DE4113521A1 - Vibrationsisoliervorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Vibrations- und Stoßisolierung. Speziell bezieht sich diese Erfindung auf einen neuen und verbesserten Untersatz, der ein zellulares oder geschäum­ tes Elastomer enthält, um die Vibrationen durch Isolierung, Dämpfung und Schutz vor Überlastungsstößen unter Kontrolle zu halten.

Mechanische Vibrationen treten bei allen Maschinen mit sich bewegenden Teilen auf. Solche mechanischen Vibrationen können sowohl beim Betrieb, als auch bei der Wartung der Maschine ernsthafte Probleme hervorrufen. Die Aufgabe der Vibrationsisolierung besteht darin, unerwünschte Vibrationen so unter Kontrolle zu bringen, daß ihre nachteiligen Wirkungen innerhalb annehmbarer Grenzen gehalten werden. Dies wird durch Verwendung von Vibrationsisolatoren erreicht.

Vibrationssysteme weisen drei grundlegende Elemente auf: (1) die Ausrüstung (Maschine, Komponente); (2) den Vibrationsuntersatz oder Isolator; und (3) die Unterlage (Fußboden, Platte). Wenn sich die Vibrationsquelle in der Ausrüstung befindet, vermindert der Vibrationsisolator die von der Ausrüstung auf die Unterlage übertragene Kraft. Wenn die Unterlage die Vibrationsquelle ist, ver­ mindert der Isolator die von der Unterlage auf die Aus­ rüstung übertragenen Vibrationen. In beiden Fällen ist die Dämpfungswirkung des Vibrationsisolators die gleiche. Ein Vibrationsisolator bewirkt sowohl eine zeitliche Verzögerung, als auch eine vorübergehende Energie­ speicherung, wodurch die Kraft auf der einen Seite des Isolators ausgeglichen wird, und auf der anderen Seite des Isolators eine geringere, kontrollierte Störung über­ tragen wird. Ein guter Vibrationsisolator hemmt daher eine Reaktion der Ausrüstung auf eine Kraft oder eine Bewegungsstörung. Ein Vibrationsisolator sollte die Eigenfrequenz der "montierten" Ausrüstung in eine Frequenz umwandeln, die wesentlich niedriger als die Frequenz der Vibrationsquelle ist. Es ist offensichtlich, daß ein schlecht entworfener Isolator mit einer unerwünschten Frequenzcharakteristik schädlicher sein kann als überhaupt kein Isolator. Von Vibrations­ isolatoren wird auch Energie abgegeben oder aufgenommen. Dieser Effekt wird durch die Dämpfungseigenschaften von Materialien, viskose Fluids, Gleitreibung oder Stoß­ dämpfer hervorgerufen. Der Zweck der Isolatordämpfung ist, die Vibrationen so schnell wie möglich zu vermindern oder abzuschwächen. Die Dämpfung wird bei Frequenzen, die Resonanz verursachen, besonders wichtig. Resonanz tritt auf, wenn die Eigenfrequenz der mit dem Isolator ver­ sehenen Ausrüstung (die von der Steifigkeit des Isolators und der getragenen Masse abhängt) mit der Frequenz der Vibrationsquelle zusammenfällt.

Die dem Stand der Technik entsprechenden Untersätze oder Isolierunterlagen weisen ein nachgiebiges Element auf, um eine kontrollierte, weiche Auflage zu erhalten. Das nachgiebige Element kann eine herkömmliche Stahl­ feder, ein Drahtgeflecht, oder ein in einem Gehäuse untergebrachtes festes Elastomer sein. Ein Kern oder Stempel ist in funktionsfähiger Weise mit der Feder, dem Drahtgeflecht oder dem festen Elastomer verbunden. Ein Ende des Kerns oder Stempels ist außerdem mit der Maschine verbunden, deren Vibrationen unter Kontrolle gehalten werden sollen.

Während einfache und zuverlässige Stahlfeder- und Drahtgeflecht-Untersätze oft Hilfskomponenten für die Reibung (das heißt, die Vibrationsdämpfung) und die Abbremsung (das heißt, den Überlastungsschutz) erfordern, weisen Untersätze mit festen Elastomeren den Nachteil auf, daß sie bei Anordnungen mit geringer statischer Last keine ausreichende Abbremsung bewirken.

Die oben diskutierten und andere Probleme und Mängel bei den dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtungen sind bei dem Vibrationsisolator oder Unter­ satz der vorliegenden Erfindung beseitigt oder ver­ mindert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vibrationsisoliervorrichtung vorgeschlagen, aus einem Gehäuse mit einer zentralen oberen Öffnung und einer Grundplatte, und aus einen zumindest teilweise in dem besagten Gehäuse angeordneten Kern mit einem sich durch die besagte Öffnung erstreckenden Schaft und einer an dem besagten Schaft befestigten Scheibe, die in dem besagten Gehäuse in einem vorgegebenen Abstand über der besagten Grundplatte angeordnet ist, wobei diese Vibrationsisoliervorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß das besagte Gehäuse zellulares elastomeres Material enthält, das die besagte Scheibe und mindestens einen Teil des besagten Schafts umgibt, und den besagten Kern in funktionsfähiger Weise mit dem besagten Gehäuse verbindet und innerhalb des besagten Gehäuses in einer vorgegebenen Position hält.

Vorzugsweise füllt das zellulare Elastomer das Gehäuse weitgehend aus. Außerdem besteht das zellulare Elastomer bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus zellularem Urethan- oder zellularem Silikonmaterial. Die Verwendung eines zellularen Elastomers als Federelement eines Vibrationsisolators weist gegenüber den dem Stand der Technik entsprechenden Untersätzen viele besondere Merkmale und Vorteile auf. Ein wichtiges besonderes Merkmal ist, daß das zellulare Elastomer von Natur aus sowohl eine Dämpfung, als auch einen Überlastungsschutz (wie beispielsweise eine Abbremsung) bietet. Da bei der vorliegenden Erfindung ein flüssiges, zellulares Elastomer in das Untersatzgehäuse eingespritzt wird, ist außerdem offensichtlich, daß die Erfindung im Vergleich zu der Multikomponenten-Struktur von Stahlfeder- oder Drahtgeflecht-Untersätzen einen einfachen, leicht herzustellenden und kostengünstigen Untersatz bietet. In ähnlicher Weise bietet der erfindungsgemäße Untersatz mit zellularem Elastomer wesentliche Vorteile gegenüber Untersätzen mit festem Elastomer, da er einen guten Überlastungsschutz (infolge Abbremsung) bietet, der bei Untersätzen mit festem Elastomer nicht vorhanden ist. Schließlich wird bei Verwendung von zellularem Elastomer ein Untersatz erhalten, der weniger leicht beschädigt werden kann, weil das elastomere Material im wesentlichen auf Druck beansprucht wird.

Die oben diskutierten und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute auf diesem Gebiet aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den im Anhang beigefügten Zeichnungen ersichtlich und verständlich werden.

Im folgenden wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, bei denen in den verschiedenen Figuren gleiche Teile mit der gleichen Kennziffer bezeichnet sind.

Die Fig. 1 ist eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, die einen erfindungsgemäßen Vibrationsisolier­ untersatz wiedergibt.

Die Fig. 2 ist eine Draufsicht des Untersatzes der Fig. 1.

Die Fig. 3 ist eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer gegenüber der Fig. 1 ein wenig ver­ schiedenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Fig. 4 ist ein typisches Diagramm, das die Überragbarkeit in Abhängigkeit von der Frequenz für einen erfindungsgemäßen Untersatz wiedergibt.

Die Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Last in Abhängigkeit von der Eigenfrequenz für verschiedene erfindungsgemäße Untersätze wiedergibt.

Die Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Last in Abhängigkeit von der Durchfederung für verschiedene erfindungsgemäße Untersätze wiedergibt.

Im folgenden wird zunächst auf die Fig. 1 Bezug genommen in der ein erfindungsgemäßer Vibrations­ isolieruntersatz bei der allgemeinen Kennziffer 10 wiedergegeben ist. Der Untersatz 10 weist ein Gehäuse 12 auf, aus einer zylindrischen Seitenwand 14 und einer oberen Begrenzungsfläche 16, in deren Mitte eine Öffnung 18 angebracht ist, und aus einer Bodenfläche in Form eines quadratischen Flanschs 20, der in den Ecken mit Montagebohrungen 22 versehen ist und in der Mitte offen ist. Auf dem Bodenflansch 20 ist eine mit Montage­ bohrungen 26 versehene quadratische Deckplatte 24 so angebracht, daß die Montagebohrungen 22 mit den Montage­ bohrungen 26 übereinstimmen. Die Bodenplatte 24 ist über Nieten 28, die in den Öffnungen 22 und 26 angebracht sind, mit dem Flansch 20 dauerhaft verbunden.

In der Öffnung 18 ist ein Kern oder Stempel 30 angeordnet, der einen bei einer flachen, kreisförmigen Scheibe 34 endenden, zylindrischen Schaft 32 aufweist. Eine Bohrung 36, vorzugsweise mit Innengewinde, verläuft in Längsrichtung durch die Mitte des Schafts 32.

Gemäß einem neuartigen und wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung ist der Kern 30 über ein zellulares oder geschäumtes elastomeres Material 38 in funktionsfähiger Weise mit dem Gehäuse 12 verbunden. Das zellulare elastomere Material 38 füllt das Gehäuse 12 vorzugsweise vollständig (oder zumindest weitgehend) aus, und fixiert den Schaft 32 in der zentralen Achse der Öffnung 18. Außerdem fixiert das zellulare Elastomer 38 die Platte 34 des Kerns 30 in einem vorgegebenen Abstand "d" über der Bodenplatte 24. Bei einem Untersatz mit einer Gehäusehöhe von ungefähr 2,40 cm beträgt "d" vor­ zugsweise 1,00 cm, wobei die gesamte Höhe zwischen dem oberen Ende des Kerns 32 und der Bodenplatte 24 ungefähr 3,20 cm beträgt.

Im folgenden wird auf die Fig. 3 Bezug genommen, in der ein Untersatz 40 einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergegeben ist. Der Untersatz 40 ist ähnlich aufgebaut wie der Untersatz 10, wobei gleiche Teile mit der gleichen Kennziffer und einem zusätzlichen Apostroph bezeichnet sind. Der hauptsäch­ liche Unterschied zwischen dem Untersatz 40 und dem Untersatz 10 besteht darin, daß bei dem Schaft 32′ des Kerns 30′ eine Schulter 42 vorgesehen ist.

Außerdem weist das zellulare Elastomer in dem Gehäuse 12′ eine gespritzte, ringförmige Oberfläche 44 auf, die an die Schulter 42 angrenzt und einen ringförmigen Zwischenraum 46 festlegt, der den Schaft 32′ umgibt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Fig. 3 hat das Gehäuse 12′ eine Höhe von ungefähr 3,60 cm, "d" beträgt ungefähr 1,30 cm, und die gesamte Höhe zwischen dem oberen Ende des Kerns 30′ und der Grundplatte 24′ beträgt ungefähr 4,50 cm.

Sowohl das Gehäuse 12, als auch der Kern 30 können aus einem geeigneten Metall oder Kunststoff bestehen. Vorzugsweise bestehen das Gehäuse 12 und der Kern 30 aus eloxiertem Aluminium, und die Ösen 22 aus verzinntem Messing.

Um eine ausreichende Abbremsung zu erhalten, beträgt der Abstand "d" vorzugsweise ungefähr 40% der gesamten Höhe des Gehäuses 12 (oder 12′).

Das zellulare oder geschäumte elastomere Material 38 kann aus einem geeigneten bekannten zellularen Elastomer bestehen. Vorzugsweise besteht das zellulare Elastomer 38 aus einem flüssigen, zellularen Silikon­ oder Urethanmaterial. Beispiele für geeignete zellulare Urethanmaterialien sind die zellularen Urethane, die in den US-Patenten Nr. 37 72 224; 39 47 386 und 46 92 476 beschrieben wurden. Außer den in den obigen US-Patenten beschriebenen zellularen Urethanen gibt es ein weiteres bevorzugtes Federmaterial für die Untersätze der vor­ liegenden Erfindung, und zwar ein mikrozellulares Urethan, das von der Rogers Corporation, Rogers, Connecticut, USA, unter dem Warenzeichen ENDUR-C ver­ trieben wird.

Bevorzugte ENDUR-C-Formulierungen, die im Handel erhältlich sind, sind in der nachstehenden Tabelle 1 wiedergegeben. Im allgemeinen besteht der mikrozellulare Urethanschaum ENDUR-C aus dem Reaktionsprodukt von Polyäther- oder Polyesterpolyolen, funktionalen Hydroxyl­ ketten-Extendern, und Polyisocyanaten. Amine oder metall­ organische Katalysatoren und Silikon-Netzmittel werden verwendet, um die Reaktionsgeschwindigkeit und die Schaumstruktur zu steuern.

Die Zellgrößen des bei der vorliegenden Erfindung verwendeten zellularen Elastomers liegen zwischen 50 und 400 Mikron, wobei die bevorzugte Zellgröße ungefähr 150 Mikron beträgt. Vorzugsweise hat der Schaum eine offene Zellstruktur.

Die Untersätze der vorliegenden Erfindung eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich Büro- und Laborausrüstungen, Leichtmaschinen und Fahr­ zeuge. Es ist ersichtlich, daß für das zellulare Elastomer 38 und ebenfalls für die Scheibe 34 des Kern 30 andere Abmessungen gewählt werden können, um die Festigkeit des Untersatzes zu verändern, damit er verschieden große Lasten tragen kann. Außerdem kann der Abstand "d" innerhalb des oben angegebenen Bereichs ver­ ändert werden. In der Tabelle 2 sind fünf Beispiele für Untersätze mit verschiedenen Lastkapazitäten, die von ungefähr 0,25 kg bis ungefähr 34 kg reichen, wieder­ gegeben. Bei den Untersätzen der Tabelle 2 werden die in der Tabelle 1 wiedergegebenen zellularen Urethan- Schaumstoffe verwendet.

Im folgenden wird auf die Fig. 4 Bezug genommen, die aus einem Diagramm besteht, in dem die Durchlässig­ keit in Abhängigkeit von der Frequenz für den Untersatz gemäß Beispiel 1 in Tabelle 1 und 2 wiedergegeben ist. Die Fig. 4 zeigt, daß die Eigenfrequenz F_n dieses Systems 11,8 MHz, und die Spitzendurchlässigkeit bei dieser Frequenz 3,80 beträgt. Dieses System ist bei Frequenzen über 16,7 Hz gegenüber Vibrationen isoliert. Die Fig. 5 besteht aus einem Diagramm, in dem die Last in Abhängigkeit von der Eigenfrequenz für die fünf Beispiele von Tabelle 1 und 2 wiedergegeben ist. In ähnlicher Weise besteht die Fig. 6 aus einem Diagramm, in dem die Last in Abhängigkeit von der Durchfederung für die fünf Beispiele von Tabelle 1 und 2 wiedergegeben ist.

Tabelle 1

Tabelle 2

Die Vibrationsisolieruntersätze der vorliegenden Erfindung weisen gegenüber den dem Stand der Technik entsprechenden Untersätzen viele besondere Merkmale und Vorteile auf. Im Gegensatz zu dem Stand der Technik wird bei der vorliegenden Erfindung ein einziges Material (zellulares Elastomer) verwendet, um sowohl die Dämpfung, als auch die Abbremsung zu verwirklichen. Dies hat eine kostengünstigere Herstellung und eine größere Haltbarkeit des Produkts zur Folge. Mit dem geschäumten Elastomer dieser Erfindung wird außerdem ein Untersatz erhalten, der ein geringes Gewicht hat und daher leicht versandt werden kann und bei Anwendungen eingesetzt werden kann, bei denen das Gewicht eine Rolle spielt.

Claims (15)

1. Vibrationsisoliervorrichtung, aus einem Gehäuse (12) mit einer zentralen oberen Öffnung (18) und einer Grundplatte (24), und aus einem Kern (30), der zumindest teilweise in dem besagten Gehäuse (12) angeordnet ist, und aus einem sich durch die besagte Öffnung (18) erstreckenden Schaft (32) und einer an dem besagten Schaft (32) befestigten Scheibe (34) besteht, wobei die besagte Scheibe (34) in dem besagten Gehäuse (12) in einem vorgegebenen Abstand (d) über der besagten Grund­ platte (24) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Gehäuse (12) ein zellulares elastomeres Material (38) enthält, das die besagte Scheibe (34) und mindestens einen Teil des besagten Schafts (32) umgibt, wobei das besagte elastomere Material (38) den besagten Kern (30) in funktionsfähiger Weise mit dem besagten Gehäuse (12) verbindet und in einer vorgegebenen Position (d) innnerhalb des besagten Gehäuses (12) hält.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das besagte zellulare elastomere Material (38) das besagte Gehäuse weitgehend ausfüllt.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte zellulare elastomere Material (38) Zellgrößen aufweist, die zwischen 50 und 400 Mikron liegen.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die besagten Zellgrößen ungefähr 150 Mikron betragen.

5. Vorrichtung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte zellulare elastomere Material (38) aus Polyurethan besteht.

6. Vorrichtung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte zellulare elastomere Material (38) aus Silikon besteht.

7. Vorrichtung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Gehäuse (12) einen zylindrischen Teil mit einem unteren Flansch, und eine mit dem besagten unteren Flansch verbundene Grundplatte (24) aufweist.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die besagte Grundplatte (24) quadratisch ist.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Scheibe (34) kreisförmig ist.

10. Vorrichtung gemäß irgendeinem der vorher­ gehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Schaft (32) oberhalb der besagten Scheibe (34) eine Schulter (42) aufweist.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen ringförmigen Zwischenraum (46), der frei von elastomerem Material ist, einen Teil des Schafts (32) umgibt, und an die besagte Schulter (42) angrenzt.

12. Vorrichtung gemäß irgendeinem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte vorgegebene Abstand zwischen der besagten Scheibe und der besagten Grundplatte ungefähr 40% der Gesamthöhe des besagten Gehäuses beträgt.

13. Verfahren zur Herstellung einer Vibrations­ isoliervorrichtung aus einem Gehäuse (12) mit einer zentralen oberen Öffnung (18) und einer Grundplatte (24), und aus einem Kern (30), der zumindest teilweise in dem besagten Gehäuse (12) angeordnet ist und aus einem sich durch die besagte Öffnung (18) erstreckenden Schaft (32) und einer an dem besagten Schaft (32) befestigten Scheibe (34) besteht, wobei die besagte Scheibe (34) in dem besagten Gehäuse (12) in einem vorgegebenen Abstand (d) über der besagten Grundplatte (24) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine flüssige, schäumbare Reaktionsmischung unmittelbar in das Gehäuse eingespritzt wird; und daß die besagte Reaktionsmischung ausgehärtet wird, wobei sich ein zellulares elastomeres Material in dem besagten Gehäuse bildet, das die besagte Scheibe und mindestens einen Teil des besagten Schafts umgibt.

14. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die besagte Reaktionsmischung aus flüssigem, spritzbarem Polyurethan besteht.

15. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die besagte Reaktionsmischung aus flüssigem, spritzbarem Silikon besteht.