DE2804124A1

DE2804124A1 - Kegelstumpffoermiges laminiertes lager

Info

Publication number: DE2804124A1
Application number: DE19782804124
Authority: DE
Inventors: Jun Ralph Leon Clinard
Original assignee: Lord Corp
Current assignee: Lord Corp
Priority date: 1977-02-01
Filing date: 1978-01-31
Publication date: 1978-08-03
Also published as: FR2378975A1; JPS53115433A; US4108508A; IT7819825A0

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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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-

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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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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

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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-

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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

PATENTANWÄLTE . 2ÖÜ4124

MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKOW

LOED CORPORATION München, den 31.1.1978

West 12th Street, Erie, S/3/Sv - L 2050 Pennsylvania, U.S.A.

Kegelstumpfförmiges laminiertes Lager

Patentansprüche

M.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 auf

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DR. C. MANITZ · DIPL.-INC. M. FINSTERWALD DIP L. -ING. W. GRAMKOW ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN

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die 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.

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Lager nach. Anspruch. 3» dadurch, gekennzeichnet , daß die kegelstumpfförmigen Seitenflächen der Schichten mit
der gemeinsamen Achse einen Winkel von etwa 30° einschließen.

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