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Die
Erfindung betrifft ein Verbindungs-Kugelgelenk insbesondere für einen
Stabilisator eines rollenden Fahrzeugs, und insbesondere für ein Drehgestell
und/oder den Aufbau eines Hochgeschwindigkeitszugs.
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Auf
diesem besonderen technischen Gebiet, jedoch nicht darauf beschränkt, werden
gegenwärtig Stabilisatoren
(auch als Querstabilisator oder Querstab bezeichnet) in Aufhängungssystemen
von Kraftfahrzeugen oder Schienenfahrzeugen verwendet, wobei ein
solcher Stabilisator die Funktion hat, den vertikalen Beanspruchungen
entgegenzuwirken, die bei einer Kurvenfahrt auf die Räder übertragen
werden, wenn die Trägheit
des Fahrzeugs ein Rollen des Fahrzeugs in Querrichtung hervorruft.
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Die
Einrichtungen für
die Verbindung eines solchen Stabilisators mit bzw. die Befestigung
an dem Untergestell des Fahrzeugs oder an den Querlenkern können von
verschiedener Art sein und insbesondere Lager oder Kugelgelenke
aufweisen, die beispielsweise mit einem elastischen Ring versehen sind.
Solche Lager oder Kugelgelenke besitzen zusätzlich zu der Befestigung des
Stabilisators am Untergestell noch verschiedene Funktionen, wie
etwa die Beanspruchungen zwischen dem Aufbau des Fahrzeugs und dem
Stabilisator während
des Rollens auszufiltern, oder Schwingungen mit einer kleinen Amplitude
auszufiltern.
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Es
gibt verschiedene Typen von Kugelgelenken, die ein gewisse Drehverschiebung
zwischen zwei starren Teilen zulassen. Beispielsweise kann das Kugelgelenk
mit einem Gummiring mit einer großen Dicke oder aus einem Polycarbonat
mit einer Reibschlussverbindung versehen werden. Es kann auch die
Verwendung von geschmierten Kugelgelenken vorgesehen werden.
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Solche
Kugelgelenke sind aber noch nicht zufriedenstellend, da sie Schwingungen
nicht richtig ausfiltern, was zu unangenehmen Geräuschen führt z.B.
auf Grund der übermäßig hohen
Steifigkeit von behindernden Teilen, oder in Folge der Abnutzung von
Teilen, was ein Spiel und Klapper geräusche verursacht. Sie sind
ferner nicht sehr widerstandsfähig. Zu
guter Letzt besitzen sie kein gutes Verhältnis zwischen der Winkelverschiebung
und der Steifigkeit (radiale, Dreh- und konische Verdrehsteifigkeit).
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Die
Schrift DE-A-3936775 beschreibt ein anderes Modell eines Kugelgelenks.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, zumindest einen Teil dieser
Probleme zu lösen.
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Hierfür betrifft
die Erfindung ein Verbindungs-Kugelgelenk, beispielsweise für einen
Stabilisator eines rollenden Fahrzeugs, wobei dieses Kugelgelenk
einen geradlinigen Träger
aufweist, der sich entlang einer allgemeinen Längungsachse erstreckt, sowie
ein elastisch verformbares Organ, das um diesen Träger (20)
montiert ist und mindestens eine geschichtete Struktur aufweist,
die aus (einer) Schicht/en aus einem elastisch verformbaren nachgiebigen
Material und (einer) Schichten aus einem Material mit einer höheren Steifigkeit
besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch verformbare
Organ Mittel zum Vorspannen seiner geschichteten Struktur aufweist.
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Gemäß einer
Ausführungsweise
kann das elastisch verformbare Organ zwei ringförmige, koaxiale geschichtete
Strukturen aufweisen, sowie zwei ringförmige Hülsen, die jeweils um eine geschichtete Struktur
montiert sind, um deren elastisch verformbare Schichten vorzuspannen,
sobald diese Hülsen
mit Hilfe von Befestigungsmitteln miteinander verbunden sind, wobei
das Kugelgelenk eine Schnittebene aufweist, die im wesentlichen
senkrecht zur Achse des Trägers
ist.
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Insbesondere
weisen die zwei Hülsen
jeweils eine zur Achse des Trägers
senkrechte Kontaktfläche
auf und sind auf Höhe
dieser Flächen
umfangsmäßig verschweißt.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsweise kann
das elastisch verformbare Organ eine durch die Achse des Trägers verlaufende
Schnittebene aufweisen und zwei im wesentlichen halbkugelförmige, geschichtete
Struktu ren aufweisen, die sich entlang der Achse erstrecken, sowie
zwei ebenfalls im Wesentlichen halbkugelförmige Halbhülsen, die jeweils eine geschichtete
Struktur umgeben, um deren elastisch verformbare Schichten vorzuspannen.
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Insbesondere
kann ein äußeres Rohr
um die Halbhülsen
gecrimpt sein.
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Um
eine gute Winkelauslenkung des Kugelgelenks zu ermöglichen,
ohne dabei ein Schmiermittel verwenden zu müssen, besteht jede geschichtete Struktur
aus einer Wechselfolge von im Wesentlichen halbkugelförmigen Schichten
aus einem nachgiebigen, elastisch verformbaren (hyperelastischen)
Material und von im Wesentlichen halbkugelförmigen Schichten (oder Schalen)
aus einem Material mit einer höheren
Steifigkeit. Hierdurch werden die guten Schereigenschaften von Gummi
zum Verbessern dieser Verdrehfähigkeit
voll genutzt. Tatsächlich
besitzt dieses Material ein relativ niedriges Schermodul (in der
Größenordnung
von 0,5 bis 2 MPA) bei einem erhöhten
Kompressionsmodul (in der Größenordnung
von 1100 MPA).
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Vorteilhaft
weist jede geschichtete Struktur eine nachgiebige hyperelastische
Schicht an jedem ihrer Enden auf, von denen das Eine mit einem kugelförmigen Kern
in Berührung
steht, und das Andere mit Vorspannmitteln in Berührung steht.
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Beispielsweise
kann das nachgiebige hyperelastische Material ein Naturkautschuk
und das steife Material ein Metall sein, und die Schichten von nachgiebigem
Material und die Schichten aus steifem Material können jeweils
eine Dicke in der Größenordnung
eines Millimeters besitzen.
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Auf
eine allgemeine Weise besitzt das Kugelgelenk auch eine höhere radiale
Steifigkeit als Kugelgelenke des Standes der Technik bei einer gleichwertigen
Baugröße und einer
gleichwertigen möglichen Auslenkung,
und besitzt insbesondere im Vergleich mit seiner Verdrehsteifigkeit
und/oder konischen Verdrehsteifigkeit eine erhöhte radiale Steifigkeit.
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Ferner
sind die nachgiebigen, elastisch verformbaren Schichten mit den
steiferen Schichten derart verbunden, dass diese nachgiebigen Schichten hauptsächlich Scherbeanspruchungen
ohne jegliche Gleitverschiebung in Bezug auf die steiferen Schichten
ausgesetzt sind, wenn sie Drehbeanspruchungen gemäß der Achse
des Trägers
oder konischen Drehbeanspruchungen gemäß jeglicher zu der Achse des Trägers senkrechten
Achse ausgesetzt sind. Selbstverständlich unterliegen diese hyperelastischen Schichten
radialen Druckbeanspruchungen (und Zugbeanspruchungen).
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Die
Erfindung betrifft auch einen Stabilisator für ein rollendes Fahrzeug wie
etwa einen Hochgeschwindigkeitszug, der mit einem Verbindungs-Kugelgelenk gemäß der obenstehenden
Beschreibung ausgerüstet
ist.
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Weitere
Merkmale, Details und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
Lektüre
der nachfolgenden Beschreibung, die beispielhaft unter Bezugnahme
auf die beigefügte
Zeichnung gegeben wird. Es zeigt:
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1 eine
Vorderansicht des erfindungsgemäßen Kugelgelenks,
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2 eine
Seitenansicht von 1,
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3 eine
Schnittansicht von 1,
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4 eine
Detailansicht von 3,
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5 eine
Ausführungsvariante
von 3, und
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6 eine
Schnittansicht von 5.
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In 1 ist
ein geschichtetes Kugelgelenk 10, beispielsweise für einen
Stabilisator (nicht dargestellt) eines Hochgeschwindigkeitszugs,
dargestellt. Dieses Kugelgelenk 10 weist einen geradlinigen
Träger 20 auf,
der sich entlang einer Hauptlängungsachse
xx' erstreckt, sowie
ein elastisch verformbares Organ 30, das insbesondere dazu
bestimmt ist, die axialen und radialen Beanspruchungen aufzunehmen und
gleichzeitig große
Drehauslenkungen zuzulassen.
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Das
elastisch verformbare Organ 30 weist mindestens eine geschichtete
Struktur 35 auf, die von einem Vorspannmittel 40 umgeben
ist. Eine ausführliche
Beschreibung dieses elastisch verformbaren Organs 30 wird
weiter unten im Zusammenhang insbesondere mit den 3 und 4 gegeben
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Wie
in 2 zu sehen ist, sind das Vorspannmittel 40 und
die geschichtete Struktur 35 konzentrisch, wobei die geschichtete
Struktur 35 – wie weiter
unten zu sehen sein wird – aus
einer (im Wesentlichen radialen) Schichtung von Schichten 32 und 34 besteht,
die aus Materialien mit unterschiedlichen Härten ausgeführt sind.
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Die 3 und 4 zeigen
in mehr Detail die Schichten 32 und 34 einer jeden
geschichteten Struktur 35. Wie insbesondere in 3 zu
sehen ist, weist das elastisch verformbare Organ 30 tatsächlich zwei
geschichtete Strukturen 35 auf, die ringförmig und
koaxial sind und sich entlang einer zur Achse xx' des Trägers 20 senkrechten
Trennebene an einander fügen.
Sie müssen
so auf dem Träger
montiert sein, dass ihre geometrischen Mittelpunkte im Wesentlichen
zusammenfallen. In der Praxis befindet sich dieser Mittelpunkt im
Wesentlichen auf dem Schnittpunkt der Achse xx' mit der Trennebene der zwei geschichteten
Strukturen 35, wodurch es bei einem Verkippen des Kugelgelenks
(konische Beanspruchung) ermöglicht
wird, dass die Schichten scherend arbeiten.
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Die
geschichteten Strukturen sind von Hülsen 42 bzw. 44 z.B.
aus Stahl umgeben, die nach ihrer Befestigung an einander als Mittel
zum (insbesondere axialen) Vorspannen der geschichteten Strukturen 35 dienen.
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Jede
geschichtete Struktur 35 besteht somit aus einer alternierenden
Schichtung von Schichten 32 aus einem elastisch verformbaren
nachgiebigen Material wie etwa Naturkautschuk und aus Schichten oder
Schalen 34 aus einem Material mit einer höheren Steifigkeit
wie etwa einem Metall (insbesondere Baustahl).
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Unter
einem nachgiebigen, elastisch verformbaren Material ist ein Material
zu verstehen, das als hyperelastisch bezeichnet werden kann, d.h.
das eine proportional erhöhte
Fähigkeit
zur elastischen Verformung in mindestens einer bevorzugten Richtung
besitzt, verglichen mit einem steifen Material, das eine kleine
Zone der elastischen Verformung besitzt.
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Ferner
beginnt und endet die Schichtstruktur einer jeden geschichteten
Struktur 35 mit einer Schicht 32a/32b aus
einem nachgiebigen Material. So ist eine Schicht 32a in
Kontakt mit einer der Hülsen 42 oder 44,
und die andere Schicht 32b ist in Kontakt mit einem kugelförmigen Kern 50,
der zu dem elastisch verformbaren Organ 30 gehört und gegebenenfalls
auch fest mit dem Träger 20 verbunden ist.
Die Haftung zwischen den Schichten 32 aus Gummi und den
metallischen Teilen (Kern 50, Vorspannmittel 40,
Schalen 34) wird beim Formen des Teils durch Einspritzen
von Gummi zwischen die Schalen mittels einer chemischen Reaktion
hergestellt. Diese Ausführungsweise
ist deutlich leistungsfähiger
als Verkleben oder jegliche andere Verbindung.
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Jede
geschichtete Struktur 35 besitzt hierbei eine im Wesentlichen
halbkugelförmige
innere und äussere
Form, so dass sie sich perfekt an die Aussenform des kugelförmigen Kerns 50 und
die Innenform der Hülsen 42 und 44 anpasst.
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Wie
in 4 im Detail zu sehen ist, ist die Dicke einer
jeden Schicht vergleichsweise gering, im vorliegenden Fall z.B.
in der Größenordnung
eines Millimeters. Die Abmessungen hängen von der beabsichtigten
Verwendung des Kugelgelenks ab und sind aus diesem Grund nur beispielhaft
angegeben. Es ist hingegen wichtig, dass die Schalen aus Metall 34 beim
Formen eine ausreichende Festigkeit besitzen, damit sie sich nicht
unter dem Druck des Gummis verformen. Wenn wiederum die Schichten 32 aus Gummi
zu dünn
sind, ist es schwierig für
das Material, beim Einspritzen auf gleichförmige Weise zwischen den Schalen 34 zu
zirkulieren, so dass dann die Gefahr der Bildung von hohlen Taschen
in der Schichtung besteht.
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Die
Herstellung und die Montage dieses Kugelgelenks 10 sind
insbesondere einfach.
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Zuerst
wird eine erste geschichtete Struktur 35 hergestellt, indem
Gummi bei einem Schritt des Einspritzens unter Druck zwischen den
verschiedenen Schalen 34 sowie zwischen einer ersten Schale 34a und
einem Halbkern 52 und zwischen einer letzten Schale 34b einer
Hülse 42 eingeschlossen
wird. Hierdurch wird eine einstückige
Anordnung im Wesentlichen in Form eines Rings oder eines Halbkugelgelenks
hergestellt. Da die metallischen Schalen 34 ebenso wie
die Innenfläche
der Hülse 42 und
die Aussenfläche
des Halbkerns 52 eine Halbkugelform besitzen, weisen auch
die Schichten 32/32a/34a aus Gummi eine
Halbkugelform auf.
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Der
Formschritt wird wiederholt, um eine zweite, zu der ersten komplementäre einstückige Anordnung
(Halbkugelgelenk) mit einer zweiten Hülse 44, einer zweiten
geschichteten Struktur 35 und einem zweiten Kern 54 auszubilden.
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Diese
beiden Halbkugelgelenke werden dann um den Träger 20 montiert, um
das Kugelgelenk 10 zu bilden.
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Hiefür werden
die beiden Halbkerne 52 und 54 sowie die Hülsen 42 und 44 und
die Schichtstrukturen 35 in Radialrichtung so zusammengeführt, dass
die Halbkerne aneinander anliegen und eine Kugelform darstellen.
Zu diesem Zeitpunkt befinden sich die beiden Hülsen 42 und 44 noch
nicht in Kontakt mit einander. Der Innendurchmesser des Kerns und
der Aussendurchmesser des Trägers
werden so gewählt,
dass jegliche axiale oder verdrehende Gleitverschiebung eines Halbkerns
bezüglich
des Anderen bei einer Verwendung des Kugelgelenks vermieden ist.
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Die
Hülsen 42 und 44 werden
dann unter Zwang so zusammengeführt,
dass sie ebenfalls an den Kontaktflächen 42a und 44a aneinander
liegen, die sich entlang einer zur Achse xx' des Trägers 20 senkrechten
Schnittebene erstrecken. Hierbei wird so vorgegangen, dass auch
bei einer gegenseitigen Anlage der Halbkerne 52 und 54 die
Hülsen
nur dann miteinander in Berührung
kommen können,
wenn eine bestimmte Kraft in Axialrichtung ausgeübt wird. Anders ausgedrückt, zwischen
den beiden Hülsen
ist vor ihrer gegenseitigen Befestigung ein gewisses axiales Spiel
vorhanden.
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Daraufhin
werden die Hülsen 42 und 44 gegen
einander gehalten und beispielsweise durch ein Schweissverfahren
(bevorzugt Laser-Punktschweissen) oder durch jegliches andere geeignete
Mittel, das insbesondere für
eine Aufnahme der durch die Vorspannung erzeugten axialen Kräfte geeignet
ist, verbunden.
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Bei
der Ausbildung der Verschweissung 48 vermeidet man eine
Verschlechterung der Schichten 32b aus Gummi in Folge der
freigesetzten Wärme. Dies
wird insbesondere durch das Punktschweissen und durch eine angepasste
Gestaltung der Gummischichten erleichtert, durch die vermieden wird,
dass diese zu nahe an der Schweisszone angeordnet sind.
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Nach
dem Verschweissen des Umfangs der Hülsen kann vorgesehen sein,
das Teil erneut zu bearbeiten, um jegliche übermäßige Dicke der Verschweissung
abzunehmen.
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Es
wird angemerkt, dass sowohl die Hülsen 42/44 als
auch die Ringe 32/34 identisch und symmetrisch
auf beiden Seiten einer zur Achse xx' senkrechten Ebene angeordnet sind,
wodurch ein Kugelgelenk 10 mit einer guten Wucht (annähernd bei
den Herstellungstoleranzen) um diese Schnittebene ausgebildet wird.
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Das
Zusammenführen
der Hülsen
entlang der Achse xx' des
Trägers
und die Befestigung der Hülsen
durch Schweissen zum Füllen
des Spiels zwischen ihnen hat den Effekt, dass eine axiale Vorspannung
in den geschichteten Strukturen mittels Scherung und Kompression
der Schichten 32 aus Gummi erzeugt wird. Diese Vorspannung
ist insbesondere nützlich
und ermöglicht
es insbesondere, eine Zugarbeit des Gummis zu begrenzen, was eine längere Lebensdauer
ermöglicht.
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Nun
muss das auf diese Weise hergestellte Kugelgelenk 10 nur
noch an einem Stabilisator (bzw. Dämpfungsarm) oder an einer Spurstange
für ein Drehgestell
oder den Aufbau eines Hochgeschwindigkeitszugs befestigt werden.
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Auf
eine allgemeine Weise besitzt dieser Typ eines geschichteten Kugelgelenks
eine elastische Rückführkraft
bzw. ein elastisches Rückführmoment in
allen Richtung, d.h. die Beaufschlagung mit einer Kraft in einer
Richtung verursacht eine dazu im Wesentlichen proportionale Auslenkung
in dieser Richtung, und die Beaufschlagung mit einem konischen Verdreh winkel
(entlang einer jeglichen, zu der Achse xx' senkrechten Achse) führt zu dem
Auftreten eines ebenfalls im Wesentlichen proportionalen Moments.
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Anders
als bei gegenwärtig üblichen
Kugelgelenken ist ferner absolut keine Gleitverschiebung der Elemente
gegeneinander vorhanden, da die Gummischichten tatsächlich in
allen möglichen
Drehrichtungen einer Scherbeanspruchung unterzogen werden.
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Die
Verwirklichung dieses geschichteten Kugelgelenks erlaubt eine bestmögliche Annäherung an das
theoretische Modell eines Kugelgelenks (drei Freiheitsgrade der
Drehung bei keinem translatorischen Freiheitsgrad) dank der erhöhten translatorischen
(axialen und radialen) Steifigkeit und der geringeren Drehsteifigkeit
(Verdreh- und konische Verdrehsteifigkeit) als bei herkömmlichen
(nicht geschichteten) Kugelgelenken aus Gummi und Metall, und ermöglicht somit
bei einem gleichen Volumen größere Kräfte und
Auslenkungen als im Stand der Technik.
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Die 5 und 6 stellen
eine Ausführungsvariante
dar, bei der das Kugelgelenk 10 zwei geschichtete Strukturen 135 aufweist,
die jeweils aus einer Schichtung von Schichten 32 aus einem
elastischen Material wie Naturkautschuk und Schichten 34 aus
einem Material mit einer höheren
Steifigkeit wie einem Metall (klassischer Stahl) bestehen. Diese
geschichteten Strukturen 135 mit einer Halbschalenform
und einer durch die Achse xx' des
Trägers 20 verlaufenden
Trennebene sind von Halbhülsen 142 und 144 mit
einer gleichen Schnittebene umgeben, wobei diese Halbhülsen als
Mittel 40 zum Vorspannen der geschichteten Strukturen 135 dienen.
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Somit
sind die Halbschalen und die Halbhülsen anders als bei der vorausgegangenen
Ausführungsweise
nicht ringförmig
und schließen
sich nicht entlang einer zur Achse xx' senkrechten Ebene an einander an, sondern
entlang einer durch diese Achse xx' verlaufenden Ebene, wie in 6 zu
sehen ist. Die Halbschalen (und die zwei Halbhülsen) erstrecken sich somit
entlang der Achse xx',
wobei sie jeweils an eine Hälfte
der Kugelform des Kern 50 Trägers 20 angepasst
sind, auf den die geschichtete Struktur geformt ist.
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Die
Herstellung dieses elastisch verformbaren Organs 30 ist ähnlich zu
der der vorausgegangenen Ausführungsweise,
mit der Ausnahme, dass das gesamte Kugelgelenk in einem Durchgang
durch Formen des Gummis zwischen den Schalen 34, den Halbhülsen 142 und 144 und
dem Kern 50 gefertigt wird. Eine Vorspannung (hauptsächlich radial)
wird bei diesem Formen durch die Halbhülsen 142 und 144 auf
die geschichteten Strukturen ausgeübt.
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Eine
Aussenröhre 160 kann
ferner um die Hülsen
gecrimpt werden, um die Anordnung fest zu halten und die Vorspannung
auszuüben,
obwohl dies nicht notwendig ist, da diese Vorspannung durch die Montage
hergestellt werden kann.
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Die
mit diesem Typ eines Kugelgelenks erzielten Eigenschaften sind denen
der ersten Ausführungsweise
im Wesentlichen ebenbürtig,
wenn man davon absieht, dass das erste Kugelgelenk unabhängig von
der Richtung der Beaufschlagung der radialen Kraft oder des konischen
Moments eine gleiche radiale und konische Steifigkeit besitzt.
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Dieser
Typ von Kugelgelenk kann ausserhalb des Gebietes der Stabilisatoren
genutzt werden, z.B. auf dem Gebiet der Dämpfungseinrichtungen, Zugstangen,
Bremsmechanismen, Kupplungen, Steuerungen für pneumatische Vorrichtungen
oder Führungsmechanismen.
Das erfindungsgemäße Kugelgelenk
ist nicht auf eine Verwendung im Eisenbahnbereich beschränkt und
kann auch in der Luftfahrt- oder Kraftfahrzeugindustrie angewendet
werden.
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Ferner
kann die Kugelform des Kerns 50 unmittelbar auf dem Träger bearbeitet
werden, ohne dass ein dazwischen liegendes Teil benötigt wird.
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Wohlgemerkt
kann die Anzahl und die Dicke der Schichten in Abhängigkeit
von den erforderlichen Eigenschaften (radiale Steifigkeit, Verdreh-
und konische Verdrehsteifigkeit) und den angestrebten Größen der
Auslenkung und Kraft für
diese drei Beanspruchungen variieren. Das Resultat ist hauptsächlich im
Sinne der Schichtdicken ein Kompromiss zwischen der radialen Steifigkeit
einerseits und der Verdreh- und konischen Verdreh steifigkeit andererseits, sowie
der Kräfte
und Winkel, denen das Kugelgelenk ausgesetzt ist (Maximalwerte und
Ermüdungswert).
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Die
nachgiebigen Schichten können
aus Naturkautschuk oder aus jeglichem anderen Material mit hyperelastischen
Eigenschaften bestehen.
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Das
Schweissen der Hülsen
kann schließlich durch
eine Befestigung mit mehreren Schrauben ersetzt werden, die jeweils
auf Lappen einer jeden Hülse
angeordnet sind, durch Crimpen, oder durch jegliches gleichwertige
Mittel.