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Federkörper und Verfahren zu seiner Herstellung
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Beschreibung Die Erfindung betrifft einen Federkörper der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 genannten Art sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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In der Federungstechnik, speziell beim federnden Lagern von Geräten
und Maschinen, haben sich Federkörper aus elastischem Werkstoff, insbesondere sogenannte
Gummipuffer, bestens bewährt.
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Konstruktive und materialbedingte Grenzen sind diesen bekannten Federkörpern
dort gesetzt, wo relativ große Massen relativ weich federnd, also mit flachem Verlauf
der Federkennlinie, gelagert werden sollen. Mit anderen Worten, die bekannten Gummipuffer
versagen dort, wo für
eine vorgegebene Last ein- möglichst weiter
Federweg benötigt wird. Bei Verwendung eines massiven Elastomerblocks muß das Elastomer
zur Erreichung dieses Ziels relativ weich eingestellt werden, was zu einer starken
wulstartigen Verformung der Außenkontur des Federkörpers senkrecht zur Krafteinwirkung
führt. Dies bedingt eine hohe inhomogene Spannungskonzentration in den nicht lastaufnehmenden
Außenflächen des Federkörpers, die ihrerseits zu einer geringen Rückstellkraft,
zum Kriechen und zu Ermüdung durch Materialüberlastung führt.
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Zur Verbesserung dieser Verhältnisse ist aus der Lagertechnik bekannt,
gummielastische Federkörper mit zueinander parallelen zylindrischen Kanälen zu durchsetzen,
die zumindest einen Teil der sonst praktisch ausschließlich auf die Außenwandflächen
des Federkörpers konzentrierten Verformungsspannungen aufnehmen. Gegenüber aus Vollmaterial
bestehenden Gummipuffern werden dadurch zwar weichere Federkörper erhalten, jedoch
können gegenüber den massiven Federkörpern nur relativ geringfügige Verbesserungen
erzielt werden, die den Anforderungen der Konstruktionstechnik aus den verschiedensten
Bereichen nach weichen aber festen Elastomerfederkörpern noch bei weitem nicht gerecht
werden.
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Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, einen Federkörper aus einem elastischen Werkstoff der eingangs genannten
Art zu schaffen, der einerseits mechanisch so widerstandsfähig, fest und stabil
ist, daß er auch größere Lasten unbeschadet aufnehmen kann, und andererseits eine
ausgesprochen weiche Federcharakteristik, also einen ausgesprochen flachen Verlauf
der Federkennlinie über einen weiten elastischen Rückstellbereich, aufweist.
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Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Herstellung eines solchen Federkörpers zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Federkörper der eingangs genannten
Art mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 12 genannten
Merkmalen ausgestattet.
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Durch die erfindungsgemäß im Elastomerkörper zusätzlich zu den Kanälen
und von diesen durchsetzt ausgebildeten gröBeren Hohlräume wird bei dem Federkörper
gemäß der Erfindung ein zusätzlicher innerer Verformungsraum geschaffen, der ohne
den Federkörper mechanisch zu schwächen und ohne zu einem negativen Verlauf der
Federkennlinie durch Knickeffekte zu führen, dem Federkörper ein wesentlich weicheres
Federverhalten verleiht, also dessen Federkennlinie wesentlich flacher verlaufen
läßt, ohne daß dadurch ein bloßes quasi-plastisches Zusammendrücken des Federkörpers,
ein sogenanntes Setzen des Federkörpers, bei dem die elastische Rückstellkraft weitgehend
verlorengeht, in Kauf genommen zu werden braucht. Dieser Effekt ist auf die im Federkörper
gemäß der Erfindung hochgradige Gleichverteilung der gesamten Verformungsspannung
zurückzuführen. Außerdem wird durch die Hohlräume eine signifikante akustische Dämpfung
erhalten, die auf Dissipationseffekte zurückgeführt wird.
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Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und
dort gekennzeichnet.
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Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind
die den elastischen Block des Federkörpers durchsetzenden Kanäle in Form von zwei
Kanalscharen ausgebiläet, die jeweils untereinander räumlich mit gleichem Abstand
voneinander
und den gesamten Block durchsetzend parallel zueinander
angeordnet sind. Dabei sind die beiden Kanalscharen senkrecht einander kreuzend
angeordnet, jedoch in unterschiedlichen Ebenen so, daß sie einander ohne sich zu
schneiden durchsetzen. Jeder der Kanäle durchsetzt zentrisch mehrere, vorzugsweise
kugelförmige Hohlräume, die, bezogen auf die Kanalachse, mit einem solchen gleichen
Abstand voneinander angeordnet sind, daß sämtliche im Elastomerblock vorliegenden
Hohlräume beider Kanalscharen gemeinsam ein kubisch raumzentriertes Gitter bilden.
Dabei sind die Kanalscharen so angeordnet, daß die hohlräume jeweils einer der Kanalscharen
eines der beiden kubisch primitiven Teilgitter bilden, aus denen sich insgesamt
das kubische raumzentrierte Gitter zusammensetzt. Bei einem solcherart ausgestalteten
Federkörper wird eine optimale Spannungsverteilung bei Lasteinwirkung unter Kompression
über den gesamten Federkörper erzielt, so daß der Federkörper eine außerordentlich
flach verlaufende Federkennlinie mit weitem Proportionalitätsbereich aufweist. Ein
solcherart gestalteter Federkörper ist dabei im Vergleich zu den bekannten Federkörpern
nicht nur in seinem Federverhalten weicher, sondern diesen bekannten Federkörpern
hinsiclltlich seiner Standzeit aufgrund dergeril1geren Materialbeanspruchung weit
überlegen. Zudem wird im Vergleich zu bekannten Federkörpern mit gleichem Verlauf
der Federkennlinle eine wesentlich größere Stabilisierung gegenüber Schubkräften
erzielt, die neben der hauptsächlichen Druckbelastung auftreten können.
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Außerdem wird durch Streueffekte in den Ilolilkörpern eine unerwartet
gute Körperschallisolation in dem Federkörper erzielt.
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Eine optimale Wirkung des Federelements wird erzielt, wenn das Federelement
von mehreren jeweils zueinander ebenenparallelen
Kanalscharen
jeweils untereinander paralleler Kanäle durchsetzt ist, von denen jede einzelne
Schar von Kanälen eine Ebene definiert und die auf das Federelement im Sinne einer
Kompression einwirkende Nutzlast zumindest im wesentlichen senkrecht zu den Ebenen
der Kanalscharen einwirkt. Dabei können die einzelnen Kanalscharen bezüglich ihrer
Kanalachsen sowohl parallel zueinander ausgerichtet gestapelt sein als auch einander
kreuzend, aber, wie bereits vorstehend erwähnt, sich nicht schneidend, ausgerichtet
sein. Insbesondere hat sich eine Ausrichtung der Kanalachsen von einer zur nächstfolgenden
Ebene von Kanalscharen in der Weise als vorteilhaft erwiesen, daßin Richtung der
Stapelung gesehen die Achsen der Kanäle der einzelnen Kanalscharenebenen jeweils
gleichsinnig um den gleichen Winkelbetrag gegeneinander verdreht sind, also eine
schraubenartig fortschreitende Konfiguration bilden. Im Hinblick auf die Schalldämpfung
erbringt diese Anordnung den wesentlichen Vorteil, daß in Richtung senkrecht zu
den Kanalscharenebenen, also in Richtung der bevorzugten Lasteinwirkung, praktisch
keine durchgehenden Materialstränge, gleichsam Kurzschlußkanäle, stehenbleiben,
die sich als Körperschallbrücke auswirken können.
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Der Federkörper gemäß der Erfindung wird vorzugsweise in der Weise
hergestellt, daß in einem Formwerkzeug ein Formnest ausgebildet wird, das der Außenkontur
des herzustellenden Federkörpers entspricht. Dieses Formnest ist mit Formkernen
bzw. Formkernscharen durchsetzt, die zumindest im wesentlichen stabförmig ausgebildet
sind und in regelmäßigen Abständen Verdickungen aufweisen, deren Außenkontur der
Innenkontur der Hohlräume entspricht. Die Formkerne können unverlierbar aus Stahl
ausgebildet sein oder können aus Kunststoff als verlierbare Formkerne ausgebildet
werden.
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Das mit den Formkernscharen bestückte Formwerkzeug wird dann in an
sich bekannter Weise durch Pressen oder Spritzen mit der plastifizierten Elastomermasse,
sei diese nun unvernetzt, vorvernetzt oder thermoplastisch erweicht, beschickt.
Anschließend wird das Elastomer durch Vernetzen oder in anderer Weise verfestigt.
Der verfestigte Elastomerkörper wird mit den Formkernen entformt, d.h. aus dem Nest
des Formwerkzeugs herausgenommen. Dabei kann dieses "Herausnehmen" beispielsweise
auch dadurch erfolgen, daß die Formwerkzeugteile entfernt werden. Aus dem dabei
verbleibenden Elastomerkörper, der noch von den Formkernscharen durchsetzt ist,
werden dann die Formkerne durch Ziehen zerstörungsfrei oder in anderer Weise, beispielsweise
zerstörend, aus dem Elastomerkörper entfernt. Der erhaltene Federkörper kann direkt
oder gegebenenfalls nach weiterem Zuschnitt unmittelbar eingesetzt werden.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in
Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert wobei die Lage der Schnittebenen
durch die in der Kristallographie gebräuchlichen Miller'schen Indizes bezeichnet
ist.
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Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel
eines Federkörpers gemäß der Erfindung mit kubisch raumzentrierter Anordnung der
Hohlräume in der Schnittebene (110); Fig. 2 in schematischer Darstellung einen Schnitt
der in Fig. 1 gezeigten Art in der Ebene (100); und
Fig. 3 in dem
in den Figuren 1 und 2 dargestellten Federkörper in schematischer Darstellung die
räumliche Anordnung der Kanäle und Hohlräume.
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In den Figuren 1 und 2 ist in schematischer Darstellung jeweils ein
Schnitt durch einen Federkörper gezeigt, bei dem ein Block 5 aus einem elastischen
Werkstoff, hier Naturkautschuk mit einer Härte von 35 Shore A, von zwei Scharen
zylindrischer Kanäle 1 durchsetzt ist.
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Diese beiden Scharen zylindrischer Kanäle sind in einer Ebene senkrecht
zueinander, jedoch in der Richtung der Normalen zu dieser Ebene so gegeneinander
versetzt angeordnet, daß sich die Kanäle nicht schneiden. Die Kanäle jeder Schar
verlaufen jeweils parallel zueinander und sind zumindest im wesentlichen über das
gesamte Volumen des Blocks 5 mit gleichem räumlichen Abstand voneinander verteilt
angeordnet. Jeder der Kanäle 1 durchsetzt mehrere kugelförmige Hohlräume 2, deren
Durchmesser größer als der Durchmesser des Kanals 1 ist. Die kugelförmigen Hohlräume
2 und die Kanäle 1 sind dabei jeweils so zueinander angeordnet, daß die Mittelachse
4 der zylindrischen Kanäle 1 durch die Mittelpunkte 3 der kugelförmigen Hohlräume
2 verläuft. Bezogen auf die Achse 4 jedes Kanals 1 sind die kugelförmigen Hohlräume
2 äquidistant voneinander angeordnet. Dabei ist in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel
der Abstand zweier benachbarter kugelförmiger Hohlräume voneinander, die von ein
und demselben zylindrischen Kanal durchsetzt werden, gleich dem Abstand zweier benachbarter
zueinander paralleler Kanäle 1 derselben Schar von Kanälen.
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Mit anderen Worten, die kugelförmigen Hohlräume jeder Kanalschar bilden
untereinander ein kubisch primitives Teilgitter, wobei die beiden Teilgitter jeder
der beiden Scharen
so gegeneinander versetzt und ineinander verschränkt
sind, daß sämtliche im Block 5 verteilten kugelförmigen Hohlräume 2 untereinander
ein kubisch raumzentriertes Gitter bilden. Ausgedrückt in den in der Kristallographie
gebräuchlichen Schreibweise der Miller'schen Indizes zeigt die Fig. 1 die Schnittebene
(110) und die Fig. 2 die Schnittebene (100) dieses kubisch raumzentrierten Gitters
der Hohlräume 2 im Block 5 des Federkörpers. Die Fig. 1 zeigt also einen Schnitt
in Richtung der senkrecht zu einer Grundfläche des Gitterwürfels stehenden Diagonalfläche,
während der in Fig. 2 gezeigte Schnitt einer Seitenansicht auf die Gitterzelle entspricht.
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In Fig. 3 ist in schematischer räumlicher Darstellung im Ausschnitt
noch einmal die räumliche Anordnung der beiden sich durchdringenden Scharen von
Kanälen 1 mit den Hohlräumen 2 gezeigt, wobei die Elementarzelle 6 des kubisch raumzentrierten
Gitters der Hohlräume 2 angedeutet ist.
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Die bevorzugte Richtung der bestimmungsgemäß zu federnden Nutzlasteinwirkung
ist in den Fig. 2 und 3 durch den Pfeil F angedeutet. Diese Richtung verläuft für
den in Fig. 1 gezeigten Schnitt unter 450 zur Zeichnungsebene.
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Die beigefügte Zusammenfassung ist Bestandteil der vorliegenden Offenbarung.