DE3540670A1 - Elastisches lager- und schocksicherungselement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elastisches Lager- und Schocksicherungselement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Einrichtungen sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen zur Verhinderung bzw. Verminderung der Übertragung von Schwingungen und Erschütterungen zwischen verschiedenen Baugruppen oder auch zwischen Maschinen oder empfindlichen Geräten und ihrem Standort bekannt, wobei mit ihrer Hilfe einerseits beispielsweise Maschinenschwingungen gegenüber Fundamenten, Gebäuden oder Fahrzeugen und andererseits Erschütterungen des Aufstellungsortes solcher Geräte oder Instrumente gegenüber diesen Geräten oder Instrumenten abgefangen werden sollen.

Im Vergleich zu zwei- und mehrstufigen Lagerelementen mit paralleler Anordnung und Wirkungsweise ihrer Federeinheiten, wie sie beispielsweise in der DE-OS 29 03 765 beschrieben sind, besitzen die Lager der erfindungsgemäßen Gattung den für bestimmte Einsatzbereiche entscheidenden Vorteil, daß ihre resultierende Federcharakteristik von Stufe zu Stufe flacher verläuft, ihre Härte also in der zweiten Stufe geringer ist als in der Grundstufe, womit sich unter gleichzeitiger Ausnutzung der vergrößerten Einfederung längere Wege zur Aufnahme und Absorption von Schocks ergeben.

Das Wirkungsprinzip einer solchen Feder-Serienschaltung ist beispielsweise in der DE-PS 8 04 874 beschrieben und dargestellt, und zwar in der Weise, daß eine erste Feder die Normalbelastungen abfängt und eine zweite, weichere Feder erst dann ins Spiel kommt, wenn die Belastung der ersten Feder einen vorgegebenen Wert übersteigt. Dieser vorgegebene Belastungswert ergibt sich in der bekannten Anordnung aus der Vorspannung, unter der die zweite Feder eingesetzt ist.

Obwohl sich mit einer derartigen bekannten Feder-Serienschaltung mit vorgespannter Sekundärfeder ein elastisches Lagerelement realisieren ließ, bei dem die Primärfeder im Normalbetrieb von der Sekundärfeder absolut entkoppelt arbeitete und deshalb in bezug auf die tatsächlich vorliegenden Randbedingungen bezüglich der abzufedernden Masse sowie der Anregungs- und Eigenfrequenzen optimiert werden konnte, waren die insgesamt erzielbaren Eigenschaften derartiger Systeme in zahlreichen, in der Praxis besonders bedeutsamen Fällen nicht ausreichend, und zwar immer dann, wenn nicht nur im Normalbetrieb eine Optimierung der elastischen Lagerung gefordert war, sondern auch für den Fall eines Schocks optimale Voraussetzungen geschaffen werden mußten. Insbesondere bei starker Normalbeanspruchung mußte nämlich die Vorspannung der Sekundärfeder so hoch eingestellt werden, daß die Forderungen bezüglich der Schocksicherung wegen der sich ergebenden Federhärte und des zu geringen verbleibenden Federweges der Sekundärfeder nicht mehr erfüllt werden konnten.

Die sich hieraus ergebende Aufgabe, ein sowohl für den Normalbetrieb als auch für den Fall eines Schocks optimierbares Lagerelement zu schaffen, wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Einrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit Hilfe der vorgeschlagenen Blockiermittel wird erreicht, daß die zweite Federeinheit - also die Sekundärfeder - des erfindungsgemäßen Lagerelementes im Normalbetrieb immer ihren entspannten Grundzustand beibehält, obwohl die an der ersten Federeinheit - also der Primärfeder - auftretenden Kräfte F 1 sowohl statisch als auch im dynamischen Normalbetrieb größer sind als die ihnen entgegengerichtete Federkraftkomponente F 2 der zweiten Federeinheit in deren normalen Einbauzustand. Das heißt, für die durch die Blockiermittel erzeugte, der Belastung F 1 entgegengerichtete und die zweite Federeinheit stützende Haltekraftkomponente F 3 im Normalbetrieb die Ungleichung F 2≦ωτF 1≦ωτF 3. Andererseits sind die Blockiermittel erfindungsgemäß so ausgelegt, daß die wirksame Haltekraftkomponente F 3 kleiner ist als die für das abzufedernde Gerät oder Aggregat vorgegebene maximal zulässige Schockbelastung, so daß ihre Halte- bzw. Stützwirkung im Falle eines unzulässigen Schocks überwunden wird, wodurch die zweite Federeinheit zum Tragen kommt. Da die zweite Federeinheit bis dahin unbelastet war, steht dann ihr gesamter Federweg zum Abfangen eines solchen Schocks zur Verfügung.

Vorzugsweise sind die Federeinheiten schwingungsdämpfend ausgebildet. Dies kann durch die innere Dämpfung des Federmaterials, durch konstruktiv in die Federeinheiten integrierte Dämpfungsmittel oder auch durch parallel zu den Federn angeordnete separate Dämpfungselemente realisiert werden.

Die Blockiermittel bestehen in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung aus mindestens einer Stütze, die eine definierte Bruchkraft F 3 aufweist, also bei einer vorgegebenen Belastung zu Bruch geht und die zweite Federeinheit freigibt. Diese Stütze besteht vorzugsweise aus einem spröd-brüchigen Zell- oder Strukturgebilde, insbesondere einem mineralischen oder synthetischen Hartschaum. Als besonders geeignet haben sich Stützelemente erwiesen, die aus Glasschaum bestehen oder Glasschaum enthalten; denn Formteile aus diesem an sich bekannten Werkstoff weisen eine sehr exakt festlegbare Belastungsgrenze auf, bis zu der sie einer Krafteinwirkung praktisch verformungslos standhalten und bei deren Erreichen sie schlagartig wegbrechen oder in sich zusammenbrechen.

Eine andere vorteilhafte Möglichkeit zur Realisierung von Stützen mit definierter Bruchkraft F 3 bieten Haltearme, die durch ihre konstruktive Gestaltung eine entsprechende Sollbruch- oder Sollknickstelle aufweisen.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung weist als Blockiermittel eine Schnapp-Rastung auf, die die zweite Federeinheit an ihrem von der ersten Federeinhiet beaufschlagten Ende mit der vorgegebenen definierten Haltekraft F 3 arretiert. Ferner können die Blockiermittel vorteilhaft als Hydraulikelemente ausgebildet sein, die die Enden der zweiten Federeinheit gegeneinander abstützen und die eine im Normalbetrieb durch ein Überdruckventil, eine Berstscheibe oder dergleichen verschlossene Ausströmöffnung aufweisen, durch die die Hydraulikflüssigkeit bei einem der vorgegebenen Haltekraft F 3 entsprechenden Innendruck schlagartig entweichen kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, durch kaskadenartige Hintereinanderschaltung mehrerer Sekundärfedern, die im Normalbetrieb durch Blockiermittel mit unterschiedlicher Stütz- bzw. Haltekraft blockiert sind, eine Schocksicherung zu schaffen, die auf Schocks entsprechend unterschiedlicher Intensität anspricht und die insbesondere auch mehrere Schocks hintereinander abfangen kann, wenn diese Schocks mit von Mal zu Mal höherer Intensität auftreten.

In der Zeichnung sind verschiedene schematisch wiedergegebene Ausführungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Lagerung sowie Kraft-Weg- Diagramme zur Veranschaulichung des Wirkungsprinzips und schließlich eine Konkretisierung der Erfindung in Form eines beispielsweise zur schocksichernden Abstützung empfindlicher Schaltungseinrichtungen auf Schiffen geeigneten Lagers dargestellt. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 bis 4 Prinzipdarstellungen bevorzugter Ausführungssformen der Erfindung,

Fig. 5 Federkennlinien von zwei einzelnen Federeinheiten sowie eines erfindungsgemäß daraus zusammengesetzten Lagers im Vergleich zu einer vorbekannten Feder- Serienschaltung,

Fig. 6 ein Anwendungsbeispiel der Erfindung in Form eines aus Gummi-Federelementen und einem spröd-brüchigen Glasschaumblock zusammengesetzten Lagers.

Wie in den Fig. 1 bis 4 zu erkennen ist, enthält ein erfindungsgemäßes Lager- und Schocksicherungselement, mit dem beispielsweise ein Maschinenaggregat - hier repräsentiert durch die Masse M - an seinem Standort - repräsentiert durch die Basis B - federnd und weitgehend schocksicher aufgestellt werden kann, zwei nach Art einer Serienschaltung übereinander angeordnete Federeinheiten 1 und 2. Die erste Federeinheit 1 wird einerseits unmittelbar von der Masse M beaufschlagt, und andererseits stützt sie sich auf dem oberen Ende 2.1 der zweiten Federeinheit 2 ab, allerdings ohne diese im Normalbetrieb zu belasten, da die Belastung von dem sogenannten Blockiermittel 3 abgefangen wird, das den Abstand der Federenden 2.1 und 2.2 praktisch konstant hält, solange seine Halte- oder Stützkraft F 3 nicht durch eine außergewöhnliche - insbesondere schockartige - Belastung überschritten wird.

Als Blockiermittel 3 ist in der in Fig. 1 schematisch dargestellten Ausführungsform eine Stütze mit definierter Bruchkraft F 3 vorgesehen. Eine solche Stütze besteht vorzugsweise aus einem spröd-brüchigen Zell- oder Strukturgebilde, insbesondere besteht sie aus einem mineralischen oder synthetischen Hartschaum, vorzugsweise einem Glasschaum; sie kann aber auch beispielsweise als Wabenstruktur mit entsprechenden Festigkeitseigenschaften ausgebildet sein.

Fig. 2 zeigt das Prinzip einer alternativen Möglichkeit im Rahmen der vorliegenden Erfindung: Hier ist als Blockiermittel 3 eine Stütze mit Sollbruchstelle 3.1 vorgesehen.

Wie in Fig. 3 schematisch dargestellt, können die Blockiermittel 3 vorteilhaft auch die Form einer Schnapp-Rastung 3.2 aufweisen, die das der Basis B abgewandte Ende 2.1 der Federeinheit 2 mit definierter Haltekraft F 3 arretiert.

Fig. 4 zeigt schließlich, wie in einer Ausgestaltung der Erfindung als Blockiermittel 3 ein Hydraulikelement Verwendung finden kann, das eine durch ein Überdruckventil, eine Berstscheibe oder dergleichen verschlossene Ausströmöffnung 3.3 aufweist, die im Normalbetrieb geschlossen ist, sich jedoch schlagartig öffnet und die Hydraulikflüssigkeit entweichen läßt, wenn die auftretende Belastung den Innendruck über einen der vorgegebenen Haltekraftkomponente F 3 entsprechenden Wert steigert.

Falls es infolge eines Schocks zur Auslösung der Blockiermittel 3 gekommen ist, muß das Federelement, um seine Schocksicherungsfunktion wiederherzustellen, neu positioniert werden. Dies geschieht in den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und 2 durch Einsetzen neuer Stützen, gemäß Fig. 3 durch Rückführung des Federendes 2.1 in die Raststellung und gemäß Fig. 4 durch Wiederfüllen des Hydraulikelementes.

Fig. 5 veranschaulicht die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Lager- und Schocksicherungselementes anhand der Federkennlinien der beteiligten Federeinheiten, und zwar ist mit I die Kennlinie der Federeinheit 1, mit II die Kennlinie der Federeinheit 2 und mit III die resultierende Kennlinie bei Hintereinanderschaltung der beiden Federeinheiten 1 und 2 bezeichnet. In der bekannten Feder-Serienschaltung mit vorgespannter Sekundärfeder nach DE-PS 8 04 874 ergibt sich die resultierende Kennlinie IV, die zunächst der Kennlinie I entspricht und nach Überschreiten der Vorspannkraft F 3 parallel zur resultierenden Kennlinie III verläuft. Die resultierende Kennlinie V der erfindungsgemäßen Serienschaltung der Federeinheiten 1 und 2 folgt zwar bis zur Erreichung der Haltekraft F 3 des Blockierelements 3 ebenfalls der Kennlinie I, anschließend fällt sie jedoch mit der resultierenden Kennlinie III zusammen und verläuft durchgängig deutlich unterhalb der Kennlinie IV, was einer vergleichsweise wesentlich geringeren Schockbelastung der abzufedernden Masse M entspricht, d. h. bei gleicher Einfederung wird die Masse M mit einer deutlich geringeren Kraft beaufschlagt bzw. eine vorgegebene Maximalbelastung wird erst bei erheblich größerer Auslenkung erreicht.

Dadurch, daß die Federeinheiten des erfindungsgemäßen Lagerelements im Normalbetrieb vollständig voneinander entkoppelt sind, können sie auch voneinander unabhängig bezüglich ihrer Feder- und Dämpfungs-Charakteristiken optimiert werden; das heißt, die erste Federeinheit wird auf die Masse und das Schwinungsverhalten z. B. eines empfindlichen Maschinenaggregates im Normalbetrieb abgestimmt, während die zweite Federeinheit - und gegebenenfalls weitere Federeinheiten - für beispielsweise durch Erdbebenstöße oder Explosionen ausgelöste Schockbelastungen optimal ausgelegt wird und hierfür insbesondere auch die erforderliche Federwegreserve verfügbar hält.

In Fig. 6 ist ein senkrechter Schnitt durch ein praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben, das insbesondere zur Lagerung von empfindlichen Schaltungseinrichtungen - beispielsweise auf Schiffen - Verwendung finden kann. Als Primärfeder 1 ist in diesem Fall ein an dieser Stelle besonders geeignetes sogenanntes Hydrolager vorgesehen, das sich durch seine konstruktive Gestaltung und die integrierte Dämpfung in idealer Weise an die schwingungstechnischen Gegebenheiten anpassen läßt. Das Hydrolager, das in der Zeichnung nur durch seine Umrisse dargestellt ist, stützt sich über einen Zwischenring 4 auf drei um je 120° gegeneinander versetzt angeordnete als Gummifedern ausgebildete Sekundärfedern 2 ab, wobei diese Gummifedern infolge ihrer Blockierung durch die zwischen dem Zwischenring 4 und der Grundplatte 5 eingesetzten drei Stützelemente 3, die hier als Glasschaumblöcke ausgebildet sind, im Normalbetrieb praktisch unbelastet bleiben. Dabei ist jeweils ein Stützelement 3 äquidistant zwischen zwei Gummifedern 2 angeordnet. Wird die dargestellte Lageranordnung mit einem Schock beaufschlagt, der einen vorgegebenen, für die abzufedernde Einrichtung maximal zulässigen Wert übersteigt, so brechen die Glasschaum- Stützen 3 momentan in sich zusammen und geben die gesamte Federwegreserve der langhubigen Gummifedern 2 frei, die dann infolge ihrer Dreibein-Anordnung die Belastung symmetrisch abfangen.

Claims (10)

1. Elastisches Lager- und Schocksicherungselement zur federnden Abstützung einer Masse gegenüber einer Basis, das mindestens zwei in Serie hintereinander angeordnete Federeinheiten enthält, wobei die erste, unmittelbar von der abzufedernden Masse beaufschlagte Federeinheit auf die im Normalbetrieb auftretenden Frequenzen und Amplituden der besagten Masse abgestimmt ist und sich mit ihrem der abzufedernden Masse abgewandten Ende gegen die zweite Federeinheit so abstützt, daß eine Verformung dieser zweiten Federeinheit erst dann eintritt, wenn die Verformung der ersten Federeinheit einen vorgegebenen Betrag überschreitet und wobei die erste Federeinheit eine härtere Federcharakteristik besitzt als die zweite Federeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Enden (2.1, 2.2) der zweiten Federeinheit (2) Blockiermittel (3) angeordnet sind, deren der Einfederung der zweiten Federeinheit (2) entgegengerichtete und den Abstand der beiden Federenden (2.1, 2.2) etwa konstant haltende Haltekraftkomponente (F 3) kleiner ist als die für die abzufedernde Masse (M) vorgegebene zulässige Maximalbelastung, aber größer als die ihr gleichgerichtete Kraftkomponente (F 2) der zweiten Federeinheit (2) in deren unbelastetem Einbauzustand und ebenfalls größer als die ihr entgegengerichteten im Normalbetrieb durch die Abstützung der ersten Federeinheit auf sie ausgeübten Kräfte (F 1).

2. Lager- und Schocksicherungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federeinheiten (1, 2) schwingungsdämpfend ausgebildet sind.

3. Lager- und Schocksicherungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blockiermittel (3) aus mindestens einer Stütze mit definierter Bruchkraft (F 3) gebildet sind.

4. Lager- und Schocksicherungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütze ein spröd-brüchiges Zell- oder Strukturgebilde ist oder enthält.

5. Lager- und Schocksicherungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zell- oder Strukturgebilde aus einem mineralischen oder synthetischen Hartschaum besteht oder einen solchen Schaum enthält.

6. Lager- und Schocksicherungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zell- oder Strukturgebilde aus Glasschaum besteht oder Glasschaum enthält.

7. Lager- und Schocksicherungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütze aus einem Haltearm mit Sollbruchstelle (3.1) besteht.

8. Lager- und Schocksicherungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blockiermittel (3) die Form einer das der Basis (B) abgewandte Ende (2.1) der zweiten Federeinheit (2) arrretierenden Schnapp-Rastung (3.2) mit definierter Haltekraft (F 3) aufweisen.

9. Lager- und Schocksicherungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blockiermittel (3) ein die Federenden (2.1, 2.2) gegeneinander abstützendes Hydraulikelement aufweisen, das mit einer bei einem der vorgegebenen Haltekraftkomponente (F 3) entsprechenden Innendruck definiert öffnenden Ausströmöffnung (3.3) in Form eines Überdruckventils, einer Berstscheibe oder dergleichen ausgestattet ist.

10. Lager- und Schocksicherungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Federeinheit als Hydrolager (1) ausgebildet ist und sich über einen Zwischenring (4) gegen drei nach Art eines Dreibeins um je 120° gegeneinander versetzte und schräg zur Mittelachse angeordnete Gummifedern (2) abstützt, die im Normalbetrieb durch drei jeweils äquidistant zwischen ihnen angeordnete spröd-brüchige Stützen (3) blockiert sind und die andererseits gemeinsam mit den Stützen (3) auf einer Grundplatte (5) gelagert sind.