DE3521877C2 - Elastomeres Lager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elastomeres Lager nach Anspruch 1.

Gleichlauf- oder homokinetische Gelenke nehmen eine Winkelfehlausrichtung (Verkanten, Schräglage) zwischen Achsen eines rotierenden Antriebs und einer Belastung auf, und zwar ohne Pulsationen in der Belastung, wie sie bei einem Kreuz- oder Kardangelenk üblich sind. Es gibt also eine ständige Positionsentsprechung zwischen dem Antrieb und der Belastung. Bei einem Typ eines Gleichlaufgelenks, das hohe Drehmomente handhaben kann, werden genutete innere und äußere metallische Kugelschalen benutzt, zwischen denen Kugellager laufen. Diese Gelenke sind komplex und teuer.

Elastomere Lager, die aus miteinander verklebten abwechselnden Schichten aus Elastomer und Zwischenlagen bestehen, bieten zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen (metallischen) Lagern. "Da diese Lager eine Bewegung durch einfaches Biegen ihrer elastomeren Laminate aufnehmen, gibt es keine rollenden oder gleitenden Elemente wie bei herkömmlicheren Lagern. Keine Schmierung oder Wartung irgendeiner Art ist erforderlich. Dichtungen, Hauben oder Staubkappen werden nicht benötigt, und es gibt weder Reibung noch Verschleiß. Das Ergebnis ist ein Lagersystem, das eine extrem lange Lebensdauer hat und keine Wartung irgendwelcher Art erfordert. Darüber hinaus ist eine einfache visuelle Überprüfung der Lageroberfläche in periodischen Abständen ausreichend, um den Lagerzustand zu bestimmen", vgl. American Helicopter Society Journal, Januar 1981, S. 34; The Sikorsky Elastomeric Rotor, R. Rybicki. Aus dem American Helicopter Society Journal ist aber nur ein völlig sphärisches elastomeres Lager bekannt, das damit ausschließlich zum Ausgleich von Winkelversatz zwischen einem Antriebs- und einem Abtriebsteil geeignet ist, nicht jedoch zur Drehmomentübertragung.

Typische Materialien für ein elastomeres Lager sind Kautschukverbindungen, wie beispielsweise 85% Naturkautschuk und 15% Polybutadien-Kautschuk für das Elastomer und rostfreier Stahl für die Zwischenlagen.

Ein Beispiel eines Gleichlaufgelenks, bei dem die Technik des elastomeren Lagers angewandt wird, ist in der US 42 08 889 beschrieben. Dieses bekannte Gleichlaufgelenk ist komplex, da es mehrere separate, Winkelversatz zulassende Verbindungsteile und wenigstens ebenso viele gesonderte elastomere, ausschließlich Drehmoment übertragende Lager erfordert.

Ein weiteres Gleichlaufgelenk mit einem elastomeren Lager ist in der US 35 24 332 beschrieben. Bei diesem Gleichlaufgelenk erfolgt der Antrieb über ein ringförmiges elastomeres Element. Die Drehmomentübertragungsfähigkeit dieses als Kupplung dienenden Gleichlaufgelenks ist nicht nur durch die Trennung des elastomeren Elements von seiner zugeordneten Nabe begrenzt, sondern grundsätzlicher durch den niedrigen Schubmodul des Elastomers, da dieses Gleichlaufgelenk durch das Drehmoment auf Scherung beansprucht wird.

Aus der US 40 12 923 ist eine Elastomerkupplung bekannt, die in einem Schnitt normal zur Kupplungsachse eine Vieleckform aufweist, wobei Seiten zwischen Ecken geradlinig ausgeführt sind. In Axialrichtung sind Elastomerschichten eben ausgebildet, so daß die Elastomerkupplung nur zur Drehmomentübertragung und nicht zum Ausgleich eines Winkelversatzes zwischen einem Antriebs- und einem Abtriebsteil geeignet ist. Diese bekannte Kupplung dient zur Vibrationsdämpfung durch Abbauen von Drehmomentspitzen.

Aus der WO 79/00033 ist eine flexible Kupplung bekannt, die unterschiedliche Arten von Elastomerschichten und Zwischenschalen aufweist, nämlich innere Schichten, die im Axialschnitt gesehen sphärisch sind, und radial außerhalb der inneren Schichten weitere äußere Schichten, die jedoch eben sind, um relative Axialbewegungen zwischen einem Antriebs- und einem Abtriebsteil zuzulassen. Wenn jedoch das Antriebsteil eine vieleckige Form mit flachen Seiten aufweist, treten in den Ecken extrem hohe punktförmige Belastungen und Spannungskonzentrationen auf, welche zur vorzeitigen Ermüdungsbrüchen in den Elastomer- und Zwischenschichten führen. Um dies zu vermeiden, ist in der flexiblen Kupplung nach der WO 79/00033 das elastomere Material an Ecken ausgespart, so daß sich vier voneinander getrennte Elastomerpakete ergeben. Zur Gewährleistung der Drehmomentübertragung sind wegen der nicht durchgehenden Zwischenlagen größere radiale Bauhöhen der Kupplung erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von der Kupplung nach der WO 79/00033, ein Lager zu schaffen, das in der Lage ist, große Drehmomente zu übertragen und gleichzeitig eine Winkelfehlausrichtung zwischen einem Antrieb und einer Last aufzunehmen, und das zudem eine längere Lebensdauer aufweist.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Lager weist eine innere und eine äußere Schale auf sowie eine dazwischen vorgesehene Elastomerschicht, wobei die Kontur dieser Teile in einer zu einer Lagerachse normalen Ebene aus wenigstens drei Bogensegmenten zusammengesetzt ist, die durch einen ersten Radius um Punkte festgelegt sind, welche von der Lagerachse gleichen Versatz aufweisen und symmetrisch um sie in der zur Lagerachse normalen Ebene angeordnet sind. Die innere Schale und die äußere Schale haben eine erste bzw. zweite Kontur, die ein annähernd sphärisches Axialprofil mit polarer Symmetrie aufweisen. Eine Drehung der inneren Schale relativ zu der äußeren Schale läßt aneinander angrenzende Bereiche von Druck- und Zugkräften entstehen, damit ein Drehmoment zwischen der inneren und der äußeren Schale übertragen werden kann. Die innere Schale weist Höcker auf, die sich zwangsläufig zwischen angrenzenden Bogensegmenten, welche die Kontur der Schalen und der Elastomerschicht bestimmen, ergeben. Diese Höcker führen bei einer Drehmomentbeanspruchung des erfindungsgemäßen Lagers dazu, daß die Elastomerschicht auf Zug und Druck und nicht auf Scherung beansprucht wird.

Die Zugspannungen, die durch Elastomerbiegung erzeugt werden, werden durch eine Lagerkompression reduziert. Andererseits ist das Profil des Lagers nach der Erfindung nahezu sphärisch, so daß das Lager durch Elastomerscherung sehr nachgiebig bezüglich Verkanten ist. Beide Enden des Lagers sind abgestumpft (offen) - eines zur Befestigung eines drehbaren Antriebsteils an der inneren Schale und das andere zur polaren Symmetrie, die für Gleichlauf oder homokinetisches Verhalten notwendig ist. Ein drehbares Lastteil ist an der äußeren Schale des Lagers befestigt, so daß das Lager nach der Erfindung als ein biegsames Gelenk wirkt und bei einem kardanartigen Rotorsystem brauchbar ist, bei dem es Drehmoment von einer Rotorwelle auf Rotorblätter überträgt und ein Schlagen der Rotorblätter aufnimmt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des elastomeren Lagers nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht des Lagers nach Fig. 1 in dessen Äquatorialebene mit überlagertem hydrostatischen Druckprofil,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines bekannten Lagers,

Fig. 4 eine Querschnittsansicht eines Modell-Lagersegments in unbelastetem und in torsionsbelastetem Zustand (Fig. 4a bzw. 4b) zur Veranschaulichung gewisser Prinzipien des Lagers nach den Fig. 1 und 2,

Fig. 5 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des elastomeren Lagers nach der Erfindung in dessen Äquatorialebene mit überlagertem hydrostatischen Druckprofil,

Fig. 6 eine Querschnittsansicht eines Modell-Lagersegments in unbelastetem und in torsionsbelastetem Zustand (Fig. 6a und 6b) bezüglich der Ausführungsform nach Fig. 5,

Fig. 7 eine Längsschnittansicht eines Gleichlaufgelenks mit dem Lager nach der Erfindung,

Fig. 8 eine isometrische Ansicht des Lagers nach Fig. 1, welches mit Modifizierungen versehen ist,

Fig. 9 eine Teilquerschnittansicht des Lagers nach Fig. 2, das Modifizierungen aufweist,

Fig. 10 eine Teilquerschnittansicht des Lagers nach Fig. 2, das Modifizierungen aufweist,

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht eines kardanartigen Hubschrauberrotorsystems, bei dem das Lager nach der Erfindung benutzt wird, und

Fig. 12 einen Axialschnitt des Lagers nach Fig. 11.

Torsionssteifheit

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des elastomeren Lagers 10, das eine innere Schale 12, eine äußere Schale 14 und abwechselnde Elastomerschichten 16 und unelastische Zwischenschalen 18, die dazwischen aufzunehmenden Radien angeordnet sind, aufweist. Die Schichtzahl beschränkt sich nicht auf die dargestellte Zahl, denn es könnte sogar eine einzelne Elastomerschicht 16 ohne Zwischenschalen 18 benutzt werden. Die Gesamtform des Lagers 10 ist beinahe sphärisch, und es hat eine Lagerachse 20. Das Lager 10 ist an wenigstens einem Ende offen, damit ein drehbarer Antrieb oder eine Last mit der inneren Schale 12 verbunden werden kann. Wie dargestellt ist das Lager 10 aus Gründen der polaren Symmetrie an beiden Enden offen, wodurch es einen oberen Rand 22 und einen unteren Rand 24 gibt. Eine axiale Höhe ist zwischen den Rändern 22 und 24 definiert. Das Lager 10 ist nicht vollkommen sphärisch, weil es longitudinale Höcker 25, die Exzentrizitäten darstellen, hat, die um seinen Azimut verteilt sind.

Der hier verwendete Begriff "Azimut" bezieht sich allgemein auf eine Position um den Umkreis des Lagers 10 oder einen Winkel gegen diesen in einer zu der Lagerachse 20 normalen Ebene. Da jedoch das Lager 10 nicht vollkommen sphärisch ist, wäre die Verwendung des Begriffes "Umkreis" unangebracht.

Die Höcker 25 ergeben sich aus dem unrunden Querschnitt des Lagers 10, was am besten in Fig. 2 zu erkennen ist, die einen Querschnitt des Lagers 10 in einer Äquatorialebene zeigt, welche zu der Lagerachse 20 normal und in der Mitte zwischen den Rändern 22 und 24 ist. Wie im folgenden beschrieben, ist der Querschnitt der Elastomerschichten 16 für die Fähigkeit des Lagers 10, hohe Drehmomente zu übertragen, besonders wichtig, und er resultiert hauptsächlich aus den Querkonturen von dem Elastomer zugewandten Innenoberflächen der inneren Schale 12 und der äußeren Schale 14.

Die Querkontur der Innenoberfläche der inneren Schale 12 ist durch einen Radius R1 jeweils von vier, ein Bogensegment erzeugenden Punkten 26-29 aus festgelegt, welche die gleiche Versetzung von der Lagerachse 20 haben und symmetrisch um diese verteilt sind (jeweils 90°, azimutal). Der Radius R1 ist größer als die Strecke von der inneren Schale 12 zu der Lagerachse 20. Daher besteht die Querkontur der Innenoberfläche der inneren Schale 12 aus vier sich schneidenden, nichtkonzentrischen Bogensegmenten 30-33, deren Schnittstellen die vier sich nach außen erstreckenden Höcker 34-37 sind, welche um das Azimut des Lagers 10 symmetrisch verteilt sind. Ebenso ist die Querkontur der Innenoberfläche der äußeren Schale 14 durch einen Radius R2, der um die Dicken der Elastomerschicht 16 und der Zwischenschalen 18 größer als der Radius R1 ist, von den Punkten 26-29 aus festgelegt. Es sind dadurch vier sich nach außen erstreckende Höcker 38-41 in azimutaler Deckung mit den Höckern 34-37 der inneren Schale 12 gebildet. Die Querkonturen der von der Elastomerschicht 16 abgewandten Außenoberflächen der Schalen 12 und 14 sind für ein Verständnis des elastomeren Lagers 10 nicht besonders angemessen und dienen zum Anschließen eines Antriebs bzw. einer Last auf irgendeine geeignete Weise, beispielsweise so, wie es weiter unten mit Bezug auf Fig. 7 beschrieben ist.

Der Querschnitt einer besonderen Elastomerschicht 16 oder Zwischenschale 18 wird durch einen geeigneten Radius festgelegt, der größer als der Radius R1 und kleiner als der Radius R2 von den Punkten 26-29 aus ist, und durch eine Dicke.

Wie erwähnt, ergibt sich die Drehmomentübertragungsfähigkeit des Lagers 10 aus den Querschnitten der Elastomerschichten 16 und wird an Hand von zwei Modellen am besten verständlich.

Das erste Modell ist ein sphärisches oder zylindrisches bekanntes Radiallager, das einen kreisförmigen Querschnitt hat und in Fig. 3 gezeigt ist. Eine Elastomerschicht 44 ist zwischen einer inneren Schale 46 und einer äußeren Schale 48 angeordnet. Wenn Drehmoment auf die innere Schale 46 im Uhrzeigersinn ausgeübt wird, was durch einen Pfeil 50 angedeutet ist, wird der Widerstand der äußeren Schale 48 aufgrund einer Belastung bewirken, daß das Elastomer eine Scherbeanspruchung in der Drehebene erfährt. Da der Schubmodul für Elastomere sehr klein ist, ist die Drehmomentübertragungsfähigkeit eines solchen sphärischen oder zylindrischen Radiallagers sehr begrenzt.

Das zweite Modell ist ein Lager, das einen quadratischen Querschnitt und einen Mittelpunkt 52 hat und in den Fig. 4a und 4b gezeigt ist. Eine Elastomerschicht 54 ist zwischen einer inneren Schale 56 und einer äußeren Schale 58 angeordnet. Fig. 4a zeigt das Lager in unbelastetem Zustand. Wenn Drehmoment auf die innere Schale 56 um den Mittelpunkt 52 im Uhrzeigersinn ausgeübt wird, was durch einen Pfeil 60 angedeutet ist, und die äußere Schale 58 sich dem widersetzt, wird die innere Schale 56 etwas in Richtung des Drehmoments verlagert, d. h. im Uhrzeigersinn, wie es in Fig. 4b gezeigt ist. Das ausgeübte Drehmoment und die daraus resultierende Verschiebung der inneren Schale 56 bewirken, daß das Elastomer in einem Gebiet 64, welches in Drehmomentrichtung "hinter" einer Ecke 66 liegt, unter Druck gesetzt wird. Die Druckreaktionskräfte sind zu der Oberfläche der Elastomerschicht 54 normal, was durch einen Vektor 68 dargestellt ist. Da der Vektor 68 nicht durch den Mittelpunkt 52 hindurchgeht, wird in einer zu dem ausgeübten Drehmoment entgegengesetzten Richtung ein Moment erzeugt.

In einem weiteren Gebiet 70, das sich in Drehmomentrichtung "vor" einer Ecke 72 befindet, wird das Elastomer auf Zug beansprucht. Die Zugreaktionskräfte in der Elastomerschicht 54 sind zu der Oberfläche der Elastomerschicht 54 normal, was durch einen Vektor 74 dargestellt ist. Da der Vektor 74 nicht durch den Mittelpunkt 52 hindurchgeht, wird in einer zu dem ausgeübten Drehmoment entgegengesetzten Richtung ein Moment erzeugt. Die bezüglich der Gebiete 64 und 70 erläuterten Reaktionskräfte sind für den gesamten Umfang des Lagers typisch und ergeben die Lagertorsionssteifheit.

Die unrunde Querkontur des Lagers und der infolgedessen unrunde Querschnitt der Elastomerschicht bewirken, daß das Elastomer durch ein ausgeübtes Drehmoment gebogen wird (Druck und Zug normal zu der Elastomerschicht), statt in der Drehebene eine Scherbeanspruchung zu erfahren. Druck kann durch ein Elastomer leicht aufgenommen werden, das beispielsweise aus 85% Naturkautschuk und 15% Polybutadien-Kautschuk besteht und einen Druckmodul in der Größenordnung von einigen tausend Megapascal (hundred of thousands of pounds per square inch) hat. Zug wird dagegen durch die Zugfestigkeit des Elastomers aufgenommen, die vergleichsweise gering ist, obgleich sie hinsichtlich Ermüdung bis zum Sechsfachen des Schubmoduls beträgt. Der Zug kann durch Lagervorkompression, wobei es sich um eine bei der Fertigung von Stangenendlagern bekannte Technik handelt, auf Werte verringert werden, die innerhalb akzeptabler Grenzen liegen. Die Elastomerbiegung statt Scherung gibt dem Lager Torsionssteifheit, so daß Drehmoment übertragen werden kann. Die Mechanik dieses Modells mit seiner einen Elastomerschicht 54 ist bei dem Lager nach Fig. 2 mit den mehreren Elastomerschichten 16 verwendbar.

Gemäß Fig. 2 wird das Drehmoment auf die innere Schale 12 um die Lagerachse 20 im Uhrzeigersinn ausgeübt, wie es durch den Pfeil 76 dargestellt ist, und durch die äußere Schale 14, die sich dem Drehmoment widersetzt, aufgenommen. Die unrunde Querkontur des Lagers 10 bewirkt, daß sich die Elastomerschichten 16 verbiegen. Deshalb werden in einem Gebiet 78, d. h. in Drehmomentrichtung "hinter" einem Höcker, wie beispielsweise dem Höcker 34 (38), Druckreaktionskräfte durch die Elastomerschicht 16 ausgeübt, wie es durch Vektoren 80-84 gemäß einem verteilten hydrostatischen Druckprofil unter einer gestrichelten Linie 85 dargestellt ist. Da der Druck zu der Oberfläche normal ist, sind die Vektoren 80-84 in dem zugehörigen Punkt 26 des Bogensegments 30 fokussiert, wodurch sie die Lagerachse 20 "verfehlen" und ein dem ausgeübten Drehmoment entgegengerichtetes Moment erzeugen. Ebenso werden in einem Gebiet 86, das in Drehmomentrichtung "vor" einem Höcker, wie beispielsweise dem Höcker 35 (39) liegt, Zugreaktionskräfte durch die Elastomerschicht 16 ausgeübt, wie es durch Vektoren 88-92 gemäß einem verteilten hydrostatischen Druckprofil unter einer gestrichelten Linie 93 gezeigt ist. Da der Druck normal zu der Oberfläche ist, sind wieder die Vektoren 88-92 alle von dem Punkt 26 weg fokussiert, wodurch sie die Lagerachse 20 "verfehlen" und ein Moment entgegengesetzt zu dem ausgeübten Drehmoment erzeugen. In einem Punkt 94 auf dem Bogensegment 30, der sich in der Mitte zwischen dem Höcker 34 (38) und dem Höcker 35 (39) befindet, gibt es einen Übergang von Druck auf Zug, wo die Zug- und Druckreaktionskräfte null sind. Das Zug- und Druckprofil, wie es mit Bezug auf das Bogensegment 30 beschrieben worden ist, ist für die Bogensegmente 31, 32 und 33 gleich. Es gibt daher einen Übergang von Druck auf Zug bei jedem Höcker und in der Mitte dazwischen, wo die Reaktionskräfte null sind. Zwischen den Punkten, wo die Reaktionskraft null ist, nehmen die Reaktionskräfte auf nach einem Textbuch berechenbare Weise zu, wie durch endliche Elementcodes, wie beispielsweise TEXGAP oder NASTRAN, welche das Verhalten des Elastomers ausreichend darstellen, bestätigt werden kann. Die Druckprofile sind einfach zur Veranschaulichung gezeigt, und es ist erwünscht, ein Lager 10 für allmähliche Gradienten innerhalb des vorhandenen Zulässigen hinsichtlich Steifheit, Dicke usw. auszulegen. Obgleich die Summe der Reaktionskräfte um das Azimut des Lagers 10 null ist, verursacht die Fehlfokussierung (das "Verfehlen" der Lagerachse 20) der Reaktionskräfte ein von null verschiedenes Moment, das durch Integrieren der Reaktionskräfte und der Strecken, um die sie die Lagerachse 20 "verfehlen", über dem Azimut des Lagers 10 berechnet werden kann.

Es ist klar, daß das Lager 10 nicht vollkommen steif ist und daß ein gewisses "Aufwinden" (Drehung der inneren Schale 12 relativ zu der äußeren Schale 14 um die Lagerachse 20) auftreten wird, bevor das Gleichgewicht erreicht ist. Wegen des "Aufwindens" sind die Elastomerschichten 16 Scherung ausgesetzt, insbesondere in den Bogenmittelpunkten (z. B. im Punkt 94) und an den Höckern. Da das "Aufwinden" jedoch begrenzt ist, ist die Scherbeanspruchung begrenzt und innerhalb zulässiger Grenzen. Wie oben mit Bezug auf das Lager nach Fig. 4 erwähnt ergibt sich die Torsionssteifheit des Lagers 10 nach Fig. 2 aus dessen unrunder Querkontur, die bewirkt, daß einem ausgeübten Drehmoment hauptsächlich durch Druck und Zug (normale Kräfte) statt durch Scherung (Kraft in der Drehebene) entgegengewirkt wird, und der Zug wird durch Vorkompression kontrolliert. Tatsächlich ist es erwünscht, daß die Vorkompression größer ist als die Reaktionszugkraft, so daß es insgesamt Kompression gibt.

Als ein weiteres Beispiel der Torsionssteifheit wird ein Lager mit sich nach innen erstreckenden Höckern oder Erhebungen betrachtet, das einen Querschnitt hat, der in Fig. 5 gezeigt ist. Zur Vereinfachung der Beschreibung ist eine einzelne Elastomerschicht 100 gezeigt, die zwischen einer inneren Schale 102 und einer äußeren Schale 104 angeordnet ist, obgleich mehrere Elastomerschichten, die durch unelastische Zwischenschalen getrennt sind, typischer sind. Die Querkonturen der Innenoberflächen der inneren Schale 102 und der äußeren Schale 104 werden durch Radien R3 und R4 von vier Punkten 106-109 aus erzeugt, die von der Lagerachse 110 gleich weit entfernt, aber symmetrisch um diese angeordnet sind. Der Radius R3 ist kleiner als die Strecke von der inneren Schale 102 zu der Lagerachse 110, und der Radius R4 ist um die Dicke der Elastomerschicht 100 größer als der Radius R3. Das ergibt einen Querschnitt, der durch vier sich nach innen erstreckende Höcker 112-115 gekennzeichnet ist, zwischen welchen vier Bogensegmente 116-119 liegen.

Ein Modell wird benutzt, um die Reaktionsspannungen sichtbar zu machen, die sich aufgrund eines ausgeübten Drehmoments ergeben. In den Fig. 6a und 6b ist ein Segment eines Lagers gezeigt, das einen stilisierten, sich nach innen erstreckenden Höcker 120 hat. Eine Elastomerschicht 122 ist zwischen einer inneren Schale 124 und einer äußeren Schale 126 angeordnet. Fig. 6a zeigt das Lager in einem unbelasteten Zustand. Aufgrund eines im Uhrzeigersinn ausgeübten Drehmoments, was durch einen Pfeil 128 in Fig. 6b dargestellt ist, verschiebt sich die innere Schale 124 in der Drehmomentrichtung, wodurch bewirkt wird, daß sich das Elastomer biegt, so daß es in einem Gebiet 129 auf Druck beansprucht ist, das in Drehmomentrichtung "vor" dem Höcker 120 liegt, und in einem Gebiet 130 auf Zug, das in Drehmomentrichtung "hinter" dem Höcker 120 liegt.

Wird das Prinzip des Modells nach Fig. 6a auf das Lager nach Fig. 5 angewendet, so zeigt sich, daß das auf die innere Schale 102 im Uhrzeigersinn ausgeübte Drehmoment, das durch einen Pfeil 132 gezeigt ist, zu einer Druckbeanspruchung in einem Gebiet 134 führt, das in Drehmomentrichtung "vor" dem Höcker 113 liegt, und auf Zugbeanspruchung in einem Gebiet 136, das in Drehrichtung "hinter" dem Höcker 112 liegt. Die Reaktionskräfte, die durch die Elastomerschicht 100 ausgeübt werden, sind an den Höckern, z. B. den Höckern 112 und 113 und in der Mitte dazwischen null, und es gibt ein begrenztes Ausmaß an Scherung, um das gesamte Lager hherum. Die Verteilung der Kräfte, die mit Bezug auf das Bogensegment 116 zwischen den Höckern 112 und 113 dargestellt ist, ist ein Beispiel für die Verteilung um das gesamte Azimut des Lagers. Ganz wie bei dem Beispiel der ersten Ausführungsform mit sich nach außen erstreckenden Höckern, das oben erläutert worden ist, sind die Druck- und Zugreaktionskräfte, welche durch die Elastomerschicht 100 ausgeübt werden, normal zu der Oberfläche, wie es durch Vektoren 138-147 gezeigt ist und "verfehlen" deshalb die Lagerachse 110, so daß ein Moment erzeugt wird, das zu dem ausgeübten Drehmoment entgegengesetzt ist. Ebenfalls wird durch Vorkompression, die normal zu der Oberfläche wirkt, die Zugbeanspruchung auf Werte innerhalb zulässiger Grenzen reduziert.

Die Anzahl der Höcker beschränkt sich jedoch nicht auf vier, und jede Konstruktion, bei der von dem Prinzip der nahezu sphärischen Form mit axialen Höckern Gebrauch gemacht wird, wäre zur Drehmomentübertragung brauchbar. Es sind jedoch wenigstens drei Höcker zum Bewahren der polaren Symmetrie für den Gleichlauf oder die Homokinetik erforderlich. Weiter sind die durch Bogensegmente erzeugten Höcker nach den Fig. 2 und 5 nicht als Einschränkung zu verstehen, sondern dienen lediglich zur Veranschaulichung des jeweils dargestellten Lagers. Ein Lager, das einen polygonalen Querschnitt hat, wie es in den Fig. 4 und 6 dargestellt ist, würde zu "Keilzähnen" statt zu Höckern führen, wobei es aber ebenfalls von dem oben beschriebenen Prinzip profitieren würde.

Kippsteifheit

Bislang hat sich die Beschreibung mit dem Querschnitt des Lagers befaßt. Für ein maximales Drehmomentübertragungsvermögen würde der Querschnitt des Lagers in jeder Position längs der Lagerachse konstant sein, was beispielsweise zu einem nahezu zylindrischen, keilverzahnten oder mit Höckern versehenen Lager führen würde. Das wäre jedoch für ein Gleichlauf- oder homokinetisches Gelenk, das eine axiale Winkelfehlausrichtung (Verkanten, Kippen) zwischen einem Antrieb und einer Last aufnehmen muß, unerwünscht.

Es werde beispielshalber die eine flexible Kupplung beschreibende US 23 63 469 betrachtet, die in Fig. 4 ein mit Höckern versehenes zylindrisches Lager zeigt. Bei dieser Kupplung wird bezweckt, die Torsionssteifheit der Kupplung mit der Drehung eines Teils innerhalb eines anderen fortschreitend zu erhöhen. Eine solche Konfiguration ist jedoch hinsichtlich Verkantens besonders unnachgiebig. Dagegen ist es erwünscht, daß ein Lager bezüglich des Verkantens besonders nachgiebig ist.

Obgleich die hier beschriebenen Lager bei umlaufenden Lasten verwendbar sind, wird das Verkanten oder Kippen in "statischem" Sinne erläutert. Wie im folgenden erläutert, wird ein Verkanten oder Kippen hauptsächlich durch Elastomerschub aufgenommen, der durch Zug und Druck praktisch nicht beeinflußt wird.

Es ist bekannt, daß ein vollkommen sphärisches Lager eine maximale Nachgiebigkeit hinsichtlich Verkantens aufweist. Der mit Höckern versehene Querschnitt, der für die Torsionssteifheit erforderlich ist, schließt jedoch diese Form aus. Trotzdem ist es erwünscht, das Lager axial so "aufzubauen", daß es so sphärisch wie möglich ist. Insgesamt wird das erreicht, indem der Querschnitt des Lagers zu dessen Enden hin gemäß einer Kugelfunktion reduziert wird, um dem Lager ein nahezu sphärisches Profil zu geben. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um dieses Ergebnis zu erzielen. Eine Möglichkeit des Erzielens eines nahezu sphärischen Profils besteht darin, jedes äquatoriale Bogensegment, wie beispielsweise die Bogensegmente 30-33 nach Fig. 2, um seinen zugeordneten Bogensegmenterzeugungspunkt, wie beispielsweise die Punkte 26-29 in Fig. 2 zu drehen. Das ergibt eine axiale Kontur, die im wesentlichen vier Mittelpunkte in der Äquatorialebene hat.

Bei einer vollkommenen Kugel hat die axiale Kontur nur einen Mittelpunkt. Ein Lager, das um diesen Mittelpunkt geneigt wird, ist sehr nachgiebig. Dagegen haben die axialen Konturen der vorliegend beschriebenen Lager wenigstens zwei verschiedene Mittelpunkte, einen für jedes Bogensegment und keiner derselben fällt mit dem jeweiligen Lagermittelpunkt zusammen, um den das entsprechende Lager geneigt wird. (Der Lagermittelpunkt kann als der Schnittpunkt der Lagerachse 20 und der Äquatorialebene definiert werden). Deshalb sind die hier beschriebenen Lager etwas steifer als eine wahre Kugel.

Eine weitere Möglichkeit zum Erzielen des nahezu sphärischen Profils besteht darin, Querschnitte für jede zu der Lagerachse normalen Ebene festzulegen und den Querschnitt gemäß einer Kugelfunktion im Verhhältnis zu der Strecke zwischen einer besonderen Ebene und der Äquatorialebene zu reduzieren, d. h. die Querschnitte zu den Enden hin kleiner zu machen. Das läßt sich ohne weiteres erreichen, indem Bogensegmenterzeugungspunkte für jede Normalebene gewählt werden, die azimutal den Bogensegmenterzeugungspunkten auf der Äquatorialebene entsprechen, aber sukzessive näher bei der Lagerachse sind, und indem entsprechend kleinere Radien gewählt werden, um die Bogensegmente zu erzeugen. Die Versetzung dieser Punkte von der Lagerachse kann an einem stumpfen Ende oder Rand statt an dem "virtuellen" Ende des Lagers sogar auf null reduziert werden. Durch individuelles Erzeugen jedes Querschnittes, statt jedes Äquatorialbogensegment um seinen Äquatorialbogensegmenterzeugungspunkt zu drehen, sind die Mittelpunkte der axialen Kontur unbestimmter festgelegt und fallen weniger mit dem Lagermittelpunkt zusammen, wodurch das Lager bezüglich Verkantens oder Neigens etwas steifer gemacht wird.

Bei jedem der obigen Beispiele der Profilgebung des Lagers, damit dieses nahezu sphärisch ist, ist die Torsionssteifheit des Lagers am Äquator konzentriert, weil dort die Höcker größer sind, die Menge an Elastomer größer und der Momentenarm länger ist, und nimmt zu den Enden hin ab. Die Wahl der Profilgebungstechnik kann daher auf der Basis von Überlegungen wie einem gewünschten Verhältnis der Steifheit in Drehmomentrichtung zur Steifheit in Neigungsrichhtung erfolgen, statt sie strikt entweder durch Maximierung oder Minimierung vorzuschreiben. Die hier beschriebene Profilgebungstechnik ist sowohl bei Lagern mit sich nach innen erstreckenden Höckern als auch bei Lagern mit sich nach außen erstreckenden Höckern anwendbar.

Gleichlaufgelenk

Fig. 7 zeigt ein Gleichlaufgelenk 150, bei dem ein Lager benutzt wird, das dem in Fig. 1 gezeigten Lager 10 gleicht. Abwechselnde Elastomerschichten 152 und Zwischenschalen 154 sind daher zwischen einer inneren Schale 156 und einer äußeren Schale 158 angeordnet. Die innere Schale 156 hat einen Flansch 157 zur Befestigung an einem drehbaren Antriebsteil 160, das sich um eine Antriebsachse 162 dreht, und die äußere Schale 158 hat einen Flansch 159 zur Befestigung an einem drehbaren Lastteil 164, das sich um eine Lastachse 166 dreht. Die Antriebsachse 162 fällt mit einer nominellen Gelenkachse zusammen, die der Lagerachse 20 des Lagers 10 entsprechen würde. Das Gleichlaufgelenk 150 nimmt eine Winkelfehlausrichtung zwischen der Lastachse 166 und der Antriebsachse 162 durch Elastomerscherung auf. Der Antrieb und die Last dienen lediglich zur Veranschaulichung und können miteinander vertauscht werden.

Maßschneidern der Kippsteifheit

Betrachtet werde der Fall eines nahezu sphärischen, mit Höckern versehenen Lagers 10, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Es ist leicht zu erkennen, daß das Profil sich in Abhängigkeit von dem Azimut, von welchem aus das Lager 10 betrachtet wird, etwas variieren wird. Mit anderen Worten, der Axialquerschnitt durch zwei Höcker wird etwas größer sein als durch den Bogensegmentbereich zwischen zwei Höckern. Ein größerer Axialquerschnitt ergibt ein etwas größeres Moment und einen etwas größeren Widerstand des Elastomers gegen Kippen. Die Kippsteifheit des Lagers 10 an den Höckern ist deshalb etwas größer als zwischen den Höckern. Eine weitere Möglichkeit des Analysierens der azimutalen Veränderung der Kippsteifheit besteht darin, das Verhalten des Elastomers bei 90° gegen die Schräglage zu beobachten, wo es im wesentlichen verdreht ist. Für die Neigung durch ein Bogensegment zwischen Höckern wird die Verdrehung bei 90° durch Elastomerscherung an einem Bogensegment aufgenommen. Für die Neigung durch einen Höcker wird die Verdrehung bei 90° an einem weiteren Höcker sowohl durch Scherung als auch durch Biegung aufgenommen. Wie mit Bezug auf das Drehmoment erläutert, ist das Elastomer biegesteifer als schersteifer. Für gewisse Verwendungszwecke ist es erwünscht, die Kippsteifheit des Lagers 10 so maßzuschneidern, daß sie für jedes Azimut gleichmäßig ist.

Gemäß einem Schema zum Maßschneidern der Kippsteifheit des Lagers 10 wird die Höhe des Lagers 10 und innfolgedessen sein gesamter Axialquerschnitt örtlich bei Azimuts reduziert, wo die Kippsteifheit ansonsten größer sein würde. Das ist in Fig. 8 dargestellt, die ein Lager 170 zeigt, das vier sich nach außen erstreckende Höcker 172 hat. Das Lager 170 gleicht in etwa dem Lager 10 nach Fig. 1 mit der Ausnahme, daß sein oberer und sein unterer Rand 174 bzw. 176 eine derartige Kontur haben, daß sich die Höhe des Lagers 170 gemäß dem Azimut verändert. Die unkonturierten Ränder 22 und 24 des Lagers 10 nach Fig. 1 sind durch gestrichelte Linien dargestellt. An den Höckern 172 ist die Höhe des Lagers 170 reduziert, und dazwischen ist sie maximal. Da der obere und der untere Rand 174, 176 wenig zu der Torsionssteifheit des Lagers 170 beitragen, ist die nachteilige Auswirkung der Konturierung auf das Drehmomentübertragungsvermögen des Lagers 170 nicht groß und kann bei Bedarf durch die gesamte Lagerdimensionierung kompensiert werden, was im folgenden erläutert ist. Die genaue Kontur, die für eine konstante Kippsteifheit bei allen Azimuts erforderlich ist, ist nach einem Textbuch berechenbar und gemäß endlichen Elementcodes verifizierbar, wie es im folgenden erläutert ist. Eine gleichmäßige Kippsteifheit kann erzielt werden, indem nur eines der Ränder konturiert wird, das Konturieren von beiden bewahrt aber die polare Symmetrie.

Eine weitere Technik zum Maßschneidern der Kippsteifheit eines Lagers besteht darin, die Härte des Elastomers je nach dem Azimut örtlich zu verändern, so daß Elastomer mit geringerer Härte (weicheres Elastomer) in Bereichen benutzt wird, die ansonsten (bei Verwendung von Elastomer gleichmäßiger Härte) steifer wären. Fig. 9 zeigt einen Teilquerschnitt eines Lagers 180, das dem Lager nach Fig. 2 im wesentlichen gleicht. Die Elastomerschicht 182 ist an einem Höcker 184 weicher und daher nachgiebiger als die Elastomerschicht 186 zwischen Höckern. Es ist eine Lagerkonstruktionstechnik bekannt, bei der ungefähr 80% der Elastomerschicht in das Lager als eine feste Folie (Kalander) eingebracht und der Rest als Flüssigkeit eingespritzt wird, die anschließend aushärtet. Diese Technik wird zum Maßschneidern der Kippsteifheit angewandt. Eine Reduktion der Härte an den Höckern wird sowohl die Torsionssteifheit als auch die Kippsteifheit beeinflussen. Fig. 2 zeigt jedoch, daß die Druck- und Zugreaktionskräfte, die die Torsionssteifheit des Lagers ausmachen, an den Höckern minimal sind. Deshalb wird die Auswirkung der Verwendung von weniger hartem Elastomer an den Höckern auf die Torsionssteifheit minimiert und kann wie in dem vorherigen Beispiel durch Lagerdimensionierungsüberlegungen am Anfang berücksichtigt werden.

Eine Variation der Technik des örtlichen Veränderns der Härte des Elastomers besteht darin, ein Gebiet härteren (steiferen) Elastomers an den Rändern - mit anderen Worten ein Band um den Umfang - vorzusehen und die Ausdehnung oder Höhe des Bandes örtlich zu verändern, um Lagersteifheitsvariationen zu verschieben. Die Ränder größerer Härte würden außerdem das Ausbauchen der Elastomerschicht reduzieren.

Noch eine weitere Technik zum Maßschneidern der Kippsteifheit besteht darin, die Dicke von einzelnen Elastomerschichten bei gewissen Azimuts örtlich zu verändern, wodurch das Elastomer bei Azimuts dünner gemacht wird, wo das Lager ansonsten steifer sein würde, beispielsweise an den Höckern.

Fig. 10 zeigt einen Teilquerschnitt eines Lagers 190, das dem Lager nach Fig. 2 im wesentlichen gleicht. Eine Elastomerschicht 192 an einem Höcker 194 ist dünner und deshalb nachgiebiger als eine Elastomerschicht 196 zwischen Höckern. Das ist durch eine gestrichelte Linie 197 gezeigt, welche die Kontur bei gleichmäßiger Elastomerschichtdicke angibt. Die Dicke einer besonderen Elastomerschicht wird durch einen Zwischenraum zwischen den Zwischenschalen bestimmt (oder im Falle der äußersten Elastomerschichten durch den Zwischenraum zwischen einer Zwischenschale und der äußeren Lagerschale). Zum Reduzieren einer örtlichen Dicke einer Elastomerschicht wird deshalb die örtliche Dicke der benachbarten Zwischenschale(n) vergrößert. Das läßt sich leicht erreichen, wenn die Verbundtechnik auf die Herstellung der Zwischenschalen angewandt wird, was im folgenden erläutert ist. Das Vergrößern der Zwischenschalendicke an einem Höcker wird außerdem bewirken, daß die Zwischenschale örtlich verfestigt wird, was hinsichtlich des Druckgradienten an den Höckern zweckmäßig ist. In Abhängigkeit von dem Verwendungszweck müssen eine oder mehrere Elastomerschichten örtlich in der Dicke reduziert werden, um die Kippsteifheit bei allen Azimuts gleichmäßig zu machen. Das Verändern der Dicke einer Zwischenschale wird deren Querkontur und daher die Fokussierung der Zug- und Druckreaktionskräfte, die mit Bezug auf Fig. 2 oben erläutert ist, verändern und die Torsionssteifheit gemäß diesem Mechanismus sowie wegen reduzierter Schichtdicke nachteilig beeinflussen. Die Höcker an sich tragen jedoch wenig zu der Torsionssteifheit des Lagers bei, da die Druck- und Zugreaktionskräfte an ihnen minimal sind. Trotzdem können diese Effekte bei Dimensionierungsüberlegungen am Anfang berücksichtigt werden.

Kardanartiges Rotorsystem

Die obige Beschreibung befaßt sich mit der Torsions- und der Kippsteifheit des nahezu sphärischen, mit Höckern versehenen Lagers. Diese Eigenschaften, zusätzlich zu dem Gleichlauf- oder homokinetischen Verhalten des Lagers, machen es für gewisse Verwendungszwecke brauchbar, insbesondere in Anbetracht der bezüglich des Maßschneiderns der Kippsteifheit angegebenen Maßnahmen, durch die die Kippsteifheit für alle Azimuts gleichgemacht werden kann, so daß keine Vibrationen in einer rotierenden Last, die mit dem Lager gekuppelt ist, hervorgerufen werden.

Es wird nun ein Hubschrauberkardanrotorsystem betrachtet, bei dem ein Teil des Schlagens der Rotorblätter durch Kippen einer Rotornabe relativ zu einer Rotorwelle statt durch einzelne Schlaggelenke für jedes Rotorblatt aufgenommen wird. Wie weiter oben erläutert, kann ein Kreuzgelenk sowohl hohes Drehmoment als auch Kippen aufnehmen, es ruft aber zyklische Pulsationen in der Last hervor, die bei einem Hubschrauber äußerst unerwünscht wären, und zwar nicht nur unter dem Gesichtspunkt des Passagierkomforts, sondern grundsätzlicher unter dem Gesichtspunkt der Steuerung. Es ist deshalb bekannt, ein Rotorsystem mit einem Kreuzgelenkringlager, beispielsweise einem Kugelgelenk, zu versehen, um das Schlagen der Rotorblätter aufzunehmen, und mit einer gesonderten Einrichtung, wie beispielsweise einer drehsteifen Manschette, um das Antriebsmoment auf den Rotor zu übertragen. Beispiele dieser Systeme sind in der US 43 23 332 beschrieben. Dagegen bietet das zuvor beschriebene, nahezu sphärische, axial mit Höckern versehene Lager die Möglichkeit, mittels eines einzelnen kompakten Bauteils das Drehmoment zu übertragen und das Schlagen der Rotorblätter aufzunehmen, wodurch die Größe, die Anzahl der Teile und die Komplexität reduziert und gleichzeitig die Vorteile elastomerer Lager ausgenutzt werden.

Ein in Fig. 11 dargestelltes Hubschrauberrotorsystem weist vier Rotorblätter 200 auf, die über eine Nabe 202 an einer Rotorwelle 204 befestigt sind. Die Zahl der Rotorblätter 200 beschränkt sich nicht auf vier, sondern könnte kleiner oder größer sein. Ein Rotorblatt 200 ist an seinem Wurzel- oder inneren Ende an einem Torsionsrohr 206 befestigt, welches eine hohle torsionssteife Hülse ist, die an ihrem Blattbefestigungs- oder äußeren Ende abgeflacht ist, um sie dem Rotorblatt 200 anzupassen. Das andere, innere Ende des Torsionsrohres 206 ist über ein Lager 208 mit der Nabe 202 an einem Flansch 210 verbunden. Das Lager 208 ist irgendein geeignetes Lager, wie beispielsweise ein elastomeres Radiallager oder ein herkömmliches (metallisches) sphärisches Lager (wie dargestellt), welches die Drehung des Torsionsrohres 206 um eine Blattverstellachse (Längsachse) gestattet. Es ist notwendig, daß das Torsionsrohr 206 oder das Lager 208 Rotorblattzentrifugalkräfte aufnimmt.

Eine Steuerstange 212 spricht auf Befehle des Piloten und/ oder der Flugregelanlage über Stellantriebe und eine Taumelscheibe (jeweils nicht dargestellt) an. Die Steuerstange 212 ist über ein Blattsteuerungshorn 213 mit dem inneren Ende des Torsionsrohres 206 verbunden, so daß eine lineare Steuerstangenbewegung in eine Blattverstelldrehbewegung umgesetzt wird, die über das Torsionsrohr 206 dem Rotorblatt 200 gegeben wird.

Ein Längsholm 214 ist an seinem inneren Ende an der Nabe 202 an dem Flansch 210 befestigt. An seinem anderen (äußeren) Ende ist der Längsholm 214 an dem Rotorblatt 200 in oder nahe dem Punkt befestigt, wo das Rotorblatt 200 mit dem Torsionsrohr 206 verbunden ist. Die Materialien und die Konfiguration des Längsholms 214 werden so gewählt, daß dieser torsionsnachgiebig ist, damit er Blattverstellbewegungen zuläßt, und relativ steif ist, wenn er durch das Schlagen der Rotorblätter 200 gebogen wird, und sogar noch steifer gegenüber Blattschwenkbewegungen ist. Der Längsholm 214 kann ein I-Träger aus Verbundmaterialien sein, der diese Entwurfsparameter aufweist. Rotorblattzentrifugalkräfte werden auf der Länge des Längsholms 214 statt in dem Torsionsrohr 206 aufgenommen.

Wie oben erwähnt, ist es ein Grundprinzip von Kardanrotorsystemen, daß die Nabe 202 wenigstens einen Teil der gesamten Rotorschlagbewegung aufnimmt. Die Nabe 202 ist deshalb für die Schlagbewegung an der Rotorwelle 204 gelenkig befestigt, und zwar auf im folgenden beschriebene Weise, durch die das Rotorsystem zu einem "kardanartigen" Rotor gemacht wird.

Die Nabe 202 ist in etwa ein Lager, das dem Lager 10 nach Fig. 1 gleicht. Die Nabe 202 weist daher eine innere Schale 216 (vgl. Schale 12), eine äußere Schale 218 (vgl. Schale 14) und abwechselnde Elastomerschichten 220 (vgl. Elastomerschichten 16) und unelastische Zwischenschalen 222 (vgl. Zwischenschalen 18), die auf zunehmenden Radien dazwischen angeordnet sind, auf. Die Anzahl der Schichten beschränkt sich nicht auf die dargestellte Anzahl.

Das Drehmomentübertragungsvermögen der Nabe 202 rührt von Längshöckern 223 her, welche den Querschnitt der Elastomerschichten 220 beeinflussen, was oben im einzelnen erläutert worden ist. Der Hauptunterschied zwischen der Nabe 202 und dem Lager 10 nach Fig. 1 liegt in den äußeren (von den Elastomerschichten abgewandten) Seiten der Schalen. Die äußere Schale 218 verteilt das Antriebsdrehmoment auf sämtliche Rotorblätter 200 im wesentlichen gleichmäßig, und zwar ungeachtet dessen, ob die Längshöcker 223 an den Rotorblättern 200 oder dazwischen angeordnet sind. Es ist sogar nicht notwendig, daß die Zahl der Rotorblätter 200 gleich der Zahl der Längshöcker 223 ist, oder umgekehrt.

Die äußere Oberfläche der inneren Schale 216 ist mit einem ebenen, ringförmigen Flansch 224 versehen, der mit der einer mit ihm zusammenpassenden Oberfläche an der Rotorwelle 204 verschraubt ist, um von dieser das Antriebsdrehmoment zu empfangen. Die innere Schale 216 ist zu der Rotorwelle 204 koaxial.

Die äußere Oberfläche der äußeren Schale 218 ist mit den Flanschen 210 zur Befestigung des Längsholms 214 und des Torsionsrohres 206 versehen. Da die Rotorblattzentrifugalkräfte für sämtliche vier Rotorblätter 200 längs der Längsholme 214 übertragen werden, werden die Rotorblattzentrifugalkräfte gänzlich durch die äußere Schale 218 aufgenommen. Die äußere Schale 218 muß deshalb entsprechend dimensioniert sein, insbesondere in der Dicke. Im Falle einer äußeren Schale 218 aus nichtmetallischem Verbundmaterial kann die Faserausrichtung vorteilhaft ausgenutzt werden.

Bei dem Rotorsystem werden daher das Drehmoment und das Schlagen durch ein einzelnes Lager aufgenommen. Blattschwenkbewegungen werden durch Lageraufwindung aufgenommen (gedämpft), wie es oben erläutert worden ist. Das Schlagen wird zwischen der Nabe 202 und dem Längsholm 214 aufgeteilt - beispielsweise 70% bzw. 30%. Das gezeigte und beschriebene Rotorsystem dient einfach zur Veranschaulichung eines Verwendungszwecks für die zuvor beschriebenen Lager und das in Fig. 7 gezeigte Gelenk, denn bei vielen anderen Rotorkonfigurationen kann von den Lagern bzw. dem Gelenk vorteilhafter Gebrauch gemacht werden. Das "Schlagen" im Zusammenhang mit einem Rotorsystem ist das Äquivalent zum oben erläuterten "Kippen".

Soweit besondere Höckergeometrien betroffen sind, sind entweder sich nach innen oder sich nach außen erstreckende Höcker für den Gebrauch des Lagers in einem kardanartigen Hubschrauberrotorsystem gut geeignet. Entwurfseinzelheiten werden weitgehend von dem jeweiligen Verwendungszweck abhängig sein. Beispielsweise kann das Verhältnis der Torsionssteifheit zur Kippsteifheit festgelegt werden, ebenso wie Eigenfrequenzen in Richtung der Ränder festgelegt werden können.

Aufnehmen von axialer Belastung

Die obigen Erläuterungen bezüglich der Torsionssteifheit, der Kippsteifheit, der Homokinetik und der zentrifugalen Belastungen sind alle für das Vorsehen eines zuvor beschriebenen Lagers in einem kardanartigen Hubschrauberrotorsystem sehr relevant. Anders als bei vielen anderen Systemen, bei denen ein Antrieb mit einer Last gekuppelt wird, gibt es jedoch bei einem Rotorsystem das zusätzliche Erfordernis, daß das Lager in der Lage sein muß, eine axiale Belastung, nämlich den durch den Rotor erzeugten Auftrieb, aufzunehmen.

Allgemein steht das Lasttragvermögen eines elastomeren Lagers in Beziehung zu dem Querschnitt und der Ausrichtung der Elastomerschichten relativ zu der Belastung. Beispielsweise ist ein Stangenendlager, welches im wesentlichen ein sphärisches Lager ist, das an zwei entgegengesetzten Enden abgestumpft ist, radialen Kräften ausgesetzt, die durch Druckbeanspruchung des Elastomers auf einer Seite des Lagers und durch Zugbelastung des Elastomers auf der entgegengesetzten Seite aufgenommen werden. Wie oben erläutert, wird der Elastomerzug durch Vorkompression verringert. Dagegen ist im Falle eines zuvor beschriebenen Lagers das Ende, wo eine axiale Belastung am wirksamsten aufgenommen werden könnte (d. h. durch Elastomerkompression), abgestumpft. Eine Möglichkeit zum Aufnehmen einer axialen Belastung würde darin bestehen, das Lager an dem auf Druck beanspruchten Ende nicht abzustumpfen, so daß nur das entgegengesetzte (auf Zug beanspruchte) Ende abgestumpft gelassen wird, damit an ihm die innere Schale befestigt werden kann. Bei dem Rotorsystem nach Fig. 11 würde das bedeuten, das Rotorwellenende des Lagers nicht abzustumpfen, was klar nicht möglich ist.

Eine Lösung erster Ordnung für das Problem des Aufnehmens der axialen Belastung besteht darin, dasjenige Ende des Lagers so wenig wie möglich abzustumpfen, das ansonsten eine axiale Belastung durch Elastomerkompression aufnehmen würde. Es gibt aber eine eigene Grenze für diese Möglichkeit, die durch die Größe des Antriebs und des Kippbereiches gesetzt wird.

In dem Fall, in welchem beide Enden des Lagers abgestumpft sind, ist kein Elastomer dort, wo es am nützlichsten wäre. Ein zusätzliches Problem zu dem verringerten Vermögen eines solchen Lagers, eine axiale Belastung aufzunehmen, besteht darin, daß die Belastung eine axiale Verwindung des Lagers hervorrufen wird - mit anderen Worten, aufeinanderfolgende Schichten werden durch die axiale Belastung zunehmend axial verschoben - und infolgedessen eine Kippversteifung des Lagers. Axiale Belastungen können in einer von zwei entgegengesetzten Richtungen auftreten und bestrebt sein, entweder das Antriebs- und das Lastteil zusammenzudrücken oder sie auseinanderzuziehen. Der letztgenannte Fall, in welchem eine Trennkraft ausgeübt wird, wird erläutert. Die Erläuterungen gelten aber gleichermaßen in entgegengesetztem Sinn für den erstgenannten Fall.

Fig. 12 zeigt einen Teilaxialquerschnitt eines Lagers, welches eine trennende Axialkraft ohne Kippversteifung aufnimmt. Das Lager ist mit dem Nabenlager in dem kardanartigen Rotorsystem nach Fig. 11 vergleichbar, mit der Ausnahme, daß Fig. 11 nicht das folgende Merkmal zeigt und daß sechs Elastomerschichten 220 statt nur zwei Schichten gezeigt sind. Die trennende Axialbelastung ist das Äquivalent des Rotorauftriebs und ist durch eine Kraft dargestellt, die auf die äußere Schale 218 in aufwärtiger Richtung, wie durch einen Pfeil 230 dargestellt, ausgeübt und durch die innere Schale 216 aufgenommen wird.

Ohne das Merkmal wären die Mittelpunkte der axialen Kontur jeder Elastomerschicht 220 koplanar - in der Äquatorialebene - für maximale Kippnachgiebigkeit.

Mit dem Merkmal wird das Lager so hergestellt, daß jede der aufeinanderfolgenden Elastomerschichten 220 und daher jede der aufeinanderfolgenden Zwischenschalen 222 mit zunehmenden Radien weiter weg von der Belastung verschoben sind. Mit anderen Worten, die äußerste innere Elastomerschicht 220 hat ihre Mittelpunkte der axialen Kontur in einer Äquatorialebene 226 angeordnet. Die nächste äußere Elastomerschicht 220 hat einen größeren Radius, wie es oben erläutert ist, und ihre Mittelpunkte der axialen Kontur sind in einer Ebene 228 angeordnet, die gegenüber der Referenzebene in Richtung weg von der ausgeübten, trennenden axialen Belastung versetzt ist. Jede folgende Elastomerschicht 220 ist so angeordnet, daß ihre Mittelpunkte der axialen Kontur in einer Ebene sind, die gegenber der Äquatorialebene 226 in Richtung weg von der ausgeübten, trennenden axialen Belastung versetzt ist. Ein Ergebnis dieser Konfiguration ist, daß die Elastomerschicht 220 an dem von der Belastung abgewandten Ende dicker ist und durch die Last auf Druck beansprucht wird.

Wenn die trennende axiale Belastung (Auftrieb) auf das Lager ausgeübt wird, geben die äußere Schale 218 und jede folgende Elastomerschicht 220 in der Richtung der Belastung nach, wodurch die Mittelpunkte der axialen Kontur zusammengebracht werden. Ideal ist die Versetzung der Belastung vollkommen angepaßt, so daß die Mittelpunkte der axialen Versetzung unter Belastung alle in der Äquatorialebene 226 zusammenfallen und die Kippsteifheit dadurch minimiert wird. Bei sich verändernden Belastungen, wie sie bei einem Hubschrauberrotor üblich sind, sind jedoch gewisse Entwurfskompromisse notwendig. Diese können aber alle bei der anfänglichen Bemessung des Lagers kompensiert werden.

Da die Mittelpunkte der axialen Kontur ohne eine axiale Belastung weniger zusammenfallen, ist das Lager ohne eine Belastung steifer und bei einer Belastung weicher. Das ist für einen Hubschrauber ideal. Wenn beispielsweise der Hubschrauber geparkt ist oder rollt, ist der Rotor kippsteif, so daß Windböen keine übermäßigen Kippwinkel verursachen. Für das Manövrieren beim Flug ist der Rotor hinsichtlich des Schlagens nachgiebiger.

Die wesentliche Eigenschaft dieses Merkmals ist, daß die Elastomerschichten 220 in Richtung weg von einer erwarteten axialen Belastung zunehmend axial versetzt sind, so daß die Belastung bewirkt, daß die Elastomerschichten 220 weniger versetzt sind. Die Versetzung bewirkt, daß mehr Elastomer auf Druck beansprucht wird, um die Belastung aufzunehmen. Dieses Merkmal ist unabhängig von den Höckern, mit anderen Worten, das Merkmal würde im Zusammenhang mit einem sphärischen Lager nützlich sein, das keine axialen Höcker hat und infolgedessen keine großen Drehmomente übertragen könnte.

Die Funktion eines zuvor beschriebenen Lagers wird für gewisse Verwendungszwecke verbessert, indem die Kippsteifheit in allen Azimuts gleichmäßig gemacht und das Axiallasttragvermögen des Lagers gesteigert wird. Beispielsweise sind die Verbesserungen im Zusammenhang mit der Verwendung des Lagers bei einem kardanartigen Rotorsystem nützlich, aber nicht absolut notwendig. Es gibt viele Verwendungszwecke für das grundlegende Lager ohne die Verbesserungen.

Fertigungstechnik

Wie oben erwähnt, sind mehrere abwechselnde Elastomerschichten und unelastische Zwischenschalen zwischen der inneren und der äußeren Schale angeordnet. Die Materialien und Verfahren, durch die sie mit der inneren und der äußeren Schale vereinigt werden, sind allgemein bekannt. Beispielsweise sind Gummimassen für das Elastomer gut geeignet und können mit hohen Drücken in das Lager bei der Herstellung eingespritzt werden, um die Vorkompression vorzunehmen. Es ist außerdem bekannt, die Härte von Schicht zu Schicht zu verändern, um die Ermüdungslebensdauer zu maximieren. Bei gewissen Lagergeometrien wird es notwendig sein, die Zwischenschalen bei der Fertigung zu teilen, so daß sie in das Lager eingefügt werden können. Das Teilen der Zwischenlagen und das Versetzen der Lücken sind bekannt, beispielsweise bei Stangenendlagern. Außerdem müssen die Zwischenschalen dick genug sein, damit sie ihre Abmessungen während des unter hohem Druck stattfindenden Formpressens behalten.

In dem allgemeinen Fall werden die Zwischenschalen eine gleichmäßige Dicke haben, und ihre Gestalt wird der Kontur der inneren und äußeren Schale entsprechen. Bei Verwendungszwecken jedoch, bei denen es erwünscht ist, die Elastomerdicke in einem Bereich zu reduzieren, ist es erwünscht, die Zwischenschalendicke zu variieren. In diesen Fällen ist ein Verbundaufbau, beispielsweise aus Graphit/Epoxy, für die Zwischenschale gut geeignet, insbesondere in Verbindung mit computergestützten Konstruktions- und Fertigungsanlagen.

Die Zwischenschalen sind den Zug- und Druckreaktionskräften (d. h. Biegung - wie oben erläutert) ausgesetzt. Biegemomente erzeugen große Umfangsspannungen und sind bei dem Zwischenschalenentwurf zu berücksichtigen. Beispielsweise wird gemäß der US 41 42 833 die Laminatgeometrie so ausgelegt, daß die Laminatbiegung reduziert wird. Dagegen wird mit der Geometrie der zuvor beschriebenen Lager speziell beabsichtigt, die Laminatbiegung hervorzurufen. Das bedeutet ganz einfach, daß die Zwischenschalen entsprechend ausgelegt werden müssen.

"Bei der Dimensionierung der Lager am Anfang für Entwurfskompromißstudien beinhaltet die analytische Technik einfache Methoden, die auf der herkömmlichen Festigkeit von Materialien basieren. Mittlere Drücke und Beanspruchungen werden unter Verwendung von Handbuchformeln und mittleren Elastomerkriterien hinsichtlich Formfaktor und Modul berechnet. Empirische Formeln, die auf groben Annahmen der Lagerkonstruktion basieren, stehen zur Verfügung, um die anfängliche Gesamtgröße festzulegen. Die Lagersteifheit kann berechnet werden, indem eine Handbuchtechnik benutzt wird, um die Kompatibilität mit dem besonderen Verwendungszweck zu ermitteln. Nachdem die Lageraußenhülle auf diese Weise festgelegt worden ist, können dann spezifische Einzelheiten der Laminatpackung festgelegt werden. Die Zwischenschalendicke und die Elastomerlaminatdicke sowie der Modul können auf der Basis von ausgeglichenen Elastomerverformungen und/ oder Steifheit und durch Zwischenschalenbiegespannungen ausgewählt werden. Eine vereinfachte Geometrie und idealisierte Belastungsannahmen sind in dieser Phase der Analyse für die Zwecke der Entwurfsiteration erforderlich. Lagerkräfte und/oder -bewegungen müssen einzeln ausgeübt und vektoriell addiert werden, oder Spannungen müssen überlagert werden, um ein grundlegendes Verständnis der kombinierten Zwischenschalen- oder Elastomerspannungen zu schaffen.

Dieses Vorgehen berücksichtigt weder das nichtlineare Spannungs- Dehnungsverhalten des Elastomers noch die Nichtlinearitäten, die in der Analyse irgendeines großen Beanspruchungsproblems enthalten sind. Darüber hinaus haben viele Lager unter Belastung nichtachsensymmetrische Geometrien und nichtachsensymmetrische Belastungen. Die Technik der endlichen Elemente ist erforderlich, um ein besseres Verständnis dieses dreidimensionalen, äußerst nichtlinearen analytischen Problems zu gewinnen. Computercodes sind auf der Basis von Programmen wie TEXGAP (und NASTRAN) entwickelt worden, welche in der Lage sind, einige der bei dieser Analyse auftretenden Probleme zu handhaben. Sie enthalten Elemente, die so formuliert sind, daß sie das inkompressible Verhalten von Elastomeren (Poissonsche Beiwerte nahe 0,5) wiedergeben. Das gesamte Lager kann also im Modell nachgebildet werden. Eine genauere Definition der Spannung/Dehnung innerhalb des Lagers kann unter verschiedenen Belastungskombinationen erzielt werden. Rand- und örtliche Effekte können genauer ausgewertet werden. Der Lagerentwurf kann verfeinert werden, um einen besseren Ausgleich von Elastomerverformungen in dem Lager zu erzielen und Zwischenschalenspannungen zu minimieren." (American Helicopter Society Journal, Januar 1981, S. 37; The Sikorsky Elastomeric Rotor, R. Rybicki.)

Claims (10)

1. Elastomeres Lager, insbesondere für ein Gleichlaufgelenk, mit
einer inneren Schale (12; 102; 156) mit einer Außenoberfläche, die eine erste Kontur hat, welche in einer zu einer Lagerachse (20; 110) normalen Ebene bestimmt ist durch die Lagerachse (20; 110) und wenigstens drei Bogensegmente (30-33; 116-119), die durch einen ersten Radius (R1; R3) um Punkte (26-29; 106-109) festgelegt sind, welche von der Lagerachse (20; 110) gleichen Versatz aufweisen und symmetrisch um sie in der zur Lagerachse (20; 110) normalen Ebene angeordnet sind, wobei die erste Kontur ein annähernd sphärisches Axialprofil mit polarer Symmetrie aufweist;
einer um die innere Schale (12; 102; 156) angeordneten äußeren Schale (14; 104; 158) mit einer Innenoberfläche, welche eine zweite Kontur hat, die in der zur Lagerachse (20; 110) normalen Ebene bestimmt ist durch die Lagerachse (20; 110) und wenigstens drei Bogensegmente (30-33; 116-119), welche durch einen zweiten Radius (R2; R4) um die Punkte (26-29; 106-109) festgelegt sind, wobei der zweite Radius (R2; R4) größer als der erste Radius (R1; R3) ist und wobei die zweite Kontur ein annähernd sphärisches Axialprofil mit polarer Symmetrie aufweist; und
wenigstens einer Elastomerschicht (16; 100; 152), die zwischen der Außenoberfläche der inneren Schale (12; 102; 156) und der Innenoberfläche der äußeren Schale (14; 104; 158) angeordnet und vorkomprimiert ist sowie mit der Außenoberfläche der inneren Schale (12; 102; 156) und der Innenoberfläche der äußeren Schale (14; 104; 158) verklebt ist, so daß eine Drehung der inneren Schale (12; 102; 156) relativ zu der äußeren Schale (14; 104; 158) um die Lagerachse (20; 110) bewirkt, daß in der Elastomerschicht (16; 100; 152) aneinander angrenzende Bereiche von Druck- und Zugkräften entstehen, welche längs der Bogensegmente (30-33; 116-119) normal zur Oberfläche der Elastomerschicht (16; 100; 152) gerichtet sind, um ein Drehmoment zwischen der inneren und der äußeren Schale (12; 102; 156 bzw. 14; 104; 158) zu übertragen.

2. Elastomeres Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Radius (R1) größer als der Abstand zwischen der Außenoberfläche der inneren Schale (12; 156) und der Lagerachse (20) ist.

3. Elastomeres Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Radius (R3) kleiner als der Abstand zwischen der Außenoberfläche der inneren Schale (102) und der Lagerachse (110) ist.

4. Elastomeres Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene eine Äquatorialebene der inneren und äußeren Schale (12; 102; 156 bzw. 14; 104; 158) ist, und
daß die Konturen der Außenoberfläche der inneren Schale (12; 102; 156) und der Innenoberfläche der äußeren Schale (14; 104; 158) in axialer Richtung durch Drehprojektionen jedes Bodensegments (30-33; 116-119) um seinen zugeordneten Punkt (26- 29; 106-109) bestimmt sind, so daß das Lager ein annähernd sphärisches Axialprofil hat.

5. Elastomeres Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Lagerachse normale Ebene eine Äquatorialebene der inneren und äußeren Schale (12; 102; 156 bzw. 14; 104; 158) ist, und
daß für jede andere zu der Lagerachse (20; 110) normale Ebene sowohl der Versatz der Punkte (26-29; 106-109) als auch der Radien (R1-R4) als Funktion des Abstands zwischen der jeweiligen Ebene und der Äquatorialebene abnimmt, so daß das Lager ein annähernd sphärisches Axialprofil hat.

6. Elastomeres Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch mehrere Elastomerschichten (16; 100; 152), wobei jede Schicht durch eine Zwischenschale (18) von der anderen getrennt und mit der Zwischenschale (18) verklebt ist und jede Zwischenschale (18) eine dritte, der ersten und zweiten Kontur angepaßte Kontur hat.

7. Elastomeres Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Höhe der wenigstens einen Elastomerschicht (16; 100; 152) entsprechend der Kippsteifigkeit des Lagers jeweils im Azimut variiert, so daß jeweils im Azimut gleiche Kippsteifigkeit vorhanden ist.

8. Elastomeres Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der wenigstens einen Elastomerschicht (16; 100; 152) entsprechend der Kippsteifigkeit des Lagers jeweils im Azimut variiert und/oder, daß die Härte der wenigstens einen Elastomerschicht (16; 100; 152) entsprechend der Kippsteifigkeit des Lagers jeweils im Azimut variiert, so daß jeweils im Azimut gleiche Kippsteifigkeit vorhanden ist.

9. Elastomeres Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch mehrere Elastomerschichten (220) und Zwischenschalen (222), die ein annähernd sphärisches Axialprofil aufweisen, wobei in unbelastetem Zustand die Mittelpunkte der axialen Kontur für die Elastomerschichten (220) fortschreitend von Schicht zu Schicht in einer zu der angreifenden axialen Belastung entgegengesetzten Richtung versetzt sind.

10. Elastomeres Lager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelpunkte der axialen Kontur für die Schichten so konfiguriert sind, daß sie bei Lagerbelastung in einer gemeinsamen, zur Lagerachse (20; 110) normalen Ebene liegen.