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Die
vorliegende Erfindung betrifft die elastischen Vorrichtungen, die
insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, sowie die Verfahren,
um diese Vorrichtungen zu erhalten.
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Allgemein
haben diese Vorrichtungen eine doppelte Funktion. Einerseits gewähren sie
den durch sie verbundenen starren Elementen Freiheitsgrade. Andererseits
glätten
sie einen wichtigen Anteil der Schwingungen oder Stösse, die
von der Strasse oder dem Antriebsaggregat des Fahrzeugs übertragen
werden. Schematisch besteht eine solche Vorrichtung aus starren
Körpern,
die durch zumindest ein verformbares (allgemein elastomeres) Element miteinander
verbunden sind. Die Starrheit dieses Elements hängt vom ausgewählten Werkstoff
und von seiner Geometrie ab. Dem Fachmann ist bereits bekannt, axiale
und radiale Starrheit anzupassen, indem er die Abmessungen und eingesetzten
Kombinationen variiert. Um zum Beispiel die radiale Starrheit gegenüber der
axialen Starrheit zu erhöhen,
wird bekanntlich ein starrer, allgemein metallischer Zwischenring
eingeführt,
der die radiale Starrheit der Vorrichtung beträchtlich erhöht, ohne ihr Verhalten bei
einer axialen Beanspruchung merklich zu verändern. Da die von Fahrzeugkonstrukteuren
verlangten Leistungen dieses Verhältnis von radialer zu axialer Starrheit
immer weiter treiben, ist vorgeschlagen worden, je nach dem angestrebten
Verhältnis
zwei oder sogar mehr als zwei Zwischenringe einzuführen.
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Andererseits
wird bekanntermassen das elastomere Material mit radialer Kompression
vorgespannt, um die Lebensdauer der Vorrichtungen zu verbessern.
Dies wird allgemein nach Vulkanisieren des Elastomers durch eine
dauernde Verformung erreicht, die entweder dem Aussenkörper oder
dem Innenkörper
aufgezwungen wird. Der Arbeitsgang, bei dem das (innere) Volumen
des Aussenkörpers
verringert wird, wird „Reduzieren" genannt. Der Arbeitsgang,
der darin besteht, das (äussere)
Volumen des Innenkörpers
zu erhöhen,
wird „Aussenaufweitung" genannt. Je nach
den Abmessungen der Vorrichtungen wird eine dauernde Verformung
in der Grössenordnung
von 5 bis 10 % des Durchmessers angewendet.
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Um
das Elastomer im Wesentlichen gleichförmig vorzuspannen, wenn die
Vorrichtung einen starren Zwischenring umfasst, erfolgt in bekannter Weise
ein Reduzieren des Aussenkörpers
und eine Aussenaufweitung des Innenkörpers.
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Wenn
die Vorrichtung hingegen mehr als einen starren Zwischenring umfasst,
werden die Bereiche des elastomeren Materials, die nicht mit dem
einen oder anderen der Körper
in Berührung
stehen, nicht vorgespannt. Daraus ergibt sich eine Begrenzung für die Leistungen
der Vorrichtung hinsichtlich der zulässigen Beanspruchung und/oder
Lebensdauer.
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Aus
dem Dokument JP-A-62-128741 sind eine elastische Vorrichtung, die
dem Oberbegriff des Anspruchs 6 entspricht, sowie ein Verfahren,
das dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht, bekannt. Diese Vorrichtung
setzt sich aus zwei einzigartigen Gelenken zusammen. Jedes der beiden
einzigartigen Gelenke besteht seinerseits aus Aussen- und Innenkörpern, zwischen
die ein elastomeres Material eingeschoben ist. Nach Vorspannen jedes
der beiden Gelenke werden die beiden Gelenke ineinandergesteckt,
um das endgültige
Gelenk zu bilden.
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Die
Erfindung erlaubt es, diese oben erwähnte Begrenzung aufzuheben.
Das erfindungsgemässe Verfahren
erlaubt nämlich
das Vorspannen des elastomeren Materials des Gelenks ohne Rücksicht
auf die Anzahl von darin enthaltenen starren Zwischenringen.
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Die
Erfindung besteht zunächst
in einem Verfahren, eine kompressive radiale Vorspannung an ein elastomeres
Material eines elastischen Gelenks anzulegen, wobei das Gelenk einen
starren Aussenkörper
und einen starren Innenkörper
umfasst und wobei das Gelenk ausserdem zumindest einen starren Zwischenring
umfasst, der das elastomere Material in zumindest zwei Abschnitte
teilt, wobei das Verfahren darin besteht, zumindest einen der starren
Körper plastisch
zu verformen, um eine radiale Druckbelastung in zumindest einem
der Abschnitte des elastomeren Materials zu erzeugen, und eine axiale
Verformung dieses zumindest einen Abschnitts so zu steuern, dass
dem starren Zwischenring eine im Wesentlichen gleichförmige radiale
Verformung aufgezwungen wird.
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Die
Erfindung besteht ebenfalls in einer Vorrichtung zum Anlegen einer
radialen kompressiven Vorspannung an ein elastomeres Material eines
elastischen Gelenks, wobei dieses elastische Gelenk einen starren
Aussenkörper
und einen starren Innenkörper
sowie ausserdem zumindest einen starren Zwischenring umfasst, der
dieses Material in zumindest zwei Abschnitte teilt, wobei die Vorrichtung
Mittel, die in der Lage sind, zumindest einen der starren Körper plastisch
radial zu verformen, sowie Anschläge umfasst, die in der Lage
sind, eine axiale Verformung zumindest eines dieser Abschnitte des
elastomeren Materials zu steuern.
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Die
Erfindung beruht auf dem Prinzip der Nichtkomprimierbarkeit des
elastomeren Materials. Während
der radialen Verformung des elastomeren Materials durch Reduzieren
oder Aussenaufweitung wird proportional die axiale Verformung gesteuert (wobei
die Poissonzahl die zueinander senkrechten Verformungen verbindet).
Das elastomere Material zwingt dann dem benachbarten Zwischenring
eine radiale Verformung der gleichen Art auf, wie sie durch das
Gelenk erlitten wird.
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Das
erfindungsgemässe
Verfahren gestattet es somit, die Verformung radial zu übermitteln,
ohne dass sie durch den oder die starren Zwischenringe aufgehalten
wird. Dies ist von offensichtlichem Interesse für Gelenke mit mehr als einem
Zwischenring, aber ebenfalls für
Gelenke, die nur einen besitzen, da es damit zum Beispiel möglich ist,
das Vorspannen in einem einzigen Arbeitsgang des Reduzierens oder der
Aussenaufweitung zu realisieren.
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Die
Verteilung der Vorspannung in den verschiedenen Bereichen des elastomeren
Materials hängt
von der Fliessgrenze des Körpers
ab, der dem Reduzieren bzw. der Aussenaufweitung unterworfen wird,
ferner von der axialen Verformung, die dem elastomeren Material
erlaubt wird, sowie von der Fliessgrenze des Zwischenrings. Durch
Verringerung der Dicke des Rings oder Wahl eines stärker dehnbaren
Materials (zum Beispiel Aluminium) kann man das Verfahren insofern
erleichtern, als die durch das elastomere Material übermittelten
(und somit auch erlittenen) Drucke geringer werden.
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Die
Erfindung, durch die es ermöglicht
wird, dass die radiale kompressive Vorspannung einen Zwischenring überspringt,
ist kettenartig wiederholbar. Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt es nämlich, durch
Steuerung der axialen Verformungen der durch aufeinanderfolgende
Ringe getrennten Bereiche des elastomeren Materials die Vorspannung durch Überspringen
mehrerer Ringe aufzuteilen. Die erforderlichen Drucke sind dann
höher,
aber man kann dadurch die Anzahl der Arbeitsgänge verringern.
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Die
Steuerparameter können
experimentell oder rechnerisch ermittelt werden. Die Steuerdrucke werden
zum Beispiel erhalten, indem eine gegebene Axialkraft auf die Enden
der Bereiche des elastomeren Materials ausgeübt wird oder indem einem Anschlag,
der weich oder starr sein kann, eine gegebene axiale Stellung auferlegt
wird.
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Das
Ziel des Verfahrens besteht darin, eine radiale kompressive Vorspannung
zu erzeugen, deren Eigenschaften übrigens dem Fachmann bekannt sind,
der je nach den Abmessungen der Gelenke eine dauernde Verringerung
der radialen Abmessungen der Abschnitte des elastomeren Materials
des Gelenks in der Grössenordnung
von 5 bis 10 % zu erzielen sucht. Es obliegt dem Fachmann, die Regelparameter
der erfindungsgemässen
Vorrichtung genau festzulegen, um das erfindungsgemässe Verfahren in
jedem einzelnen Fall eines Gelenkmodells anzuwenden.
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Ein
bekanntes Verfahren zur experimentellen Bestimmung der Vorspannung
ist das folgende: Entlang seiner Radien wird das Gelenk in Sektoren zerschnitten,
die Dicken der verschiedenen Abschnitte des elastomeren Materials
in diesem von Vorspannung befreiten Zustand werden gemessen, und
der Wert der Vorspannung wird durch Vergleich mit den ursprünglichen
Dicken der verschiedenen Abschnitte des elastomeren Materials des
Gelenks (vor seinem Zerschneiden in Sektoren) abgeleitet.
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Die
Erfindung wird sich durch die Beschreibung einiger besonderer Ausführungsformen
an Hand der folgenden Figuren besser verstehen lassen:
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1:
Gelenk mit zwei starren Zwischengliedern,
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2:
Gelenk der 1, ein Reduzieren gemäss einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung erfahrend,
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3:
Gelenk der 1, eine Aussenaufweitung gemäss einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung erfahrend,
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4:
Gelenk der 1, eine Aussenaufweitung gemäss einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung erfahrend,
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In 1 ist
der Schnitt durch ein Beispiel eines elastischen Gelenks (1)
dargestellt. Es umfasst einen Aussenkörper (2) und einen
Innenkörper,
allgemein aus Metall und im Wesentlichen zylindrisch. Diese Körper sind
durch ein elastomeres Material mit Haftvermittler miteinander verbunden.
Um die radiale Steifigkeit des Gelenks gegenüber seiner axialen Steifigkeit
zu erhöhen,
werden starre Zwischenringe (4, 5) eingeführt, die
das elastomere Material in drei koaxiale Abschnitte (6, 7, 8)
teilen. Es ist zu sehen, dass durch ein Reduzieren normalerweise
der radial aussen liegende Abschnitt (8) des Materials
vorgespannt werden kann. Gleichermassen kann durch eine Aussenaufweitung
der radial innen liegende Abschnitt (6) des Materials vorgespannt
werden. Der dazwischen liegende Abschnitt (7) des elastomeren Materials
ist aber für
ein Vorspannen durch die aus dem Stand der Technik bekannten Mittel
unzugänglich,
da er sich zwischen zwei starren Ringen (4, 5) befindet.
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2 stellt
eine Ausführungsform
des erfindungsgemässen
Verfahrens dar. Das radiale Reduzieren des Aussenkörpers (2)
erfolgt, indem ein Radialdruck (R) ausgeübt wird. Die axiale Verformung (Dehnung)
des äusseren
Abschnitts (8) des elastomeren Materials wird durch einen
Druck (B1) gesteuert, der durch Anschläge (10, 15)
entsteht. Die Nichtkomprimierbarkeit des Materials bewirkt, dass
der starre äussere
Zwischenring (4) ebenso wie der Aussenkörper (2) ein Reduzieren
erfährt.
Somit findet sich der dazwischen liegende Abschnitt (7)
des elastomeren Materials ebenfalls vorgespannt. Der innere Abschnitt
(6) des elastomeren Materials kann durch einen (an sich
bekannten) vorausgehenden, gleichzeitigen oder nachfolgenden Arbeitsgang
einer Aussenaufweitung des Innenkörpers (3) vorgespannt werden.
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3 stellt
eine zweite Ausführungsform des
erfindungsgemässen
Verfahrens dar. Die radiale Dehnung des Innenkörpers (3) erfolgt
durch Aussenaufweitung (D1). Die axiale Verformung (Dehnung) des
inneren Abschnitts (6) des elastomeren Materials wird durch einen
Druck (B2) gesteuert, der durch Anschläge (11, 16)
entsteht. Die Nichtkomprimierbarkeit des Materials bewirkt, dass
der starre innere Zwischenring (5) ebenso wie der Innenkörper (3)
eine radiale Dehnung erfährt.
Somit findet sich der dazwischen liegende Abschnitt (7)
des elastomeren Materials vorgespannt. Der äussere Abschnitt (8)
des elastomeren Materials kann durch einen (an sich bekannten) vorausgehenden,
gleichzeitigen oder nachfolgenden Arbeitsgang eines Reduzierens
des Aussenkörpers
(2) vorgespannt werden.
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Die
Ausführungsformen
der 2 und 3 erlauben ebenfalls, sofern
das Gelenk nur einen Zwischenring (und daher zwei getrennte Elastomerabschnitte)
umfasst, dem elastomeren Material in einem einzigen Arbeitsgang
entweder des Reduzierens oder der Aussenaufweitung eine Vorspannung aufzuerlegen,
während
das Verfahren des Standes der Technik zwei Arbeitsgänge verlangt.
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4 stellt
eine dritte Ausführungsform
des erfindungsgemässen
Verfahrens dar. Die radiale Dehnung des Innenkörpers (3) erfolgt
durch Aussenaufweitung (D2). Die axiale Verformung (Dehnung) des
inneren Abschnitts (6) des elastomeren Materials wird durch
einen Druck (B3) gesteuert, der durch Anschläge (11, 16)
entsteht. Die Nichtkomprimierbarkeit des Materials bewirkt, dass
der innere Zwischenring (5) ebenso wie der Innenkörper (3)
eine radiale Dehnung erfährt.
Somit erfährt
der dazwischen liegende Abschnitt (7) des elastomeren Materials
einen radialen Druck. Da seine axiale Verformung ebenso wie die
des inneren Abschnitts (6) durch einen durch Anschläge (12, 17)
entstehenden Druck B4 gesteuert wird, erfährt der äussere Zwischenring (4)
ebenso wie der Innenkörper
(3) und der innere Zwischenring (5) eine radiale
Dehnung, die den äusseren
Abschnitt (8) des elastomeren Materials vorspannt. Durch
diese Ausführungsform
der Erfindung kann der Arbeitsgang eines Reduzierens des Aussenkörpers (2)
entfallen.
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Analog
zur Ausführungsform
der 4 kann man umgekehrt ein Reduzieren des Aussenkörpers (2)
bewirken und die axialen Verformungen des äusseren Abschnitts (8)
und des dazwischen liegenden Abschnitts (7) des elastomeren
Materials steuern, um ein radiales Zusammendrücken der Zwischenringe (4, 5)
zu erzwingen.
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Man
kann die Ergebnisse der Ausführungsform
der 2 und 3 auch kombinieren. Die Vorspannung
des Zwischenbereichs (7) des elastomeren Materials ist
dann die Resultierende der Ergebnisse der beiden aufeinanderfolgenden
oder gleichzeitigen Verfahren.
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Wie
weiter oben beschrieben, kann man durch Regelung der durch die Anschläge (10, 11, 12, 15, 16, 17)
ausgeübten
Drucke (B1, B2, B3, B4) die übertragenen
Belastungen zu dem Zweck variieren, entweder die Vorspannung gleichförmig zu
machen oder sie im Gegenteil an die Situation jedes Abschnitts (6, 7, 8)
des elastomeren Materials anzupassen, deren Eigenschaften oder Umgebung
unterschiedlich sein können.
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Die
Anschläge
(10, 11, 12, 15, 16, 17)
werden bevorzugt aus einem weichen, zum Beispiel elastomeren Material
hergestellt, um den radialen Verformungen während des Verfahrens folgen
zu können.
Sie können
von feststehenden oder beweglichen Unterlagen getragen werden. Bevorzugtermassen
ist das Profil der Anschläge
(10, 11, 12, 15, 16, 17)
im Wesentlichen zu dem der axialen Enden der Abschnitte (6, 7, 8)
des elastomeren Materials komplementär. Im Falle mehrerer Anschläge (4) können die
auf ein und derselben Seite des Gelenks befindlichen Anschläge auf einer
gemeinsamen Unterlage oder auf getrennten Unterlagen sitzen, um eine
unabhängige
Regelung der axialen Drucke (B3, B4) zu ermöglichen.
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Allgemein
kann man die bevorzugte Beziehung zwischen der Zahl konzentrischer
Abschnitte, die der Wirkung der Anschläge unterliegen, der Zahl der
Anschläge,
die für
das Verfahren benötigt
werden, und der Zahl der Elastomerabschnitte, die von der radialen
kompressiven Vorspannung betroffen sind, dadurch ausdrücken, dass
ausgesagt wird, dass die Vorrichtung 2n Anschläge (10, 11, 12, 15, 16, 17)
umfasst, die in der Lage sind, eine axiale Verformung von n Abschnitten
(6, 7, 8) zu steuern, damit n + 1 Abschnitte
(6, 7, 8) einer radialen kompressiven Vorspannung
unterworfen werden.
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Andere
Ausführungsformen
der Erfindung sind möglich.
Man kann das Verfahren zum Beispiel in zwei Schritten realisieren.
So erfolgt ein Reduzieren (R) oder eine Aussenaufweitung (D1, D2)
des Gelenks, danach wird das Gelenk den axialen Drucken (B1, B2,
B3, B4) unterworfen, oder umgekehrt.
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Was
für den
Fall eines zylindrischen Gelenks von kreisförmigem Querschnitt dargestellt
worden ist, gilt auch für
andere Gelenkgeometrien. Es genügt, die
Mittel zur Steuerung der axialen Verformung des Elastomers anzupassen.