DE3028246C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Stützlager in Schichtenaufbau, bestehend aus mehreren abwechselnd aufeinanderfolgenden und miteinander verbundenen Schichten aus elastomeren bzw. starrem Material, die um eine gemeinsame Achse herum im wesentlichen auf Kegelstumpf-Mantelflächen 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 und elastomere Schichten vorkommen, welche in verschiedenen Umfangsabschnitten unterschiedliche Nennelastizitätsmoduln aufweisen.

Derartige Stützlager sind aus der DE-OS 28 19 306 (Fig. 1) und der US-PS 39 41 433 bekannt. Hierbei weisen die elastomeren Schichten jeweils drei Abschnitte mit unterschiedlichen Nennelastizitätsmoduln auf, nämlich einen radial äußeren Abschnitt und einen radial inneren Abschnitt mit relativ hohem Nennelastizitätsmodul und einem mittleren Abschnitt mit geringerem Elastizitätsmodul, d. h. die inneren und äußeren Abschnitte sind von gleicher Beschaffenheit und relativ hart, während der mittlere Abschnitt weich ausgebildet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein gattungsgemäßes Stützlager mit optimaler Beanspruchungsverteilung zu schaffen, welches in den elastomeren Schichten mit nur zwei Abschnitten mit unterschiedlichem Nennelastizitätsmodul auskommt.

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

Bei dem Stützlager nach der US-PS 39 41 433 haben die beiden äußeren harten Abschnitte und der innere weiche Abschnitt in allen Schichten die gleiche radiale Abmessung. Bei dem Stützlager nach der DE-OS 28 19 306 vergrößert sich die Gesamtlänge der Schichten von außen nach innen her und der prozentuale Anteil der weichen inneren Schicht nimmt von außen nach innen ab.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß auf die radial äußere (harte) Schicht mit hohem Nennelastizitätsmodul verzichtet werden kann, wenn die Verteilung der harten und weichen Abschnitte entsprechend den Lehren des Patentanspruchs 1 erfolgt.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt eines erfindungsgemäß ausgebildeten Stützlagers;

Fig. 2 eine Kurvenschar, welche die Änderung des Nennelastizitätsmoduls verschiedener elastomerer Aufbauten bei unterschiedlichen Betrachtungen erkennen lassen, denen die Aufbauten unter gleichen Versetzungsbedingungen ausgesetzt sind.

Auf der Ordinate ist die Kraft pro Flächeneinheit aufgetragen und auf der Abszisse die prozentuale Beanspruchung.

Fig. 2 veranschaulicht, wie sich der Elastizitätsmodul einer Zahl unterschiedlicher Elastomerverbindungen gemäß der Beanspruchung ändert, der jeder elastomere Körper ausgesetzt ist. Diese Kurven wurden dadurch erhalten, daß die Modelle jeder Zusammensetzung einer Scherbeanspruchung bei 29,9°C 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 Elastizitätsmodul als bei einem relativ steifen Material mit hohem Modul. Bei 50%iger Beanspruchung ist die Differenz zwischen den Schermoduln der Zusammensetzungen, die durch die Kurven A und G oder H repräsentiert werden, beträchtlich kleiner als bei 5%iger Beanspruchung. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies: Je höher die Beanspruchung ist, der das Elastomer mit relativ hohem Elastizitätssmodul ausgesetzt ist, desto mehr sucht es sich wie ein Elastomer zu verhalten, das einen relativ geringen Modul besitzt.

Die Erfindung macht von den Vorteilen des Verhaltens gemäß der Darstellung nach Fig. 2 Gebrauch, indem ein elastomeres Lager mit zwei unterschiedlichen elastomeren Zusammensetzungen benutzt wird, das eine relativ kleine Änderungen im Nennelastizitätsmodul (sowohl statisch als auch dynamisch) über einen weiten Bereich von Beanspruchungsamplituden aufweist, während das andere Material so gewählt ist, daß größere Änderungen des Nennelastizitätsmoduls 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 es wird wenigstens so konstant gehalten, wie es der Fall wäre, wenn jede elastische Schicht aus einem anderen elastomeren Material besteht.

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 jeweils hinsichtlich der maximalen und minimalen Belastung analysiert, der das Lager ausgesetzt werden soll, d. h. 50% bzw. 5% der 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 Elementes unterteilt), bei maximalen und minimalen Belastungen für jedes der beiden Elastomere bestimmt sind, wird es möglich zu berechnen, welcher Anteil der Breite jeder Schicht aus jedem der beiden Elastomere hergestellt werden muß, um die Belastung auf einer Schicht an der Schichtbasis bei maximaler und minimaler Belastung 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 und 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 Doppelmaterialschicht und am kleinsten an der inneren Doppelmaterialschicht.

Fig. 1 veranschaulicht ein kegelstumpfförmig laminiertes Lager, welches geeignet ist und benutzt wird als Lager zur Abstützung der Hauptrotorwelle bei einem Hubschrauber. Das Lager weist zwei starre Metallringe 2 und 4 auf, die kegelstumpfförmige innere bzw. äußere Oberflächen 6 bzw. 8 besitzen. Bei dem Lager wechseln Verbundschichten aus elastischen Material 10 und starrem Material 12 ab und diese Verbundschichten liegen zwischen 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 zweckmäßigerweise ein Elastomer, beispielsweise natürlicher oder künstlicher Gummi, jedoch kann auch ein geeignetes Plastikmaterial mit elastomeren Eigenschaften Anwendung finden. Das starre Material kann Stahl sein oder 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 Metallringe verlaufen.

Die Schichten 10 A, B, C besitzen gleiche Dicke, und die starren Schichten 12, die gewöhnlich als "Ausgleichsringe" 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 elastomeren Schichten 10 aus zwei unterschiedlichen elastischen Materialien hergestellt werden, die in der Weise, wie aus Fig. 1 ersichtlich, angeordnet sind. Je nach der erforderlichen Charakteristik des Lagers können die verschiedenen elastomeren Schichten Abschnitte identischer Breite sein, aber sie müssen es nicht.

Die erste oder äußerste elastomere Schicht 10 A 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 elastomeren 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 10 B 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 10 C wird in der gleichen Weise vorbereitet, indem zunächst ein zweiter Ausgleichsring über die zweite Verbundschicht gefügt wird und daß 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 elastomeren Schichten übereinandergefügt sind, wird der andere Endring 4 mit der elastomeren Schicht 10 C 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 4. 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 elastomeren 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.

Wie oben erwähnt, sind die Abschnitte 101 und 102 so proportioniert, daß die Beanspruchungsverteilung gleichmäßig wird und ein optimaler Belastungsausgleich der Spannungsverteilungsverformung 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 am höchsten sind. Andererseits ist die Verhinderung einer Ausbeulung an der Basis oder am äußeren Umfang des Lagers nicht so entscheidend. Infolgedessen ist es möglich, ein Material 102 mit einem niedrigeren Modul in jedem 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.

Die oben beschriebene Anordnung stellt nicht die einzige Möglichkeit dar, die Erfindung 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 werden.

Das nachstehend beschriebene Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar und weist die erfindungsgemäßen Vorteile auf.

Beispiel

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

Bei diesem Lager bestehen die Abschnitte 101 aus einem Material, das einen Elastizitätsmodul von 15,87 bar besitzt, und die Abschnitte 102 bestehen aus einem Material, das einen Elastizitätsmodul von 5,87 bar 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 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 Lager gleicher Größe, welches aus Materialien unterschiedlicher Elastomere in jeder Schicht hergestellt ist, zeigt zwar eine im wesentlichen gleiche Beanspruchung in allen drei Schichten bei 50%iger Belastung, aber eine im wesentlichen nicht gleichförmige Belastungsverteilung bei 5%iger Belastung wegen der Belastungsabhängigkeit des Elastomers, wie dies aus den Kurven in Fig. 2 ersichtlich ist.

Claims (4)

1. Stützlager in Schichtenaufbau, bestehend aus mehreren, abwechselnd aufeinanderfolgenden und miteinander verbundenen Schichten (10 bzw. 12) aus elastomeren bzw. starrem Material, die um eine gemeinsame Achse herum im wesentlichen auf Kegelstumpf-Mantelflächen 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 und elastomere Schichten vorkommen, welche in verschiedenen Umfangsabschnitten unterschiedliche Nennelastizitätsmoduln aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß jede elastomere Schicht (10) maximal aus zwei Abschnitten mit unterschiedlichen Nennelastizitätsmoduln besteht, daß wenigstens eine der elastomeren Schichten (10 A, 10 B, 10 C) aus einem äußeren Abschnitt (102) mit einem relativ geringeren Nennelastizitätsmodul und aus einem inneren Abschnitt (101) mit einem relativ größeren Nennelastizitätsmodul besteht und daß beim Vorliegen mehrerer elastomerer Schichten mit zwei Abschnitten unterschiedlicher Nennelastizitätsmoduln die Abschnitte (102) des relativ geringeren Nennelastizitätsmoduls von Schicht zu Schicht radial nach außen größer, die Abschnitte (101) des relativ größeren Nennelastizitätsmoduls aber kleiner werden im Sinne einer möglichst gleichmäßigen Verteilung der Scherbeanspruchungen im Schichtenaufbau.

2. Stützlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Schichten (10, 12) die gleiche Dicke aufweisen.

3. Stützlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche elastomeren Schichten (10 A, 10 B, 10 C) die gleiche Dicke aufweisen.

4. Stützlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere elastomere Schicht (10 A) außen durch die kegelstumpfförmige Oberfläche (6) eines äußeren Metallringes (2) und die innere elastomere Schicht (10 C) durch die kegelstumpfförmige Oberfläche (8) eines inneren Metallrings (4) abgestützt bzw. mit diesem verbunden ist.