DE3028246A1

DE3028246A1 - Stuetzlager

Info

Publication number: DE3028246A1
Application number: DE3028246A
Authority: DE
Inventors: Robert R Peterson; Daniel S Ventura
Original assignee: Barry Wright Corp
Current assignee: Hutchinson Aerospace and Industry Inc
Priority date: 1979-07-26
Filing date: 1980-07-25
Publication date: 1981-02-12
Also published as: NL8003420A; FR2462608A1; IT8049063A0; IT1146134B; JPS6319739B2; US4291925A; GB2058284A; GB2058284B; CA1149433A; IL60249A0; DE3028246C2; CH652808A5; JPS5620827A; IL60249A; FR2462608B1

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. C U rt Wal I ach

Dip I.-1 ng. Günther Koch

3028246 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

ζ. Dipl.-Ing. Rainer Feldkarnp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 25. JÜli I98O

Unser Zeichen: l6 927 - K/Ap

Anmelder: Barry Wright Corporation

Pleasant Street
Watertown, Massachusetts
USA

Titel: "Stützlager"

Die Erfindung "bezieht sich, auf ein Stützlager in Schachtbauweise und insbesondere auf Lager, die aus abwechselnden, miteinander verbundenen Schichten aus elastischem Material, beispielsweise einem Elastomer, und einem nicht elastischen Material, beispielsweise Metall, bestehen.

Es ist bekannt, daß die Lastabstützfähigkeit-einer Schicht aus elastischem Material um ein Mehrfaches erhöht werden kann, indem man eine Unterteilung in mehrere Lagen vornimmt und diese Lagen durch dazwischengefügte Schichten aus nicht streckbarem Material voneinander trennt. Gleichzeitig wird jedoch die Fähigkeit des elastischen Materials, sich unter einer Scherbelastung in Richtung parallel zur Schicht zu verformen, im wesentlichen nicht beeinträchtigt. Dieses Konzept wurde benutzt bei einer großen Anzahl bekannter Stützlager, wie sie beispielsweise in den folgenden TJS-PSen beschrieben sind: 4 105 266, 4 040 690, 3 807 8%, 3 792 711, 3 941 433, 3 679 197, 3 429 622, 3 377 110, 2 99,5 907, 3 179 400, 2 900 182 und 2 752 766.

Eine beträchtliche kommerzielle "Vielfalt geschichteter Lager ist gekennzeichnet durch die abwechselnd miteinander verbundenen Lamellen, die konzentrisch um eine gemeinsame Mittelachse derart angeordnet sind, daß aufeinanderfolgende abwechselnde Schichten aus elastischem Material und aus nicht elastischem Material auf zunehmend größerem Radius von der gemeinsamen Mittelachse liegen. Diese Vielfalt an Lagern umfaßt verschiedene Pormausgestaltungen, und zwar insbesondere -Lager, die zylindrisch

oder konisch, gewöhnlich kegelstumpfförmig, sind oder welche Sektoren von Zylindern, Konen und Kugeln bilden.

Die Betriebscharakteristiken der geschichteten Lager haben zu einer allgemeinen Einführung in verschiedenen Formen, insbesondere auch bei Hubschraubern, geführt. Beispielsweise werden konisch gestaltete Lager als Hauptrotorlager benutzt. Bei einer solchen Anwendung sind konisch gestaltete Lager erforderlich, um die zyklische Torsionsbewegung um die Mittelachse aufnehmen zu können, wobei gleichzeitig eine große Kompressivlast längs der gleichen Achse abgestützt werden muß. Bei derartigen Lagern werden größere Kompressivbeanspruchungen und durch Kompression eingeführte Scherspannungen gebildet in (a) den elastischen Schichten, die der gemeinsamen Mittelachse am nächsten liegen, und (b) in jenen Abschnitten der elastischen Schichten, die der gemeinsamen Achse am nächsten sind. Dies hat zur Folge, daß ein Ausfall des Lagers durch Ermüdung infolge der kombinierten Belastung und Torsionsbewegung an der inneren elastischen Schicht aufzutreten pflegt, und insbesondere an dem Innenrandabschnitt dieser elastischen Schichten. Dabei muß berücksichtigt werden, daß die Ränder der elastomeren Schichten zwischen benachbarten nicht streckbaren Schichten unter Kompressionsbelastung zum Ausbuchten neigen, wodurch die Lebensdauer in ungünstiger Weise beeinflußt wird. Das Ausmaß der Ausbeulung hängt von dem Formfaktor ab, aber in jedem Falle· ist diese Ausbeulung, und die damit verknüpfte Abnutzung am Scheitel (innerer Umfang) kritischer als an der Basis (äußerer Umfang) der Ränder der konisch gestalteten Lager, weil die höheren Beanspruchungen im Scheitelbereich liegen. Demgemäß ist ein Lagerausfall

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gextföhnlich das Ergebnis einer Extrusion und Erosion oder einer Ermüdung der elastomeren Schichten an ihren Innenrändern.

Das fundamentale Konstruktionskriterium aller elastomeren Lager besteht darin, daß sie Belastungen sowohl hinsichtlich Kompression als auch Scherwirkung aufnehmen müssen. Außer der Berücksichtigung hinsichtlich der Abmessungen und Kosten ist es erwünscht, die Kompressionsbelastungskapazität derartiger Lager so groß wie möglich zu machen, ohne in ungünstiger Weise die Torsionsfederrate zu "beeinflussen und insbesondere die Fähigkeit der Lager nicht zu beeinträchtigen, einer Torsionsversetzung unter unterschiedlichen Größen wechselnder Bewegung zu widerstehen.. Gleichzeitig ist es erwünscht, die Stöße zu vermeiden und die Belastung zu verteilen. Eine optimale Kombination von Laststützfähigkeit, Federrate und Torsionsscherbeanspruchungsverteilung wird durch eine Anzahl von Faktoren bestimmt. Ein derartiger Faktor besteht darin, daß das elastomere Material Änderungen hinsichtlich seines Elastizität smoduls innerhalb eines Bereichs von Beanspruchungen unterworfen ist,und je nach der Zusammensetzung des Materials kann sich die Beanspruchungsverteilung in einer Schicht elastomeren Materials in hohem Maße über einem gegebenen Spektrum von Eingangsbedingungen ändern, d. h. unterschiedlichen statischen und dynamischen Belastungen und Bewegungen. Ein weiterer Faktor besteht darin, daß die Beanspruchungsverteilung sich innerhalb einer speziellen Schicht ändern kann und auch von Schicht zu Schicht, wenn unterschiedliche Eingangsbedingungen auftreten. In diesem Zusammenhang muß festgestellt werden, daß beispielsweise ein konisches Lager, welches bei einem

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Hubschrauber-Hauptrotorstützsystem erforderlich ist, dynamischen oder statischen Torsionsauslenkungen gleichzeitig mit dynamischen oder statischen Kompressionsbelastungen ausgesetzt ist. Die Scherbeanspruchung, die durch die Torsionsauslenkung hervorgerufen wird, ist nicht gleichförmig verteilt und ändert sich in der Verteilung als Punktion der Größe der Torsionsauslenkung. Außerdem xtferden Scherbeanspruchungen durch Anwendung von Kompressivbelastungen eingeführt, und zwar entweder in axialer oder in radialer Richtung, und diese induzierten Scherbeanspruchungen sind an den Rändern der elastomeren Schichten entlang des inneren Umfangs des Lagers am größten, und sie ändern sich mit der Größe der Kompressivlast.

Infolgedessen neigen laminierte Lager dazu, Änderungen in der Federrate oder Steifigkeit ausgesetzt zu werden, wenn sie unterschiedlichen statischen Belastungen oder unterschiedlichen Wechselbelastungen ausgesetzt werden. Das Beanspruchungsverhalten und die daraus resultierende Abnutzung kann einfach dadurch modifiziert werden, daß ein gegebenes elastomeres Material durch ein anderes ersetzt wird, welches einen unterschiedlichen Elastizitätsmodul besitzt, jedoch ist diese Lösung nicht zweckmäßig, da in nachteiliger Weise entweder die Torsionsfederraten oder die Torsionsbeanspruchungsverteilung beeinträchtigt werden können.

Bei der typischen Anwendung zur Abstützung der Hubschrauberrotorwelle muß die Pederrate des Lagers, welches einer Scherbelastung ausgesetzt ist, in bestimmten Grenzen bleiben. Eine Erhöhung der IPederrate ist nicht möglich, da dies die Leistungsfähigkeit eines Antriebs oder einer

anderen Vorrichtung erhöhen kann, die mit dem Lager gekuppelt ist, und/oder die Lebensdauer des Antriebs wird verringert. Außerdem kann das Ausbeulungsphänomen am äußeren Umfang des konischen Lagers nicht genügend schwerwiegend sein, um eine Änderung des Moduls zu erfordern. Andererseits kann eine Änderung des Elastizitätsmoduls die Torsionsfederrate am äußeren Umfang über annehmbare Grenzen hinaus erhöhen. In diesem Zusammenhang ist festzustellen, daß auf der Grundlage einer Computeranalyse der elastomeren Schichten eines konischen Lagers die Erhöhung des Elastizitätsmoduls der elastomeren Schicht einen größeren Beitrag zur Torsionsfederrate eines Elementes der Schicht liefert, die an der Basis liegt, als bei einem Element gleicher Länge, welches am Scheitelende angeordnet ist, weil eine Differenz zwischen den wirksamen Radien dieser Elemente besteht. Durch einfache Änderung des Moduls jeder Schicht im Sinne einer Reduzierung der durch Kompression induzierten Beanspruchungen an der Scheitelseite des Lagers wird daher gewöhnlich keine praktische Lösung erreicht, da es schwierig wird, eine optimale Kombination von durch Kompression induzierter Randscherbeanspruchung, einer Torsionsscherbeanspruchungsverteilung und einer geringstmöglichen Torsionsfederrate zu erhalten, wobei die Kosten, die Lebensdauer und die Betriebserfordernisse des Systems, bei dem das Lager Anwendung findet, eine weitere Rolle spielen.

Es vrarde auch erkannt, daß eine absolute Gleichförmigkeit der durch Kompression induzierten Scherbeanspruchungen innerhalb einer elastomeren Schicht eines konischen Lagers unmöglich zu erlangen ist, weil die Beanspruchungen von einem maximalen endlichen Wert an jedem äußeren Ende

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nach einem minimalen Wert an einem Punkt zwischen jenen Rändern absinken. Je gleichförmiger die durch Kompression induzierten Scherbeanspruchungen zwischen Scheil;el und Basisrändern werden, um so. weniger wahrscheinlich wird es, daß eine der Schichten sehr viel eher fehlerhaft wird als eine andere. Das gleiche gilt, wenn die Beanspruchungen in benachbarten Schichten an entsprechenden Punkten etwa gleich groß sind. Wegen der Differenzen zwischen dem Durchschnitt sr aäius der Schichten eines konis.ehen Lagers können die durch Kompression induzierten und durch Torsion induzierten Seherbeanspruchungen sich wesentlich von Schicht zu Schicht ändern, wenn alle elastomeren Schichten den gleichen Elastizitätsmodul und gleiche Dicke aufweisen.

Die US-PS 3 679 197 schlägt vor, die Lebensdauer der Lager dadurch zu verbessern, daß progressiv die Dicke aufeinanderfolgender Schichten elastischen Materials mit sich vergrößerndem Radius vergrößert wird, wobei gleichzeitig progressiv der Elastizitätsmodul dieser gleichen Schichten mit sich vergrößerndem Radius abnimmt. Diese Technik ist jedoch außerordentlich kostspielig, da jede elastomere Schicht aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden muß. Ein elastomeres Lager, welches aus fünfzehn elastischen Schichten besteht, würde dann fünfzehn unterschiedliche elastomere Materialien-erfordern. Dies könnte zwar durch Unterteilung eines elastomeren Materials in fünfzehn Einzelstütze erlangt werden, wenn jedes Einzelstück mit unterschiedlichen Mengen eines Zusatzes modifiziert wird, jedoch bleibt die Tatsache, daß es kostspielig und zeitaufwendig und daher unzweckmäßig ist, unterschiedliches Material für jede elastische

Schicht vorzusehen. Außerdem muß sorgfältig darauf geachtet werden, daß die Materialien genau identifizierbar sind und daß sie ordnungsgemäß mit absinkenden Elastizitätsmoduln angeordnet werden, wenn der Radius ansteigt. Bei Verx-rendung einer relativ großen Anzahl elastomerer Schichten ist es auch nachteilig, wenn die Lager bei relativ niedrigen Temperaturen, beispielsweise zwischen -H3 C bis -17 C, benutzt xverden. Da unterschiedliche elastomere Materialien ein unterschiedliches Verhalten zeigen, wenn die Temperatur absinkt, können jeweils nur gewisse elastomere Schichten bei einem solchen Lager wirksam werden, wenn das Lager kalt ist, wodurch ein ordnungsgemäßes Lagerverhalten verhindert wird und eine Beschleunigung der Lagerzerstörung infolge ungleicher Beanspruchungsverteilung von Schicht zu Schicht zu befürchten ist.

Me US-PS M- 105 266 bezieht sich auf ein nichtkonisches Lager und hier wird vorgeschlagen, durch Klassifizierung der elastomeren Schichten eine solche Anordnung zu treffen, daß radial sich ändernde Elastizitätsmoduln vorhanden sind, wodurch es möglich wird, Veränderungen zwischen den Kompressionsscherbeanspruchungen am inneren und äußeren Umfang der Schichten zu vermindern. Dabei wird vorgeschlagen, daß jede Schicht wenigstens drei Elastizitätsmoduln besitzt, wobei die Moduln progressiv von Zone zu Zone in Radialrichtung in jeder Lage vom Umfangsrand der Schicht abnehmen, der der größten Kompressionsscherbeanspruchung unterworfen ist, wenn die Lage einen konstanten Nennelastizitätsmodul besitzt. Weiter wird in der obengenannten US-PS vorgeschlagen, daß jede Schicht einen inneren und einen äußeren Umfangsabschnitt aufweisen kann,

die Elastizitätsmoduln X bzw. Z aufweisen, während der Mittelabschnitt einen Elastizitätsmodul von Y besitzt, wobei X'> Y > Z ist. Es wird hier jedoch Iceine einfache Lösung des Problems des Ausgleichs von Beanspruchungen von Schicht zu Schicht gegeben, wenn gleichzeitig die Nichtgleichformigkeit der durch Kompression induzierten Scherbeanspruchungen in jeder Lage vermindert werden soll und die Gesamttorsionsfederrate des Lagers auf einem niedrigen Wert gehalten werden soll. Im Gegensatz zu der " US-PS 3 679 197 oder der US-PS 3 179 40O, jedoch ebenso wie bei dem Lager nach der US-PS 3 94-1 4-33 erfordert das Lager nach der US-PS 4- 105 266 keine Änderungen der relativen Dicken der elastomeren Schichten. Die unterschiedlichen Elastizitätsmoduln sind nicht immer die gleichen von Schicht zu Schicht und einige Schichten sind entgegengesetzt zur anderen eingestellt. Es wird außerdem die Verwendung progressiv steiferer Elastomerer in den Lagen benachbart zum oberen Ende der Platte dieses Lagers vorgeschlagen und progressiv weichere Elastomere in den Schichten benachbart zur unteren Lagerendpiatte, so daß im wesentlichen ein Ausgleich der durch Kompression induzierten Beanspruchungen über das Lager erfolgt, ohne wesentlich die Torsionsfederrate zu beeinträchtigen. Diese Lösung scheint daher beschränkt auf eine Federrateneinstellung und Lastkapazität auf der Basis von Schicht zu Schicht, da die Änderungen, denen die elastomeren Schichten unterworfen werden müssen, Änderungen erfordern bei (a) der Einstellung des Moduls durch Änderung des verwendeten Materials und (b) durch die relative Lage der Abschnitte mit unterschiedlichem Modul in jeder Schicht und (c) der Dicke jeder Schicht. In allen Fällen erfordert die Lösung gemäß der US-PS ¹V 105 266 drei unterschiedliche

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elastoiaere Materialien, um eine Abstufung zu erhalten, die eine verbesserte Beanspruchungsverteilune: gewährleistet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung laminierter Lager der beschriebenen Bauart zu schaffen, wobei eine relativ große Anzahl elastischer Schichten Anwendung findet, die jeweils einen unterschiedlichen wirksamen Elastizitätsmodul ergeben, wobei zwei unterschiedliche elastische Materialien Anwendung finden.

Weiter bezweckt die Erfindung die Verbesserung der Lebensdauer eines laminierten Stützlagars und insbesondere die Schaffung eines elastomeren Lagers, das nicht nur eine hohe Kompressivbelastung mit einem zulässigen Scherverhältnis kombiniert, sondern auch eine verbesserte Lebensdauer bei kalten Temperaturen aufweist.

Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Lagers, bei dem wenigstens einige der elastomeren Schichten radial sich ändernde Elastizitätsmoduln aufweisen, wodurch Veränderungen zwischen durch Kompression eingeleiteten Scherbeanspruchungen am inneren und äußeren Umfang jeder Schicht vermindert werden.

Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Lagers mit elastomeren Schichten konstanter Dicke, die so geformt sind, daß die Beanspruchungen infolge von Torsion von Schicht zu Schicht ausgeglichen werden, wodurch eine gleichförmigere Alterung der Schichten unter zyklischen Torsionsbewegungen erreicht wird.

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¥eitere Ziele der Erfindung bestehen darin, eine gleichmäßige, durch Kompression induzierte Scherbeanspruchungsverteilung in jeder Lage des Schichtenkörpers eines konisch gestalteten Lagers zu erreichen, wobei niedrige Torsionsfederraten und hohe Belastungskapazitäten erreicht werden. Es soll die Beanspruchungsverteilung, verursacht durch Torsionsauslenkungen um die zentrale Lagerachse, optimiert werden. Es soll der Stoß auf die Torsionsbeanspruchungsverteilung vermindert werden, der von der Änderung der dynamisehen Torsionsbeanspruchung herrührt, und ferner soll die Benutzung einer großen Zahl unterschiedlicher elastomerer Materialien vermieden werden, durch die die Beanspruchungsverteilung optimiert wird.

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

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein kegelstumpfförmig gestaltetes Schichtlager vorgesehen, wobei wenigstens einige der elastomeren Lagen in ihrer Zusammensetzung so abgestuft sind, daß sie einen ersten hohen Elastizitätsmodul am Scheitel (inneren Umfang) des Lagers besitzen, um einer Aufwölbung zu widerstehen, während ein zweiter, niedrigerer Elastizitätsmodul an der Basis (am äußeren Umfang) des Lagers vorhanden ist, nämliGh dort, wo ein Auswölben weniger ausgeprägt ist, und wobei die Abstufung der Zusammensetzung so gewählt ist, daß eine optimale Kombination von durch Kompression induzierten Scherbeanspruchungen, einer Torsionsscherbeanspruchungsverteilung und geringstmöglicher Federraten Anwendung findet, und zwar gemäß der

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erwünschten Verlängerung der Lebensdauer.

Diese Abstufung wird dadurch erreicht, daß die elastomeren. Lagen so ausgebildet werden, daß sie zwei Abschnitte von elastonierem Material besitzen, die seitlich aneinanderschließen, wobei die relativen Größen der beiden Abschnitte von Schicht zu Schicht so geändert sind, daß ein xirirksamer oder zusammengesetzter Elastizitätsmodul mit einem gewählten Wert erhalten wird, der so berechnet ist, daß die Torsionsscherbeanspruchungsverteilung unter allen Lasteingangsbedingungen konstant bleibt, auch wenn die Torsionsversetzungsgröße sich ändert, während gleichzeitig eine hohe Kompressionssteifigkeit erhalten bleibt.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt der Einzelteile eines konisch gestalteten Lageraufbaus gemäß der Erfindung in einem Zustand, den die Bestandteile einnehmen, bevor eine Formung und Verbindung der elastischen Materialien mit den zugeordneten metallischen Teilen stattfindet,

Fig. 2 eine Kurvenschar, welche die Änderung des Schermoduls verschiedener elastomerer Aufbauten bei Änderungen der Beanspruchung darstellen, der die Aufbauten unter gleichen Versetzungsbedingungen ausgesetzt sind.

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Im breitesten Sinne "benutzt die Erfindung zxvei elastomere Lager, von denen das erste einen relativ hohen Modul und das zweite einen relativ niedrigen Modul aufweist, die in geeigneter Weise angeordnet und innerhalb der meisten oder sämtlicher elastomeren Schichten des laminierten Lagers so angeordnet sind, daß die Beanspruchungsverteilung auf Schicht-zu-Schicht-Basis günstig ausgeglichen wird und in jeder Schicht ein optimaler· Ausgleich der Beanspruchungsverteilung der Auswölbung und der Federrate erreicht wird. Die Zahl der Schichten, die die beiden unterschiedlichen elastomeren Lager aufweisen, und die relativen Breiten der elastomeren Lager in jedem mehrlagigen Lager kann gemäß der Größe und Gestalt des Lagers unterschiedlich sein und auch in Abhängigkeit von dem Elastizitätsmodul der elastomeren Materialien, die jeweils Anwendung finden, und im Hinblick auf die Lasten, denen das Lager unterworfen wird. Einige der Schichten können außerdem Abschnitte mit relativ hohem elastomerem Modul haben und andere mit einem relativ niedrigen Modul bei identischer oder fast identischer Breite, insbesondere in den äußeren Schichten, wo die wirksamen Moduln der Schichten noch besser angenähert v/erden können, da die Beanspruchungsverteilung weniger schwierig auf Schichtzu-Schicht-Basis am äußeren Umfang des Lagers ist. Die Elastizitätsmoduln unterschiedlicher Lager der elastomeren oder der unterschiedlichen Abschnitte einer individuellen elastomeren Schicht können durch Benutzung elastomerer Füllmaterialien bei der Herstellung des Lagers beeinflußt werden. Bei einem Verfahren zur Erzeugung eines elastomeren laminierten Lagers können die elastomeren Schichten aus elastomeren Blättern ausgeschnitten und durch Hand zusammen mit Schichten nicht dehnbaren

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Materials gestapelt werden. Wenn Hitze und Druck ausgeübt werden, um die nlastomeren und nicht ausdehnbaren Schichten miteinander zu verbinden, dann kann ein Elastomermaterial, das einen Elastizitätsmodul gleich oder unterschiedlich dem Elastizitätsmodul der Schichten besitzt, in die Form für das Lager eingesetzt werden, um den üOrcidruck zu erzeugen und die Spalte auszufüllen und urn die elastomeren Materialien in voller Größe auszubilden. Diese ubertragungs- oder FuI1materialien aus elastomeren Material können mit dem Grundelastomerlager in den Schichten gemischt sein, wodurch sich ihre Elastizitätsmoduln ändern, oder das Füllmaterial kann eine dünne Schicht längs einer oder beider Oberflächen des ringförmigen Lagers aufweisen. Um zu unterscheiden zwischen (a) dem Elastizitätsmodul des basig elastomeren Lagers in einer Lage des Elastomerkörpers oder dem kombinierten wirksamen Modul zweier Grundlager mit unterschiedlichem Elastizitätsmodul in der Schicht und (b) dem Elastizitätsmodul der gleichen Grundlager bei Mischung mit geringen Mengen von Füllmaterial oder aus Füllmaterial selbst,x^renn ein relativ dünner oder schmaler Oberflächenüberzug auf der Schicht des Grundelastomerlagers angeordnet wird, wird der Elastizitätsmodul des Grundlagers des Elastomeres in einer Elastomerschicht benutzt,und der wirksame kombinierte Modul der Grundlager unterschiedlicher Moduln in einer Schicht-wird als "Nenn-Elastizitätsmodul" der Lager bezeichnet. Der Zusatz geringer Mengen von Füllmaterial beeinträchtigt den Nenn-Elastizitätsmodul wahrscheinlich nicht in einem großen Ausmaß, d. h. so weit, daß der Zweck der Erfindung nicht erreicht würde. In gleicher Weise kann das Vorhandensein eines dünnen Überzugs von Füllelastomer auf einer Schicht eines elastomeren

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Grundkörpers ignoriert werden. Typische Füllmaterialien oder Übertragungsmaterialien nehmen etwa 15 % oder weniger des Volumens einer elastomeren Schicht in einem laminierten elastomeren Lager ein.

Fig. 2 veranschaulicht, wie der Scherelastizitätsmodul einer Zahl unterschiedlicher Elastomerverbindungen gemäß der Beanspruchung sich ändern kann, der jeder elastomere Körper ausgesetzt ist. Diese Kurven wurden dadurch erhalten, daß die Modelle jeder Zusammensetzung einer Scherbeanspruchung "bei 29,9 ⁰C ausgesetzt wurden, während keine Kompressivlast aufgebracht war. Die verschiedenen Zusammensetzungen wurden von einem einzigen Gummigrundkörper gewonnen und dadurch erzeugt, daß unterschiedliche Mengen von Kohlenstoff in den Grundkörper eingebaut wurden.

Aus dem Vergleich der Kurve A mit den Kurven G oder H ergibt sich, daß relativ weiches Material mit niedrigem Modul eine Anpassung an sich ändernde Beanspruchungen ergibt mit einer geringeren Wirkung auf den Schermodul als bei einem relativ steifen Material mit hohem Modul. Bei 50-%iger Beanspruchung ist die Differenz zwischen den Schermoduln der Zusammensetzungen, die durch die KurvenA. und G oder H repräsentiert werden, beträchtlich kleiner als bei 5-%lgev Beanspruchung. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies: Je höher die Beanspruchung, der das Elastomer mit relativ hohem Schermodul ausgesetzt ist, desto mehr sucht es sich wie ein Elastomer zu verhalten, das einen relativ geringen Schermodul besitzt.

Die Erfindung macht von den Vorteilen des Verhaltens gemäß der Darstellung nach Fig. 2 Gebrauch, indem ein

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elastomeres laager mit zwei unterschiedlichen elastomeren Zusammensetzungen benutzt wird, wobei das eine relativ kleine Änderungen im Schermodul (sowohl statisch als auch dynamisch) über einen weiten Bereich von Beanspruchungsamplituden aufweist, während das andere Material so gewählt ist, daß größere Änderungen des Schermoduls unter Belastungen im gleichen Größenbereich auftreten. Indem die beiden Zusammensetzungen in geeigneter Weise in einer oder mehreren elastomeren Schichten proportioniert werden, wird es möglich, ein Lager zu schaffen, bei dem die Verteilung von durch Torsion induzierten Beanspruchungen fast konstant über das gesamte Lager bei unterschiedlichen Bewegungen innerhalb eines Bewegungsbereichs gehalten werden kann, dem das Lager anzupassen ist, oder sie wird wenigstens so konstant gehalten, wie es der Fall ware, wo, wie Schmidt lehrt, jede elastische Schicht aus einem elastomeren Material besteht. Im letzteren Fall hat jedes Material einen unterschiedlichen Modul unter jeder Eingangsbedingung, so daß eine Optimierung der Beanspruchungsverteilung über alle Schichten über den Gesamtbereich von zu erwartenden Beanspruchungen sehr schwierig ist.

Um die Belastungsverteilung zu optimieren, wird jede elastische Schicht eines zu entwerfenden Lagers einer computerisierten Elementenanalyse unterworfen, um die Belastungen in unterschiedlichen Abschnitten jeder Schicht für zwei unterschiedliche elastomere Materialien zu bestimmen, von denen das eine relativ steif ist und das andere relativ weich. Die Lage wird jexveils hinsichtlich der maximalen und minimalen Belastung analysiert, der das Lager ausgesetzt werden soll, d. h. 50 % bzw. 5 % der

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Belastung. Nachdem die Belastungen, die durch jedes durch Computer analysierte Element jeder Schicht festgelegt sind (im typischen Fall wird jede Schicht durch den Computer in 15 gleichbreite Elemente unterteilt), bei maximalen und minimalen Bedingungen für jedes der beiden Elastomere bestimmt sind, wird es möglich zu berechnen, v/elcher Anteil der Breite jeder Schicht aus jedem der beiden Elastomere hergestellt werden muß, um die Belastung auf einer Schicht an der Schichtbasis bei maximalen und mini-, malen Bei astungseingängen auszugleichen (in diesem Zusammenhang bezieht sich der Ausdruck "Breite" auf die Abmessung parallel zu den Schichten des nicht dehnbaren Materials gemäß Fig. 2). Das Ergebnis bei einem konisch gestalteten oder kegelstumpfförmigen Lager besteht darin, daß in jeder Doppelmateriallage das steifere Material am Innenrand vorhanden ist und sich nach dem äußeren Umfang erstreckt, während das weichere Material am Außenrand angeordnet ist Lind sich nach dem inneren Umfang weit genug erstreckt, um an dem steiferen Material anzustoßen. Außerdem nimmt die Breite des weicheren Materials gewöhnlich mit dem durchschnittlichen Radius der einzelnen Schichten zu und ist am größten an der äußersten Doppelmaterial schicht und am kleinsten an der inneren Doppelmaterialschicht .

Fig. 1 veranschaulicht ein spezielles Ausführungsbeispiel eines kegelstumpfförmig laminierten Lagers, welches geeignet ist und benutzt wird als Lager zur Abstützung der Hauptrotorwelle bei einem Hubschrauber. Das Lager weist zwei starre Metallringe 2 und M- auf, die kegelstumpfförmige innere bzw. äußere Oberflächen 6 bzw. 8 besitzen. Bei dem fertigen Lager wechseln Verbundschichten aus

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elastischem Material 10 und nicht elastischem Material ab und diese Verbundschiene en liegen zxirischen den Ringen 2 und 4-, deren Oberflächen 6 und 8 an einer Schicht aus elastischem Material festgelegt sind. Das Lager besitzt drei Schichten aus elastischem Material. Das elastische Material ist zweckmäßigere is e ein Elastomer, beispielsweise natürlicher oder künstlicher Gummi, jedoch kann auch ein geeignetes Plastikmaterial mit elastomeren Eigenschaften Anwendung finden. Das nicht dehnbare Material kann Stahl sein oder ein anderes nicht dehnbares Material, beispielsweise ein anderes Metall wie Aluminium oder Titan, oder es können Blätter aus Glasfasern oder verstärktem Plastikmaterial Anwendung finden. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß die Schichten 10 und 12 kegelstumpfförmig sind und allgemein parallel und koaxial zu den Oberflächen 6 und 8 der beiden starren Metallringe verlaufen.

Die Schichten 10 und 12 besitzen gleiche Dicke und die nicht ausdehnbaren Schichten 12, die gewöhnlich als ^!IAusgleichsringe" bezeichnet werden, sind dünner als die elastischen Schichten. Falls erforderlich, können die Ausgleichsringe so dick wie die elastischen Schichten oder auch dicker als diese gestaltet werden. Zusätzlich sind die elastischen Schichten so gestaltet, daß sie eine größere Steifigkeit an ihrem inneren Umfang aufweisen als an ihrem äußeren Umfang und so, daß eine gleichmäßigere Belastungsverteilung in jeder Schicht erhalten wird und auch von Schicht zu Schicht. Dies wird dadurch erreicht, daß die elastischen Schichten 10 aus zwei unterschiedlichen elastischen Materialien hergestellt werden, die in der ¥eise,wie aus Fig. 1 ersichtlich, angeordnet

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werden. Je nach der erforderlichen Charakteristik des Lagers können die verschiedenen elastoraeren Schichten Abschnitte identischer Breite sein, aber sie müssen es nicht. .

Die erste oder äußerste elastische Schicht 1OA wird dadurch hergestellt, daß auf der inneren Oberfläche 6 des Endrings-2 zwei elastomere Materialien aufgebracht werden, die als kegelstumpfförmige Abschnitte 101 und 102 ausgebildet sind, wobei der Abschnitt 101 aus einem elastomer en Material besteht, das einen vorbestimmten relativ hohen Elastizitätsmodul besitzt, während der Abschnitt 102 aus einem elastomeren Material besteht, das einen Elastizitätsmodul aufweist, der kleiner ist als der Elastizitätsmodul des Abschnitts 101. Die Abschnitte werden so aufeinander gebracht, daß sie in der dargestellten Weise aneinanderliegen. Dann wird ein Ausgleichsring 12 über dieser Verbundschicht angeordnet und es wird die zweite Doppelschicht 1CB über diesem Ausgleichsring angeordnet. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zweite Schicht mit der ersten Schicht im wesentlichen identisch mit dem Unterschied, daß der Abschnitt 102 der zweiten Schicht in der Breite kleiner ist als der entsprechende Abschnitt der ersten Schicht. Die beiden Abschnitte 101 und 102 der zweiten Schicht können überall die gesamte Breite wie die kombinierten Abschnitte der ersten Schicht haben, sie müssen es jedoch nicht, und das gleiche gilt für die dritte Schicht.

Die dritte elastomere Schicht 1OC wird in der gleichen Weise vorbereitet, indem zunächst ein zweiter Ausgleichsring über die zweite Verbundschicht gefügt wird und daß

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dann eine weitere aus zwei Schichten bestehende Verbundschicht über den zweiten Ausgleichsring gefügt wird. In dieser Verbundschicht ist der Abschnitt 102 wiederum kleiner als der Abschnitt 102 der zweiten Verbundschicht .

Nachdem die drei elastischen Schichten übereinandergefügt sind, wird der andere Endring 4- mit der elastischen Schicht 10C in Berührung gebracht und dann werden die ineinandergeschachtelten Teile in einer Form unter Anwendung von Hitze und Druck so zusammengebracht, daß die Abschnitte der Doppelverbund-Elastomerschichten aneinander haften und ebenso an den benachbarten Abstandsringen 12 bzw. den Endringen 2 oder ^Lv. Bei dem fertigen Lager sind die Gruppen der elastischen Abschnitte 101 und 102 so integriert, daß jeweils eine einzige elastische Verbundschicht gebildet wird.

Beim Ausformen der Schichten kann zusätzliches elastomeres Material in die Form des Lagers eingespritzt werden, um einen genügenden Formdruck zu erzielen und um möglicherweise zwischen den verschiedenen Abschnitten des elastomer en Materials vorhandene Spalte auszufüllen und um das elastomere Schichtenmaterial hohlraumfrei zu gestalten. Dieses elastomere Füllmaterial besitzt vorzugsweise einen Elastizitätsmodul, der gleich ist dem Elastizitätsmodul des Abschnitts 102, aber es kann auch ein Material mit größerem oder kleinerem Elastizitätsmodul Anwendung finden. In jedem Fall nimmt das Füllmaterial ein Volumen ein, welches etwa 15 % oder weniger ist als das Volumen jeder elastomeren Schicht innerhalb des Lagers.

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Das beschriebene Herstellungsverfahren ist besonders zweckmäßig, wenn das elastomere Material unter Wärme und Druck verschmolzen und verformt werden kann. Wenn das elastische Material ein Gummi ist, dann erfolgt eine Vulkanisation. Weitere Gesichtspunkte, die beim Aufbau und bei der Verbindung der elastischen Schichten, der metallischen Zwischenringe und der Lagerkörper 2 und ^L\- zu beachten sind, ergeben sich für den Fachmann von selbst und brauchen daher nicht im einzelnen hier diskutiert zu werden.

Wie oben erwähnt, sind die Abschnitte 101 und 102 in geeigneter V/eise angeordnet und so proportioniert, daß die Beanspruchungsverteilung gleichmäßig wird und ein optimaler Belastungsausgleich der Spannungsverteilungsverformung und der Federrate erreicht wird. Ein Material mit relativ hohem Modul in Form der Abschnitte 101 wird am Scheitel oder am inneren Umfang des Lagers benutzt, um einem Ausbeulen am inneren Rand des Lagers entgegenzuwirken, da Abnutzungs- und Scherbeanspruchungen, die durch Kompression induziert werden, an jenem Rand historisch am höchsten sind. Andererseits ist die Verhinderung der Ausbeulung nicht so schwerwiegend an der Basis oder am äußeren Umfang des Lagers. Infolgedessen ist es möglich, ein Material 102 mit einem niedrigeren Modul in jenem Bereich des Lagers vorzusehen. Wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel brauchen die elastomeren Schichten 10 und die Zwischenringe 12 nicht die gleiche Breite zu besitzen. Vorzugsweise nimmt jedoch die Breite der Schichten 10 und der Zwischenringe 12 mit ansteigendem Abstand von der Mittelachse des Lagers ab.

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Die oben beschriebene Anordnung stellt nicht die einzige Möglichkeit dar, die Erfindimg zu. praktizieren, da die relativen Proportionen der Abschnitte 101 und 102 sowie die Gesamtzahl von Lagen und die Zahl der Doppellagen von der Größe und den voraussichtlichen Arbeitsbedingungen des Lagers abhängen und außerdem vom Modul des zur Herstellung der elastomeren Schichten benutzten Materials. Ein Lager, das die Erfindung verwirklicht, kann eine relativ große Zahl elastomerer Schichten besitzen, beispielsweise vierzehn Schichten, und einige der Schichten, wie z. B. jene, die am dichtesten der Mittelachse des Lagers benachbart sind, und/oder diejenigen, die am weitesten hiervon entfernt sind, können aus einem einzigen elastomeren Material bestehen, das entweder aus dem Elastomer besteht, welches für die Doppellagen benutzt wird, oder es kann ein zusätzliches Elastomer mit einem unterschiedlichen Modul benutzt \irerden. Die relativen Abmessungen der Abschnitte 101 und 102 der elastomeren Schichten, die erforderlich sind, um eine gleichförmige Beanspruchungsverteilung über den erwarteten Bereich von Belastungen zu erhalten, können durch Computeranalyse bestimmt werden, wobei ein Programm Anwendung finden kann, welches abgeleitet ist von dem TEX-GAP-Programm, wie dies in der ÜS-PS ^l\ 105 206 beschrieben ist.

Das nachscehend beschriebene Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar und weist die erfindungsgemäßen Vorteile auf:

Beispiel

Ein"kegelstumpfförmiges Lager mit drei elastomeren Schichten wie in der Zeichnung dargestellt kann gemäß der Erfindung in der Weise hergestellt werden, daß die elastomeren Schichten und die dazwischengefugten Metallringscheiben eine Dicke von 2,5 mm bzw. 1,27 mm besitzen und die Abschnitte der einzelnen elastomeren Schichten eine Breite wie folgt aufweisen:

Schicht	Abschnitt 101	Abschnitt 102
(1OA)	0,0	55,4 mm
(10B)	14,7 mm	40,6 mm
(10C)	27,2 mm	28,2 mm

Bei diesem Lager bestehen die Abschnitte 101 aus einem Material, das einen Scherelastizitätsmodul von 15,87 bar besitzt (230 psi), und die Abschnitte 102 bestehen aus einem Material, das einen Scherelastizitätsmodul von 5,87 bar (85 psi) besitzt. Diese Werte sind Nennwerte für die Elastizitätsmoduln und die Materialien, die die Abschnitte 101 und 102 bilden, sind im wesentlichen die gleichen Materialien mit einem unterschiedlichen Modul, was durch Änderung des Zusatzes von Kohlenstoff erreicht wird, der dem elastomeren Material zugesetzt wird.

Die innere Oberfläche 6 des äußeren Ringes 2 des Lagers besitzt einen Durchmesser von 60,5 mm und 119,2 mm am

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anderen Ende, während die äußere Oberfläche des inneren Lagerringes 4 einen Durchmesser von 42,9 mm an einem Ende und von 101,6 mm am anderen Ende aufweist.

Ein gemäß der Erfindung hergestelltes Lager, welches die obigen Charakteristiken aufweist, besitzt eine axiale Gesamtfedersteifigkeit von 101,7 kg/cm (882 000 lb/in) und eine Gesamttorsionssteifigkeit von 386 und im we-

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sentlichen ausgeglichene Scherbeanspruchungen von Lage zu Lage, was eine gleichförmige Alterung unter zyklischen Torsionsbewegungen gewährleistet.

Im Gegensatz dazu zeigt ein Lager gleicher Größe, xvelches aus Materialien unterschiedlicher Elastomere in ;jeder Schicht hergestellt ist, bei im wesentlichen gleicher Beanspruchung in allen drei Schichten bei 50-7oiger Belastung, aber eine im wesentlichen nicht gleichförmige Belastungsverteilung bei 5-/=ig^er Belastung wegen der Belastungsabhängigkeit des Elastomers, wie dies aus den Kurven in Fig. 2 ersichtlich ist.

Die Erfindung kann auch auf andere Weise verwirklicht werden. So brauchen nur einige der elastotneren Schichten in zwei Abschnitten hergestellt zu sein, wobei die Schichten eine unterschiedliche Dicke aufweisen können, und es könnte eingespritztes Füllmaterial benutzt werden, welches zur Dämpfung dient, und die Lager könnten auch eine unterschiedliche Zahl elastischer Schichten aufweisen.

Die Erfindung ist auch anwendbar auf Lager anderer Form. So könnte das Lager einem Vollkonus angenähert sein oder

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es könnte ein zylindrisches Lager sein, wobei Abschnitte der elastomeren Schichten in einem Winkel gegenüber der gemeinsamen Achse angestellt sind, wie dies in der US-PS 4 640 690 und der US-PS 4 105 266 (Fig. 1) beschrieben ist. Die Lager oder Teile hiervon können kugelförmig ausgebildet sein, wie beispielsweise die Lager gemäß den US-PSen 4 105 266 (Fig. 6), 3 429 622,. 3 941 433, 2. 900 182 (Fig. S) und 3 790 302 (Fig. 3, Lagereinheit 80). In jedem Fall kann jedoch der gleiche Vorteil erlangt werden, beispielsweise können Lager vorgewählter Kompressionsund Torsionsbelastung hergestellt werden, indem nur zwei unterschiedliche Materialien Anwendung finden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Lager mit einer besseren gleichförmigen Scherspannungsverteilung hergestellt werden können ohne Verlust einer ausreichenden Steuermöglichkeit, wodurch einem Lagerausfall als Folge von Extrusion und Eeiberosion vorgebeugt wird, wenn das Lager wiederholten Laständerungen unterworfen wird.

Außerdem ist es möglich und in gleicher Weise wichtig, die Lagertorsionsfederrate so einstellen zu können, daß die Kraft vermindert wird, die erforderlich ist, um \ron einem Antrieb, z. B. einem Hydraulikkolben, ausgeübt zu werden, wodurch die Lebensdauer erhöht und die Betriebssicherheit des Antriebs verbessert werden und/oder ein kleinerer Antrieb Anwendung finden kann.

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Claims

Patentanwälte Di pi.-1 ng. Curt Wallach Dipl.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys.Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 25. Juli I98O

Unser Zeichen: "K W K/STu

Patentansprüche

M. Stützlager in Schichtenaufbau, bestehend aus mehreren miteinander abwechselnden und miteinander verbundenen Schichten aus elastomerem Material bzw. nicht dehnbarem Material, die um eine gemeinsame Achse herum derart angeordnet sind, daß das Lager Kompressivbelastungen abstützen kann, die senkrecht zu den Schichten aufgebracht werden, und außerdem Torsionslasten aufnehmen kann, die um die Achse herum aufgeprägt werden, wobei jede Schicht gegenüber der Achse einen radial inneren Umfang und einen radial äußeren Umfang besitzt, dadurch gekennz eichn e t , daß wenigstens eine der elastomeren Schichten aus einem ersten Abschnitt am äußeren Umfang besteht, der einen ersten Eennelastizitätsmodul besitzt, der relativ kleinen Änderungen über einen relativ weiten Beanspruchungsbereich unterworfen ist, und außerdem einen zweiten Abschnitt am inneren Umfang, der einen zweiten Nennelastizitätsmodul besitzt, welcher beträchtlich größeren Änderungen in wenigstens einem Abschnitt des Beanspruchungsbereichs ausgesetzt ist, wobei die ersten und zweiten

Abschnitte In der Größe so bemessen sind, daß das Lager eine ScherbecrLspruchungsverteilung aufweist, die gleichförmiger ist und konstant für unterschiedliche Eingangsbewegungen um diese Achse als es der Fall vräre bei elastomeren Schichten mit konstanten Kennelastizität smoduln.
2. Stützlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten kegelstumpfförmig sind.
3- Stützlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere elastomere Schichten durch erste und zweite Abschnitte gekennzeichnet sind.
M-. Stützlager nach Anspruch 3₅ dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Schichten die gleiche Dicke aufweisen.
5· Stützlager nach Anspruch 3₅ dadurch gekennzeichnet, daß die relativen Größen der ersten und zweiten Abschnitte nicht konstant sind.
6. Stützlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der ersten und zweiten Abschnitte in ihrer Größe als Funktion des Abstandes von der gemeinsamen Achse bemessen sind.
7· Stützlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Elastomerschichten die gleiche Dicke aufweisen.
8. Stützlager nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Abschnitte in ihrer Größe so proportioniert sind und solche Elastizitätsmoduln aufweisen, daß die Steifheit des Lagers für unterschiedliche Größen von Torsionsversetzungen im wesentlichen konstant bleibt und die elastomeren Schichten im wesentlichen einer gleichen Scherbeanspruchung unterworfen werden, wenn sie solchen Winkelversetzungen ausgesetzt werden.
9. Stützlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennz eichnet , daß wenigstens eine elastomere Schicht aus zwei Abschnitten mit unterschiedlichen elastomeren Materialien besteht, die so angeordnet sind, daß die eine Schicht einen höheren nominellen Elastizitätsmodul benachbart zum inneren Umfang aufweist als benachbart zum äußeren Umfang, daß die Differenzen zwischen den iFennelastizitätsmoduln der beiden Abschnitte derart ist, daß das Verhältnis der Scherbeanspruchung infolge der vorbestimmten kompressiven Belastung in der Nähe eines Umfangs wenigstens einer Schicht zur Scherbeanspruchung infolge der vorbestimmten Kompressivlast benachbart zum anderen Umfang der einen Schicht kleiner ist als das entsprechende Verhältnis der Scherbeanspruchungen in der einen Schicht, wenn sie aus nur einem Material bestehen würde und einen konstanten Nennelastizitäts-

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modul aufweisen würde.
10. Stützlager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede elastomere Schicht aus zwei Abschnitten besteht, die unterschiedliche elastomere Materialien aufweisen.
11. Stützlager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen nicht flexibles Endglied an jedem Ende des Lagers angeordnet ist und daß jedes Endglied eine Oberflächenkontur aufweist, die jener der Schichten angepaßt ist und die mit benachbarten elastomeren Schichten verbunden sind.