DE2913120C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein zylindrisches Stützlager der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Ein solches Stützlager ist aus der GB-PS 13 22 071 bekannt. Dieses Stützlager, welches zur Radaufhängung vorgesehen ist, weist zwei auf der Radachse nebeneinander angeordnete Stützlager mit gemeinsamem Innen- und Außenlaufring auf. Beide Teillager weisen zwei elastomere Schichten auf, deren äußere eine kürzere axiale Länge haben als die inneren, während die Dicke sämtlicher Schichten gleich ist. Dies führt im Hinblick auf den unterschiedlichen Umfang bzw. Radius der Schichten zu einer ungleichförmigen Beanspruchung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Stützlager derart zu verbessern, daß bei gleicher Materialwahl für die elastomeren Schichten deren Beanspruchung unabhängig von ihrer radialen Lage gleichbleibt.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Wie die weiter unten angegebenen Berechnungen zeigen, läßt sich durch unterschiedliche radiale Bemessung der verschiedenen Schichten die angestrebte gleichförmige Beanspruchung erzielen, ohne daß es notwendig wäre, Materialien mit unterschiedlichem Elastizitätsmodul für die verschiedenen Schichten vorzusehen. Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bevor auf das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel Bezug genommen wird, sollen zunächst allgemein die bei einem solchen Stützlager auftretenden Verhältnisse unter Ableitung der Formeln betrachtet werden:

Wenn jede Schicht aus elastischem Material bei einem gattungsgemäßen Lager eine gleiche Dicke, Länge und einen gleichen Elastizitätsmodul aufweist, führt eine zyklische Torsionsbewegung bei längerem Lauf eines solchen Lagers zu einem Ausfall, der insbesondere durch die Ermüdung der am meisten innen liegenden Schichten bedingt ist, d. h. jener Schichten, die der gemeinsamen Zentralachse am nächsten liegen. Demgemäß wird die Lebensdauer eines solchen Lagers im typischen Fall durch die Beanspruchungen und Belastungen bestimmt, die in der am weistesten innen liegenden Schicht während der Benutzung auftreten.

Dies kann grundsätzlich besser verstanden werden, wenn man sich vergegenwärtigt, daß die Beanspruchung, die von irgendeiner elastischen Schicht eines elastomeren Lagers bei einer gegebenen Torsionsbelastung auftritt, eine inverse Funktion des Produktes der wirksamen Oberfläche (A) ist, die die Kompressivlast trägt, welche senkrecht zur Oberfläche aufgebracht wird, und dem Durchschnittsradius (R) von der gemeinsamen Mittelachse nach der Oberfläche des Lagers sowie dem Elastizitätsmodul (G) des elastischen Materials. Allgemein ergibt sich:

Dabei ist K eine Konstante.

Außerdem ist der Formfaktor (SF) jeder Schicht elastischen Materials durch das Verhältnis der wirksamen Oberfläche, die die Kompressivlast trägt die senkrecht zur Oberfläche aufgebracht wird, und der kraftfreien Fläche definiert, d. h. der Fläche, die sich bewegen kann, wenn eine Kompressivlast auf die lasttragende Oberfläche aufgebracht wird. Der Formfaktor ist allgemein ein Maß der Möglichkeit der Schicht elastischen Materials, sich einer Kompressivbelastung anzupassen. Je größer der Formfaktor einer bestimmten Schicht ist, desto größer ist deren Fähigkeit, Kompressivbelastungen aufzunehmen. Wenn beispielsweise das Lager aus einem zylindrischen Abschnitt besteht, dann ist die Lastträgerfläche (LA) jeder elastischen Schicht die Projektion oder wirksame Fläche der Schicht, wenn die Schicht in Richtung der aufgebrachten Last betrachtet wird. Bei einer radial aufgebrachten Last ist die lasttragende Fläche rechteckig und kann wie folgt bestimmt werden:

LA = 2RL (2)

Dabei ist R der äußere Radius der Schicht, von der gemeinsamen Achse nach der äußeren Oberfläche der Schicht gemessen, und
L die Länge der Schicht in Axialrichtung.

Die kraftfreie Oberfläche (BA) ist jener Abschnitt der Stirnflächen, auf deren zugehörige Mantelfläche die Radialkraft wirkt. Wenn eine Radialkraft aufgebracht wird, dann steht eine Hälfte der Mantelfläche der zylindrischen Schicht unter Kompression, so daß die lastfreie Fläche wie folgt angenähert wird:

BA = 2πRtr (3)

Dabei ist R der äußere Radius der Schicht, gemessen von der Zentralachse nach der äußeren konvexen Oberfläche der Schicht, und
tr die Dicke der Schicht.

Der Formfaktor einer solchen Schicht vereinfacht sich demgemäß zu:

Wenn man sich die Gleichungen (1) und (4) vergegenwärtigt, dann leuchtet ein, daß bei einem zylindrischen Lager, bei dem jede Schicht aus elastischem Material aus dem gleichen Werkstoff besteht und den gleichen Elastizitätsmodul, gleiche Länge (L) und gleiche Dicke (tr) aufweist, der Formfaktor SF sich von Schicht zu Schicht nicht ändert, aber die Beanspruchung, der die innerste Schicht ausgesetzt ist, wird größer als die Beanspruchung der äußeren Schichten, weil die inneren Schichten einen geringeren Radius (R) besitzen und demgemäß eine kleinere lasttragende Oberfläche A. Anders ausgedrückt heißt dies, daß das Produkt RAG für die innere Schicht kleiner ist und daß demgemäß die Belastung größer wird als bei einem Produkt RAG einer Schicht, die in einem größeren Radiusabstand von der Achse liegt.

Eine Lösung dieses Ermüdungsproblems wird in der US-PS 36 79 197 vorgeschlagen. Insbesondere schlägt diese Patentschrift vor, die Elastizitätsmodulen jeder Schicht so zu ändern, daß die Beanspruchung über jeder Schicht bei gegebener Torsionsbelastung etwa gleich wird, um zu gewährleisten, daß die Beanspruchung der äußeren Schichten gleich oder annähernd gleich der Beanspruchung der inneren Schichten wird. Für ein laminiertes Lager zylindrischen Querschnitts und mit der Länge (L) wird das Verhältnis der Beanspruchung über einer Schicht n bei einer gegebenen Torsionsbelastung zu der Belastung über einer Schicht a gleich (beide Belastungen werden gleich gemacht), wenn entsprechend Gleichung (1) folgende Beziehung gilt:

Die reduziert sich zu:

Demgemäß stellt die US-PS 36 79 197 fest, daß die Beanspruchung über der Schicht n und der Schicht a gleich wird, wenn sich die Elastizitätsmodulen invers zum Quadrat des mittleren Radius der jeweiligen Schichten ändern. Obgleich dies nicht belegt ist, wird in der Analyse dieser Patentschrift darauf hingewiesen, daß es außerdem vorteilhaft ist, die Dicke der Schichten elastischen Materials mit sich vergrößerndem Radius progressiv zu vergrößern. Durch progressive Vergrößerung der Dicke der Schichten elastischen Materials mit zunehmendem Radius wird als Vorteil angegeben, daß mehr elastisches Material radial innerhalb des gleichen Raumes angeordnet werden kann, wobei die Kompressivbeanspruchungen in den elastischen Schichten innerhalb zulässiger Grenzen bleiben. Die US-PS 36 79 197 geht demgemäß davon aus, daß die vergrößerte Menge elastischen Materials in vorteilhafter Weise die Scherbeanspruchungen und die Torsionsbeanspruchungen verteilt, um die Lebensdauer zu verbessern und um die Zahl nicht ausdehnbarer Schichten zu vermindern, um das Gesamtgewicht und die Herstellungskosten zu erniedrigen. So läßt sich aus der US-PS 36 79 197 der Schluß ableiten, daß eine optimale Lagerausbildung dann erreicht werden kann, wenn mit zunehmendem Radius die Dicke jeder elastischen Schicht ansteigt und zugleich progressiv der Elastizitätsmodul der Schichten abnimmt.

Dieser nach der US-PS 36 79 197 bekannte Lageraufbau ergibt jedoch zahlreiche Herstellungsprobleme. Dadurch, daß der Elastizitätsmodul der Schichten des elastischen Materials geändert werden muß, ergibt sich eine erhöhte Herstellungszeit sowie erhöhte Kosten, die unter anderem herrühren a, von der Prüfzeit für das jeweils zur Verwendung kommende Material im Hinblick auf den speziellen Elastizitätsmodul; b, von der Tatsache, daß eine Materialkalendrierung erforderlich ist; c, durch die Forderung, daß das Lager dadurch zusammengebaut werden muß, daß jede elastomere Schicht getrennt aufgebracht wird, was im typischen Falle durch Hand geschehen muß; d, es ergibt sich eine erhöhte Gefahr einer Metallverunreinigung, was von der Handfertigung herrührt; e, es ergibt sich ein kumulativer Effekt von Steifheitstoleranzen, die eine vorherrschende Wirkung im Hinblick auf die Gesamtsteifheit des Lagers haben können mit schwerwiegenderen Auswirkungen, als wenn nur ein Material mit dem gleichen Elastizitätsmodul benutzt wird; f, schließlich ergibt sich eine nicht-lineare Veränderung der Beanspruchungsempfindlichkeit, die von der Veränderung der Elastizitätsmodulen der verschiedenen elastomeren Werkstoffe herrührt.

Zum zweiten ergibt sich aus der Gleichung (4), daß durch progressive Vergrößerung der Dicke jeder Schicht bei zunehmendem Radius eine entsprechende Verringerung des Formfaktors jeder Schicht resultiert. Dadurch wird wiederum die Fähigkeit jeder Lage mit ansteigendem Radius vermindert, die Kompressivlasten entsprechend aufzunehmen. Diese Nachteile weist das erfindungsgemäße Lager nicht auf.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Axialschnitt eines gemäß der Erfindung ausgebildeten zylindrischen Stützlager.

Lager gemäß der Erfindung werden am besten verständlich unter Bezugnahme auf die Analyse, die sich aus den Gleichungen (1) und (4) ergibt.

Für ein zylindrisches Stützlager, bei dem gilt:

A = 2πRL (7)

wobei L die Länge einer jeden Schicht ist, ergibt sich die Gleichung (1) zu:

Dabei ist K₂ eine Konstante.

Um ein Lager zu schaffen, bei welchem für alle Schichten des Lagers das gleiche Material Anwendung findet, d. h. ein elastisches Material mit dem gleichen Elastizitätsmodul, wird G ein konstanter Faktor, so daß im Sinne einer im wesentlichen gleichmäßigen Beanspruchung über sämtliche Schichten elastischen Materials sich aus Gleichung (8) ergibt:

R²L = konstant oder (9)

Dies gilt für sämtliche Schichten.

Es ist daher klar, daß die Länge (L) eine inverse Funktion des Quadrats des äußeren Radius der elastischen Schicht ist, so daß die Länge mit steigendem Radius abnimmt.

In gleicher Weise ist es zweckmäßig, daß der Formfaktor jeder Schicht elastischen Materials entweder im wesentlichen konstant bleibt oder mit ansteigendem Radius vergrößert wird, so daß die Kompressivbeanspruchung für alle elastomeren Schichten im wesentlichen gleich bleibt. Wenn der Formfaktor im wesentlichen konstant bleibt, dann wird die Gleichung (4):

indem die Gleichung (10) ersetzt wird:

tr nimmt auch mit steigendem Radius ab.

Die Zeichnung zeigt ein Stützlager 8, das gemäß der Erfindung ausgebildet ist und eine allgemein zylindrische Gestalt mit kreisförmigem Querschnitt besitzt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, hat das Lager 8 eine Mittelachse 10 und weist einen inneren Laufring 12 auf, der eine nach außen weisende konvexe Oberfläche 14 besitzt, und es ist ein äußerer Laufring 16 vorgesehen, der eine nach innen weisende konkave Oberfläche 18 besitzt, die im radialen Abstand zu der konvexen Oberfläche 14 des Laufrings 12 liegt. Zwischen den Oberflächen 14 und 18 der Laufringe 12 bzw. 16 sind abwechselnd Schichten 20 aus elastischem Material und Ausgleichsringe 22 festgelegt, beispielsweise ein elastomeres und ein nicht-ausdehnbares Material, wie z. B. Metall. Jede der Schichten 20 und die Ausgleichringe 22 sind konzentrisch um die Mittelachse 10 herum und umeinander gelegt, und jede Schicht 20 aus elastischem Material besitzt den gleichen Elastizitätsmodul. Die axiale Länge jeder Schicht 20 sowie die Dicke der Schichten 20 nimmt progressiv mit sich vergrößerndem Radius, gemessen von der Mittelachse 10 an, ab. Vorzugsweise bleibt das Produkt R²L jeder Schicht 20 im wesentlichen konstant und auch das Produkt R²tr bleibt im wesentlichen konstant oder steigt mit ansteigendem Radius vom Mittelpunkt der Achse 10 an.

Wenn die Gleichung (10) erfüllt ist, dann werden im wesentlichen gleiche Scherspannungen von jeder Schicht 20 aufgenommen, wenn Torsionsbelastungen auf dem Lager 8 ruhen. Wenn dagegen die Gleichung (12) erfüllt ist, werden im wesentlichen gleiche Kompressivlasten von jeder Schicht 20 getragen.

Ein Lager mit einem beispielsweisen Aufbau gemäß der Zeichnung hat fünf Schichten 20, die sich mit Ausgleichsringen 22 abwechseln (diese haben eine Dicke von 0,254 mm), und diese Schichten haben folgende Abmessungen:

Wie aus der vorstehenden Tabelle ersichtlich, nimmt die Länge und Dicke jeder Schicht 20 mit ansteigendem Radius ab. Wenn man R²L für jede Schicht berechnet, findet man, daß das Produkt für jede Schicht im wesentlichen konstant bleibt. Der Formfaktor bleibt, wie dargestellt, im wesentlichen der gleiche oder er steigt mit sich vergrößertem Radius etwa an. Wenn der Formfaktor im wesentlichen der gleiche bleibt, dann werden die radialen Kompressivbelastungen in gleicher Weise durch alle Schichten getragen. Indem man den Formfaktor der äußeren Schichten größer als den der inneren Schichten macht, werden die Kompressivbeanspruchungen der äußeren Schichten, die von einer aufgebrachten Radialbelastung herrühren, vermindert.

Bei dieser Ausbildung des erfindungsgemäßen Lagers bestehen sämtliche Schichten 20 aus dem gleichen Material und besitzen den gleichen Elastizitätsmodul. Infolgedessen werden Herstellungszeit und -kosten erniedrigt. Das Lager 8 kann auf einfache Weise, z. B. durch Spritzgußformung, hergestellt werden. Die als Ringe 22 ausgebildeten Schichten werden in ihrer richtigen relativen Lage in einer vorgeformten Form angeordnet und ein elastomeres Material wird bis zum flüssigen Zustand aufgeheizt und in die Form eingegossen. Dann läßt man das elastomere Material abkühlen, wodurch die Ringe 22 an den Schichten vorbestimmter Dicke und Länge festgelegt werden, deren Abmessungen durch die Gleichungen (10) und (12) bestimmt werden.

Claims (4)

1. Zylindrisches Stützlager, welches abwechselnd zylindrische Schichten (20 bzw. 22) aus elastischem Material bzw. aus nicht dehnbarem Material aufweist, die konzentrisch um eine gemeinsame Achse herum angeordnet sind, wobei die Länge der Schichten (20) aus elastischem Material progressiv mit sich vergrößerndem Radius abnimmt und die Schichten (20) aus elastischem Material den gleichen Elastizitätsmodul besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der elastischen Schichten (20) progressiv mit sich vergrößerndem Radius abnimmt.

2. Stützlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt R²L für jede Schicht elastischen Materials im wesentlichen gleich ist, wobei R der äußere Radius und L die axiale Länge jeder Schicht (20) elastischen Materials ist.

3. Stützlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt R²tr für jede Schicht (20) elastischen Materials im wesentlichen konstant ist oder mit R ansteigt, wobei R der Außenradius und tr die Dicke jeder Schicht elastischen Materials ist.

4. Stützlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Formfaktor jeder Schicht (20) elastischen Materials im wesentlichen konstant ist oder mit sich vergrößerndem Radius derart ansteigt, daß die Kompressivbeanspruchung jeder Schicht elastischen Materials im wesentlichen konstant bleibt.