufbau oder in seinem Entwurf zwischen diesen beiden erwähnten Lagern
liegt, wird in Hg. 4 der US-PS 3 652 185 gezeigt. In
dieser Schrift wird die Winkelrichtung zwischen den Seitenflächen der Lagerschichten und der durch die Enden mit grossem
Durchmesser der Schichten gebildeten Ringfläche nicht diskutiert. Direkte Messungen der in der Schrift enthaltenen
Zeichnungen ergeben einen Winkel von etwa 755°·
Anders ausgedruckt, die durch die Enden mit großem Durchmesser der Schichten gebildete Lagerfläche schließt im
Radialschnitt gesehen einen Winkel von etwa 14-,5° mit
einer Geraden ein, die senkrecht auf den kegelstumpfförmigen Seitenflächen der Schichten oder Laminierungen
des Lagers steht.
Die schädlichen Auswirkungen in bezug auf die ermüdungsfreie Lebensdauer eines kegelstumpfförmigen laminierten
Lagers infolge der Anstrengungen, die Gesamtgröße des Lagers zu verringern, wurden während der Entwicklung eines Lagers
für Hubschrauberhalteblatt-Systeme entdeckt, die ähnlich den in der zuletzt genannten US-PS gestaltet waren. Um dea
Außenumfang und die Gesamtgröße des Lagers zu verringern, wurde die durch die Enden mit größerem Durchmesser der
Schichten gebildete Fläche aus einer Ausrichtung, die senkrecht auf den Seitenflächen der Schichten des Lagers
steht, zurückgenommen oder "zurückgestrichen". Ein Musterlager wurde dann aufgebaut, bei dem die durch die Enden mit
großem Durchmesser der Lagerschichten gebildete Fläche einen "Streichwinkel" von annähernd 30° im Radialschnitt in bezug
auf eine senkrecht auf den kegelstumpfförmigen Seitenflächen
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der Schichten oder Laminierungen des Lagers bildete. Bei einer Erprobung fiel das Musterlager mit dem Streichwinkel
von 30° vorzeitig aus und wurde im Vergleich zu einem
gleichartigen kegelstumpfförmigen laminierten Lager mit dem
Streichwinkel 0° (d.h. bei dem die durch die Enden mit grossem Durchmesser der Schichten gebildete Fläche senkrecht zu
den kegelstumpfförmigen Seitenflächen der Lagerschichten
oder -laminierungen gerichtet war) nicht für wirtschaftlich vertretbar gehalten. Damit wurde ein kegelstumpfförmiges
Schichtlager mit einem Streichwinkel von 0° zur Verwendung in dem Blatthaltesystem vorgeschlagen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein kegelstumpfförmiges
laminiertes Lager mit einem Streichwinkel, der größer als 0°
ist, um eine Verringerung der Größe des Lagers zu erreichen, wobei das Lager eine gleichlange oder längere
Lebenszeit wie gleichartige kegelstumpfförmige laminierte
Lager mit einem Streichwinkel von 0° besitzt. Ein erfindungsgemäßes laminiertes Lager umfaßt eine Vielzahl einander abwechselnder
und miteinander verbundener Schichten aus elastomerem Material und im wesentlichen nicht dehnbarem Material.
Die Schichten sind kegelstumpfförmig oder kegelstumpfmantelförmig geformte Ringkörper, die konzentrisch um eine gemeinsame,
sich in Längsrichtung des Lagers erstreckende Achse angeordnet sind; die Schichten besitzen Paare von kegelstumpf
förmigen Seitenflächen. Die Schichten sind relativ zueinander so angeordnet, daß die Enden der Schichten mit
größerem Durchmesser zusammen eine Ringfläche des Lagers bilden. Um den Gesamtaußendurchmesser oder Gesamtumfang des
Lagers zu verringern, bildet die durch die Enden der Schichten mit größerem Durchmesser gebildete Ringfläche im Radialschnitt
einen Streichwinkel von mehr als 0° mit einer senkrecht zu einer Seitenfläche einer Schicht stehenden Linie.
Die Winkelrichtung oder die Neigung in bezug auf die senk-
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recht stehende Linie geht gegen die Enden der Schichten mit kleinerem Durchmesser mit zunehmendem Abstand längs
der senkrecht stehenden Linie von der gemeinsamen Achse der Lagerschichten weg. Im Optimalfall beträgt der Streichwinkel
etwa 9°·
Bei einer Analyse der Auswirkungen von Streichwinkel-Änderungen eines kegelstumpfförmigen laminierten elastomeren
Lagers ergab sich, daß ein Streichwinkel innerhalb eines Bereichs von mehr als O0 und weniger als 20° allgemein
Spannungsbelastungen im Lager erzeugt, die nicht wesentlich größer als die in einem Lager mit einem Streichwinkel
von 0° gefundenen sind. Gleichzeitig ergibt eine Erhöhung des Streichwinkels von 0° aus insgesamt eine Erniedrigung
des Außendurchmessers oder ITmfangs des Lagers. Es hat sich darüber hinaus herausgestellt, daß ein Streichwinkel
von etwa 9° tatsächlich in einem wesentlichen Ausmaß die durch Druckbelastung hervorgerufenen Scherspannungen
in einem kegelstumpfförmigen laminierten Läger bei einer
gegebenen Drucklast im Vergleich zu einem Lager mit einem Streichwinkel von 0° verringert. Auf diese Weise kann tatsächlich
die Lebensdauer eines kegelstumpfförmigen Lagers
dadurch erhöht werden, daß der Streichwinkel erhöht wird, falls die durch Druckbelastung erzeugte Scherspannung der
beherrschende Parameter für die Lebensdauer ist.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:
I"ig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen
kegelstumpfförmigen laminierten Lagers,
Pig» 2 einen Schnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1,
3Tig. %j eine graphische Darstellung des Verlaufs der durch
Druckbelastung hervorgerufenen Scherspannung in den elastomeren Schichten eines kegelstumpfförmigen laminierten
Lagers mit ansteigendem Streichwinkel und
einer konstanten axial gerichteten Druckbelastung,
Fig. 4· eine graphische Darstellung des Verlaufs der durch
Druckbelastung erzeugten Scherspannung mit ansteigendem Streichwinkel bei einer konstanten radial gerichteten
Druckbelastung,
Fig. 5 eine graiiische Darstellung des Verlaufs der Ringspannungen
in den nicht dehnbaren Schichten eines kegelstumpfförmigen laminierten Lagers mit ansteigendem
Streichwinkel bei einer konstanten, axial gerichteten Druckbelastung, und
Fig. 6 eine graphische Darstellung des Verlaufs der Ringspannung
mit zunehmendem Streichwinkel bei einer konstanten, radial gerichteten Druckbelastung.
Das in Fig. 1 dargestellte laminierte elastomere Lager 10
ist für den Einsatz bei einem Haltesystem für ein (nicht gezeigtes) Hubschrauberrotorblatt geeignet und bestimmt.
Das Lager 10 enthält innere und äußere im wesentlichen undehnbare Elemente 12 und 14 in Abstand voneinander. Wie
in Fig. 2 zu sehen, besitzt das innere Element 12 eine kegelstumpfförmige Außenfläche 16, die der gleichförmig
gestalteten parallelen Innenfläche 18 des Außenteiles 14· zugewandt liegt, jedoch einen Abstand von ihr aufweist. Das
Innenelement 12 besitzt auch eine zylindrisch geformte Verlängerung 20, mit der das Lager 10 beispielsweise mit einem
(nicht gezeigten) Lagerklotz verbunden werden kann. Ausnehmungen oder Vertiefungen 21 in der Außenfläche der Verlängerung
20 sind zu Anlage an oder zum Erfassen durch (nicht gezeigte) Stellschrauben oder ähnliche Einrichtungen geeignet,
um das Lager 10 mit dem (nicht gezeigten) Lagerklotz zu verbinden. Das Außenelement 14·, das die Gestalt eines
Kegelstumpfmantels aufweist, besitzt zwei parallele Laschen-
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oder Ohrenpaare 22. Die Laschenpaare 22 sind an dem Außenelement einander gegenüberliegend angebracht und werden dazu
verwendet, um das Lager 10 beispielsweise mit einem Joch, in einem (nicht gezeigten) Rotorblatt-HsOfcesystem zu verbinden.
Durch jede Lasche 22 erstreckt sich eine Bohrung 24,
so daß ein (nicht gezeigter) Bolzen durch die miteinander ausgerichteten Bohrungen 24 in den parallel zueinander liegenden
Laschen 22 und durch eine gleichartige, damit ausgerichtete Bohrung in dem (nicht gezeigten) Joch gesteckt werden
kann.
Zwischen den kegelstumpfförmigen Flächen 16 und 18 der Innen-
und Außenelemente 12, 14 befinden sich eine Reihe von abwechselnden und miteinander verbundenen kegelstumpfförmigen Schichten
oder Laminierungen aus elastischem Material und aus einem im wesentlichen nicht dehnbaren Material· In dem Lager nach
E1Ig. 1 sind vier elastomere Schichten 26 und drei Schichten
aus nicht dehnbarem Material 28 vorhanden. Die Anzahl der Schichten kann je nach den Raum- und/οder den Funktions-(beispielsweise
Belastungs-)Anforderungen im jeweiligen Anwendungsfall
geändert werden. Die Schichten 26 und 28 folgen in Radialrichtung zur sich in Längsrichtung durch die Mitte
des Lagers 10 erstreckende Achse 30 aufeinander. Die elastomeren
Schichten 26 sind aus Naturkautschuk gebildet, während die Schichten aus nicht dehnbarem Material aus Stahl bestehen.
Es können auch andere elastomere und nicht dehnbare Materialien statt Kautschuk und Stahl gegebenenfalls verwendet werden.
Alternatives elastomeres Material ist beispielsweise synthetischer Kautschuk, während alternative nicht dehnbare
Materialien andere Metalle, glasfaserverstärkten Kunststoff und gleichartige zusammengesetzte, mit hochfesten Fasern verstärkte
Materialien einschließen können.
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Jede Schicht oder Laminierung 26 und 28 besitzt zwei kegelstumpf
förmige Seitenflächen 32. Benachbarte, aneinander stoßende Schichten 26 und 28 sind längs der zusammenpassenden
Seitenflächen 32 miteinander verbunden. Die in Radialrichtung
am weitesten innenliegenden und die am weitesten außenliegenden Schichten 26 sind außerdem an einer Seitenfläche
32 mit den Kegelstumpfflächen 16 bzw. 18 der Innenbzw, der Außenelemente 12 bzw. 14 verbunden. In der dargestellten
Ausführung des Lagers 10 sind die kegelstumpfförmigen Seitenflächen 32 der einzelnen Schichten 26 oder 28
parallel zueinander gestaltet, so daß jede Schicht über
ihre ganze Länge von gleichförmiger Stärke ist. Es könnten jedoch die Stärken der einzelnen Schichten 26 oder 28
über ihre Länge von einem Ende zum anderen eine Änderung erfahren, wie es beispielsweise in dem kegelstumpfförmigen
laminierten Lager nach Fig. 3 der US-PS 3 179 4-00 der
lall ist.
Zusätzlich zu den kegelstumpfförmigen Seitenflächen 32 besitzt
jede Schicht oder Laminierung 26 oder 28 wegen ihrer kegelstumpfförmigen Gestalt ein Ende mit kleinerem Durchmesser
oder Umfang 34 un<i ein Ende mit größerem Durchmesser
oder Umfang 36. Zusammen bilden die Enden 36 mit größeren Durchmessern der Schichten 26 und 28 eine ringförmige
"Basisfläche" 40 des Lagers 10 mit großem Durchmesser. Die Enden 34 mit kleinerem Durchmesser der Schichten 26 und 28
bilden gleicherweise eine ringförmige "Kronenfläche" 38 des Lagers 10 mit kleinerem Durchmesser. Je nach der relativen
Stärke der Schichten 26 und 28 und je nach dem Abstand jedes Endes 34- oder 36 zum benachbarten Ende 34- oder 36 können die
Flächen 38 und 40 relativ glatt erscheinen oder sie können hervorstechende Stufen oder Rippen aufweisen, die durch die
Schichten gebildet werden. Die Flächen 38 und 40 können in relativ geringem Ausmaß konkav oder konvex gestaltet sein.
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Bei vielen gegenwärtig benutzten kegelstumpfförmigen laminierten Lagern, die im Aufbau dem in S1Ig. 1 und 2 gezeigten Lager
ähneln, ist die der Fläche 40 in Fig. 2 entsprechende Fläche
im wesentlichen senkrecht gegenüber den kegelstumpfförmigen Seitenflächen 32 der Schichten 26 und 28 ausgerichtet. Im
Vergleich zu Fig. 2 liegt dann beispielsweise die Basisfläche eines solchen Lagers längs einer Linie 4-2, die senkrecht
auf den Seitenflächen 32 der Schichten 26 und 28 und
auf den Flächen 16 und 18 der Elemente 12 bzw. 14 steht. Ein so aufgebautes kegelstumpfförmiges Lager wird in Fig. 3 äer
US-PS 2 900 182 gezeigt. Bei dem inFig. 1 und 2 dargestellten Lager bildet die Basisfläche 40 des Lagers im Radialschnitt
jedoch einen Winkel von etwa 9° mit der senkrechten Linie bzw. der Nbrmallinie 42. Wie zu sehen ist, ist die
Fläche 40 in bezug auf die Linie 42 in Richtung zu den Enden 34 der Schichten 26 und 28 mit kleinerem Durchmesser hin geneigt,
wenn man sich längs der Linie 4-2 von der Achse 30 entfernt.
Obwohl ein Winkel von 9° als besonders geeignet angesehen wird, kann der Winkel zwischen der Basisfläche 40 des
Lagers 10 und der Normallinie 42, der im folgenden als Streichwinkel
bezeichnet wird, in zufriedenstellender Weise innerhalb eines später erläuterten Bereiches verändert werden.
Wie bereits besprochen, hat sich während des Aufbaus und der Erprobung von Brobelagern ähnlich dem Lager nach Fig. 1 und
herausgestellt, daß ein Streichwinkel von 30° eine bemerkenswert schädliche Auswirkung auf die Lebensdauer eines kegelstumpfförmigen
Lagers im Vergleich mit einem Streichwinkel von 0° besitzt. Analysen der Erobelager haben, wie auch
gleichfalls hypothetische, durch Computermpdelle untersuchte
Lager, zu der Entdeckung geführt, daß große Streichwinkel wohl unerwünschte Spannungen und Belastungen in einem
kegelstumpfförmigen laminierten Lager ergeben, daß jedoch ein geringerer Streichwinkel tatsächlich günstige Herabminderungen
kritischer Spannungen ergeben kann. Die erwähnten
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Analysen "betrafen die durch Druckbelastung erzeugten Scherspannungen
in den elastomeren Schichten eines Lagers und die
Ringspannungen in den im wesentlichen nicht dehnbaren Schichten eines Lagers. Die durch Druckbelastung erzeugten Scherspannungen,
die bereits definiert wurden, sind körperlich im Ausbeulen der Enden 34- und 36 der elastomeren Schichten
26 des Lagers 10 zwischen den nicht dehnbaren Schichten 28 heraus sichtbar. Die Bedeutung solcher Spannungen in ihrer
Auswirkung auf die Lagerermüdung oder die Lebensdauer des
Lagers wurde erst in jüngster Zeit erkannt. Ringspannungen, die gleichfalls von der Druckbelastung eines Lagers herrühren,
können als IOlge der Tatsache angesehen werden, daß die
ringförmigen, nicht dehnbaren Schichten oder Laminierungen um den gesamten Umfang herum radial gerichteten Kräften oder Belastungen
unterworfen sind, die jeder Schicht eine sogenannte "Ringspannung" mitteilen.
Ergebnisse der Fig. 3 bis 6 sind graphische Darstellungen der/erwähnten
Analysen. Bei den einzelnen Fig. 3 bis 6 und bei jedem gegebenen Punkt innerhalb jeder Figur (d.h. bei den Streichwinkeln
von 0°, 10°, 20° und 30°) wurde ein im wesentlichen gleichartiges Lager zugrundegelegt. Andere Formbetrachtimgen
erforderten jedoch einige Änderungen im Aufbau (beispielsweise Schichtdicken und Elastizitätsmoduln der Elastomere .) von
Lager zu Lager, um beispielsweise sicherzustellen, daß jedes betrachtete Lager die Gesamtlast aufnehmen kann. Jedes
für die Diagramme nach Fig. 3 bis 6 untersuchte Lager war dem in Fig. 1 und 2 gezeigten ähnlich. Jedes Lager enthielt
fünfzehn (15) Schichten aus elastomerem Material und vierzehn
(14) Schichten aus nicht dehnbarem Material. Der eingeschlossene Winkel jedes Lagers betrug 60°, oder in anderen
Worten, der Winkel zwischen der mittleren Längsachse 30 jedes Lagers (Fig. 2) und den kegelstumpfförmigen Seitenflächen
derSchichten oder Laminierungen 26 und 28 (d.h. der Ke-
809831/0981
gelwinkel) betrug 30°. In den in I1Xg. 3 und 5 dargestellten
Untersuchungen waren die Lager einer axial gerichteten Druckbelastung
(d.h. einer Belastung parallel zur mittleren Längsachse 30 in !ig. 2) von 249 100 E (= 56 000 Ib) unterworfen
und es war keine radial gerichtete Belastung angesetzt. Bei den in Fig. 4 und 6 dargestellten Untersuchungen war Jedes
Lager einer Radialbelastung (d.h. einer senkrecht auf die mittlere Längsachse 30 in Mg. 2 gerichteten) Belastung von
222 411 N (= 60 000 Ib) und keiner axial gerichteten Belastung unterworfen.
Wach Fig. 3 durchläuft die maximale durch Druckbelastung hervorgerufene
Scherspannung in irgendeiner elastomeren Schicht des Lagers einen Minimalwert bei einer Veränderung des Streichwinkels
eines kegelstumpfförmigen, mit axialer Belastung beaufschlagten Lagers von Null an bei einem Streichwinkel
von etwa 9,5°· -Die maximale durch eine Druckbelastung hervorgerufene Scherspannung in dem Lager mit einem Streichwinkel
von etwa 9j5° beträgt nur etwa die Hälfte der maximalen
durch Druckbelastung hervorgerufenen Scherspannung in dem
Lager mit einem Streichwinkel von 0°. Darüber hinaus ist bei einem Streichwinkel von etwa 9»5° eier Unterschied zwischen
der maximalen durch Druckbelastung hervorgerufenen Scherspannung
in irgendeiner elastomeren Schicht des Lagers und der minimalen durch Druckbelastung hervorgerufenen Scherspannung
in irgendeiner Schicht des Lagers gleichfalls an seinem Minimalwert angelangt. Auf diese Weise gibt es nur eine minimale
Veränderung zwischen der effektiven Ausnutzung der verschiedenen elastomeren Schichten des Lagers. Idealerweise sollte kein
Unterschied zwischen der minimalen und der maximalen durch Druckbelastung hervorgerufenen Scherspannung in den elastomeren
Schichten des Lagers auftreten. Das Fehlen eines Unterschiedes zwischen der minimalen und der maximalen durch Druckbelastung
hervorgerufenen Scherspannung würde anzeigen, daß das gesamte elastomere Material im Lager zum gleichen Ausmaß
beaufschlagt oder benutzt wird.
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280A Ί 24
Jig. 4- zeigt, daß eine Veränderung des Streichwinkels eines
kegelstumpfförmigen laminierten Lagers unter einer radial gerichteten Belastung eine Veränderung der durch Druckbelastung
hervorgerufenen Scherspannung ergibt, die ähnlich der Veränderung ist, die bei Belastung des Lagers in axialer
Richtung erfolgt. In Fig. 4- ist die maximale durch Druckbelastung hervorgerufene Scherspannung in den elastomeren
Schichten des Lagers von minimaler Größe, wenn das Lager einen Streichwinkel von etwa 8,5° aufweist. Wie in H1Xg. 3
zeigt ein Vergleich zwischen der Maximalspannungs- und der Minimalspannungskurve an, daß der geringste Unterschied zwischen
den maximalen und minimalen durch Druckbelastung hervorgerufenen Scherspannungen dann auftritt, wenn das Lager
einen Streichwinkel von etwa 8,5° besitzt. Wie durch einen Vergleich der Maßstäbe der Fig. 3 und 4- ersichtlich ist,
erzeugt eine Axialbelastung eines kegelstumpfförmigen laminierten Lagers viel höhere Spannungen als eine radial gerichtete
Belastung von annähernd der gleichen Größe. Es ist deshalb die durch Drucklast hervorgerufene Scherspannung infolge
axial gerichteter Belastungen auf ein kegelstumpfförmiges laminiertes Lager, die eine kritischere Auswirkung
auf die Ermüdungsiebensdauer des Lagers hat.
Fig. 5 und 6 zeigen, daß ein Streichwinkel von etwa 9° auch
als kritischer Wert für die Hingspannungen in den nicht dehnbaren Schichten eines kegelstumpfförmigen laminierten
Lagers angesehen werden kann. Allgemein gesprochen sind die Ringspannungen in den nicht dehnbaren Schichten eines kegelstumpfförmigen
laminierten elastomeren Lagers am geringsten in der Nähe des Endes jeder Schicht mit kleinerem Durchmesser
und sie sind in der Nähe des Basisendes oder des Endes mit größerem Durchmesser jeder Schicht am größten. Wie in
Fig· 5 gezeigt, tritt jedoch die maximale Ringspannung in
irgendeiner nicht dehnbaren Schicht in einem einer axial gerichteten Druckkraft ausgesetzten kegelstumpfförmigen
809831/0981
-is- 28U4124
laminierten Lager (Kurve "maximale Ringspannung") an einem
Punkt in irgendeiner Schicht auf, der vom Basisende dieser
Schicht entfernt liegt und zwar "bei einem Streichwinkel von 0°. Wenn der Streichwinkel des Lagers von 0° bis etwa 10°
anwächst, nimmt die an der Basis irgendeiner Schicht (aber nicht notwendigerweise jeder Schicht) auftretende maximale
Ringspannung stetig zu (Kurve "maximale Ringspannung im Basisbereich.").
Andererseits bleibt die irgendwo in einer nicht dehnbaren Schicht auftretende maximale Ringspannung in diesem
Bereich relativ konstant. Wenn das Lager einen Streichwinkel
von etwa 11° besitzt, wird die maximale Ringspannung im Basisbereich irgendeiner nicht dehnbaren Schicht die beherrschende
Größe oder die maximale, im Lager auftretende Ringspannung. Von da an beginnt die irgendwo in einer nicht
dehnbaren Schicht auftretende maximale Ringspannung mit zunehmendem Streichwinkel steil zu wachsen.
Pig. 6 zeigt, daß ein ähnliches Phänomen wie in Fig. 5 auftritt^
wenn ein kegelstumpfförmiges Lager nur einer Radialbelastung unterliegt. Nach E1Xg. 6 nehmen sowohl die irgendwo
in einer nicht dehnbaren Schicht auftretende maximale Ringspannung als auch die maximale Ringspannung im Basisbereich
irgendeiner nicht dehnbaren Schicht zu, wenn der Streichwinkel des Lagers von 0° bis etwa 10° anwächst. Obwohl
die irgendwo auftretende maximale Ringspannung anfangs größer als die maximale Ringspannung im Basisbereich einer
nicht dehnbaren Schicht ist, nimmt die im Basisbereich einer nicht dehnbaren Schicht auftretende maximale Ringspannung
stärker zu und wird die dominierende Ringspannung bei einem otreichwinkel von etwa 10°. Wenn der Streichwinkel
über 10° hinaus anwächst, nimmt die irgendwo auftretende maximale Ringspannung mit sichtlich größerer Rate zu, als
es im Streichwinkelbereich von 0° bis 10° der Fall ist. Wiederum ist,wie bei den Fig. 3 und 49die von einer axial gerichteten
Belastung herrührende Ringspannung mehrmals so
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groß wie die von einer radial gerichteten Belastung von etwa
gleicher Größe herrührende maximale Ringspannung.
Fig. 3 bis 6 ergeben, daß ein Streichwinkel von etwa 9° ein
optimaler und kritischer Streichwinkel für ein kegelstumpfförmiges
laminiertes elastomeres Lager ist. Je nach den in Betracht gezogenen Parametern kann der optimale Streichwinkel
im Einzelfall von etwa 8,5° t»is etwa 11° liegen. Der
Ausdruck "etwa 9°" soll einen Winkelbereich von etwa 8,5° bis etwa i1° umfassen. Zusätzlich zu dieser Erkenntnis eines
optimalen Streichwinkels von etwa 9° zeigen Fig. 3 und 4-gleichfalls
zumindestens in bezug auf die durch eine Drucklast hervorgerufene Scherspannung, daß jeder Winkel von mehr
als O0 und weniger als etwa 20 keine ungünstigeren und im
allgemeinen günstigere Spannungen erzeugt als die durch einen Streichwinkel von 0° erzeugten. Wenn die durch eine
Druckbelastung hervorgerufene Scherspannung ein kritischer Faktor oder der dominierende Faktor bei der Bestimmung der
Lebensdauer des Lagers ist, kann ein Streichwinkel von bis zu 20° benutzt werden, um eine Verringerung der Lagergröße
zu erreichen, ohne daß im Vergleich zu einem Lager mit einem Streichwinkel von 0° Lebensdauer eingebüßt werden muß.
Es sollte jedoch beachtet werden, daß die Verwendung eines von Ö° verschiedenen Streichwinkels andere Eigenschaften
eines kegelstumpfförmigen laminierten elastomeren Lagers,
beispielsweise die Torsionsfederkraft, schädlich beeinflussen kann. Zusätzlich können Änderungen gewisser Aufbaumerkmale
eines kegelstumpfförmigen Lagers, beispielsweise der
Kegelwinkel, einen Einfluß auf den optimalen Streichwinkel haben.
Die Grundsätze dieser Erfindung können, auch wenn ausdrücklich auf ein Lager Bezug genommen wurde, bei dem die kegelstumpfförmigen
Seitenflächen der Schichten im wesentlichen parallel zueinander liegen, auch auf Lager angewendet wer-
809831 /098t
den, "bei denen die Seitenflächen der Schichten nicht parallel
sind, sondern aufeinander zulaufen. Bei einem solchen Lager muß der Streichwinkel von einer hypothetischen Fläche zwischen,
den zwei aufeinander zulaufenden Seitenflächen einer Schicht oder von einer parallel zu der kegelstumpfförmigen Fläche des
inneren oder äußeren Elementes 12 "bzw. 14- des Lagers 10 liegenden
Fläche aus "bestimmt werden.
Es wird ein laminiertes Lager be schriet» en, das eine Vielzahl
einander abwechselnder und miteinander verbundener Schichten aus elastomerem Material und aus im wesentlichen nicht ausdehnbarem
Material umfaßt. Jede Schicht ist ein kegelstumpfförmiger Kingkörper mit zwei kegelstumpfförmigen Seitenflächen
und die Schichten sind konzentrisch um eine gemeinsame, sich in Längsrichtung des Lagers erstreckende Achse angeordnet.
Die Seitenflächen benachbarter Schichten sind miteinander so verbunden, daß das Ende jeder Schicht, das den größeren
Durchmesser aufweist, dem Ende mit größerem Durchmesser der nächsten Schicht benachbart angeordnet ist. In Gesamtheit
bilden die Enden mit größerem Durchmesser der Schichten eine Ringfläche des Lagers. Die durch die Enden der Schichten
gebildete Ringfläche bestimmt im Radialschnitt einen Winkel gegenüber einer Linie, die senkrecht auf den Seitenflächen
der Schichten steht. Die Richtung des Winkels oder die Neigung in bezug auf die so definierte Normallinie ist zu
den Enden der Schichten nit kleinerem Durchmesser hin gerichtet, wenn der Abstand längs der Normallinie von der
gemeinsamen Achse zunimmt« Vorzugsweise beträgt der Winkel etwa 9°.
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Claims (3)
- PATENTANWÄLTE . 2ÖÜ4124MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKOWLOED CORPORATION München, den 31.1.1978West 12th Street, Erie, S/3/Sv - L 2050 Pennsylvania, U.S.A.Kegelstumpfförmiges laminiertes LagerPatentansprücheM.J Laminiertes Lager, dadurch gekennzeichnet , ^^^ daß eine Vielzahl von alternierenden und miteinander verbundenen Schichten aus elastomerem Material und aus im wesentlichen undehnbarem Material vorgesehen sind, daß jede Schicht die Porm eines kegelstumpfförmigen Ringkörpers mit zwei kegelstumpf förmigen Seitenflächen "besitzt und daß die Schichten konzentrisch um eine gemeinsame, sich in Längsrichtung des Lagers erstreckende Achse angeordnet sind, daß die Seitenflächen benachbarter Schichten so aneinandergesetzt und miteinander verbunden sind, daß das Ende jeder Schicht mit größerem Durchmesser dem Ende einer anderen Schicht mit größerem Durchmesser benachbart angeordnet ist und daß die Enden mit größeren Durchmessern der Schichten insgesamt eine Ringfläche des Lagers bestimmen, daß die Ringfläche des Lagers im Radialschnitt einen Winkel von etwa 9° gegenüber einer senkrecht auf einer kegelstumpf förmigen Seitenfläche einer Schicht stehenden Linie bestimmen und daß die Ringlagerfläche in bezug auf809831/098tDR. C. MANITZ · DIPL.-INC. M. FINSTERWALD DIP L. -ING. W. GRAMKOW ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKENβ MÖNCHEN 22. ROBERT- KOCH-STR ASSE 1 7 STUTTGART 5O IBAD CANNSTATT) MÜNCHEN. KONTO-NUMMER 7270TEL. (089) 22 42 II. TELEX OS-29672 PATMF SEELBERGSTR. 23/25. TEL. (0711)56 72 61 POSTSCHECK : MÖNCHEN 77062 - SOSdie senkrecht auf der Seitenfläche stehende Linie mit zunehmendem Abstand längs dieser senkrechten Linie von der gemeinsamen Achse gegen die Enden der Schichten mit kleinerem Durchmesser hin geneigt ist.
- 2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kegelstumpfförmigen Seitenflächen der Schichten einen Winkel von etwa 30° mit der gemeinsamen Achse einschließen.
- 3. Laminiertes elastomeres Lager, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von alternierenden und miteinander verbundenen Schichten aus elastomerem Material und aus im wesentlichen nicht dehnbarem Material vorgesehen sind, daß jede Schicht ein kegelstumpfförmiger Ringkörper mit zwei kegelstumpfförmigen Seitenfläclien ist und daß die Schichten konzentrisch um eine gemeinsame, sich in Längsrichtung des Lagers erstreckende Achse angeordnet sind, daß die Seitenflächen benachbarter Schichten so dicht aneinander angeordnet und miteinander verbunden sind, daß das Ende jeder Schicht mit größerem Durchmesser dem Ende einer anderen Schicht not größerem Durchmesser benachbart angeordnet ist und daß die Enden der Schichten mit größerem Durchmesser zusammen eine Ringfläche des Lagers bestimmen, daß die Ringfläche des Lagers im Radialschnitt einen Winkel von mehr als 0° und weniger als 20° gegenüber einer senkrecht auf einer kegelstumpfförmigen Seitenfläche einer Schicht stehenden Linie bestimmt und daß die Ringfläche in bezug- auf die senkrecht stehende Linie bei zunehmendem Abstand längs der senkrecht stehenden Linie von der gemeinsamen Achse gegen die Enden der Schichten mit kleinerem Durchmesser geneigt ist.809831 /098 t2B0412ALager nach. Anspruch. 3» dadurch, gekennzeichnet , daß die kegelstumpfförmigen Seitenflächen der Schichten mit
der gemeinsamen Achse einen Winkel von etwa 30° einschließen.8 Π - / · ι 9 8
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